问题

熵权法是什么,该如何求?

回答
熵权法:客观评价指标权重确定的“拨乱反正”之道

在众多评价指标中,我们常常面临一个核心难题:哪些指标更具信息量,更能反映事物的本质特征?简单地赋予所有指标相同的权重,无疑是对复杂现实的粗暴简化。这时候,一个叫做“熵权法”的工具便应运而生,它以一种客观且富有洞察力的方式,帮助我们拨开迷雾,找到真正有价值的参照系。

你可以想象一下,你正在组织一场评审会,要评估不同方案的优劣。你有很多衡量标准,比如成本、效率、创新性等等。如果所有标准都同等重要,那么一个在成本上表现极差的方案,可能因为在其他方面稍有优势就被忽略。这显然不公平也不合理。熵权法就是解决这个问题的“裁判”,它告诉你,哪个标准在你手中“说了算”,哪个标准只是“锦上添花”。

熵权法的核心思想:信息量是权重的源泉

熵权法的精髓在于它不依赖于主观经验或专家意见,而是完全基于数据本身的信息量来确定指标的权重。它的底层逻辑是:

信息量与离散度成正比: 一个指标的取值越分散(离散程度越高),说明它能区分不同样本的能力越强,包含的信息量就越多。反之,如果一个指标的取值都非常接近,那么它对区分不同样本几乎没有帮助,信息量就很小。
熵是衡量无序度的指标: 在信息论中,熵被用来衡量一个随机变量的不确定性或混乱程度。在熵权法中,我们借用这个概念来衡量一个指标的“信息熵”。一个指标的信息熵越低,说明它的取值越集中,不确定性越小,包含的信息量也就越少。反之,信息熵越高,说明取值越分散,不确定性越大,包含的信息量就越多。
信息熵越低的指标,其信息量越大,权重越高: 这听起来有点违反直觉,但请仔细体会。信息论中的“熵”在这里指的是冗余度,或者说不确定性。一个指标的“信息熵”值越高,说明它的变异程度越大,能够提供的信息越多。而我们最终需要计算的是“信息量”,信息量和熵是成反比的。也就是说,熵值越低,表示该指标的变异程度越大,信息量就越大,因此它在评价体系中的权重就越高。

简单来说,熵权法认为,那些在不同评价对象之间变化幅度很大的指标,更能反映出它们之间的差异性,因此应该赋予更高的权重。而那些所有评价对象都差不多一样的指标,就如同“背景噪音”,对区分好坏帮助不大,权重自然就低。

熵权法如何求:一步一步拆解计算过程

要运用熵权法,我们需要经过几个关键的步骤。假设我们现在有一个评价矩阵,其中包含了 $m$ 个评价对象和 $n$ 个评价指标。矩阵的元素 $x_{ij}$ 表示第 $j$ 个指标在第 $i$ 个评价对象上的取值。

第一步:数据标准化 (Normalization)

由于不同指标的量纲和数值范围可能差异很大,直接进行比较和计算是不合理的。我们需要将原始数据进行标准化处理,消除量纲的影响,使得所有指标都在可比的范围内。

正向指标标准化: 指标值越大越好(例如:收入、效率)。
$$ x'_{ij} = frac{x_{ij} min(x_{j})}{max(x_{j}) min(x_{j})} $$
其中,$x'_{ij}$ 是标准化后的值,$min(x_{j})$ 是第 $j$ 列(即第 $j$ 个指标)的最小值,$max(x_{j})$ 是第 $j$ 列的最大值。这样处理后,指标值会变成介于 0 和 1 之间的数,值越大越好。

负向指标标准化: 指标值越小越好(例如:成本、污染指数)。
$$ x'_{ij} = frac{max(x_{j}) x_{ij}}{max(x_{j}) min(x_{j})} $$
同样,标准化后的值介于 0 和 1 之间,但在这里,值越大越“好”(因为原始值越小)。

修正:避免分母为零
在实际操作中,如果一个指标的所有值都相同(即 $max(x_{j}) min(x_{j}) = 0$),那么上述公式会产生除以零的错误。在这种情况下,我们可以将该指标的标准化值全部设为 1(或者 0,取决于你认为这种“不变”是好是坏,通常设为 1 更为常见,表示没有区分度)。更严谨的做法是在计算 $max(x_j) min(x_j)$ 时加上一个极小的正数 $epsilon$。

标准化后的数据构成了一个新的矩阵 $X'$,其中每个元素 $x'_{ij}$ 都介于 0 和 1 之间。

第二步:计算每个指标的“比例指示值”

这一步是为了计算每个指标在所有评价对象中所占的相对比例。对于标准化后的矩阵 $X'$,我们计算第 $j$ 个指标在第 $i$ 个评价对象上的比例指示值 $p_{ij}$:

$$ p_{ij} = frac{x'_{ij}}{sum_{i=1}^{m} x'_{ij}} $$

这里的 $sum_{i=1}^{m} x'_{ij}$ 是第 $j$ 列所有标准化值的总和。这个 $p_{ij}$ 表示第 $i$ 个评价对象在第 $j$ 个指标上的贡献占该指标总贡献的比例。这个值在 $[0, 1]$ 范围内,且 $sum_{i=1}^{m} p_{ij} = 1$。

第三步:计算每个指标的“信息熵”

信息熵(Entropy)是衡量信息不确定性的指标。在信息论中,信息熵的公式为:

$$ H_j = frac{1}{ln(m)} sum_{i=1}^{m} p_{ij} ln(p_{ij}) $$

其中:
$H_j$ 表示第 $j$ 个指标的信息熵。
$m$ 是评价对象的数量。
$p_{ij}$ 是我们在第二步中计算出的比例指示值。
$ln(m)$ 是自然对数。

需要注意的是,当 $p_{ij} = 0$ 时,我们约定 $p_{ij} ln(p_{ij}) = 0$。这是因为当一个指标在某个对象上的比例为零时,它不提供任何信息。

信息熵 $H_j$ 的值总是在 0 到 1 之间。
如果一个指标的所有评价对象在该指标上的比例都非常接近(即 $p_{ij}$ 非常分散),那么 $ln(p_{ij})$ 的值会非常接近 0,导致 $H_j$ 趋近于 1。这表示该指标的不确定性大,包含的信息量也大。
如果一个指标在一个或少数几个评价对象上的比例很高,而在其他对象上比例很低(即 $p_{ij}$ 非常集中),那么某些 $p_{ij}$ 的值会很小,$ln(p_{ij})$ 的值会是负数且绝对值很大,导致 $H_j$ 趋近于 0。这表示该指标的不确定性小,包含的信息量也就少。

第四步:计算每个指标的“信息增益”或“冗余度”

信息增益(Information Gain)或者说信息冗余度(Redundancy)是指一个指标相对于完全无序状态(即所有指标都等概率分布)所减少的不确定性。在熵权法中,我们通常计算的是信息增益度或者叫做剩余信息量,然后根据这个来反推权重。这里的“信息增益”概念更侧重于“信息量”。

我们通常计算“信息熵剩余量”(或者理解为信息增益量),表示为 $d_j$:

$$ d_j = 1 H_j $$

$d_j$ 的值也在 0 到 1 之间。
如果 $H_j$ 接近 0,说明该指标的信息熵很低,变异程度小,信息量少,那么 $d_j$ 就接近 1。
如果 $H_j$ 接近 1,说明该指标的信息熵很高,变异程度大,信息量多,那么 $d_j$ 就接近 0。

注意: 这里大家可能会有点晕,我们再梳理一下。
熵(Entropy):衡量不确定性,值越大表示越不确定,包含信息越多。
信息熵的计算公式:$H_j = frac{1}{ln(m)} sum_{i=1}^{m} p_{ij} ln(p_{ij})$。
对熵的理解:熵值越高,表示指标的变异程度越大,包含的信息量越多。

第五步:计算每个指标的权重

最后一步,我们根据信息增益(或者说信息量)来计算每个指标的权重 $w_j$。权重应该与指标的信息量成正比。

$$ w_j = frac{d_j}{sum_{j=1}^{n} d_j} = frac{1 H_j}{sum_{j=1}^{n} (1 H_j)} $$

其中:
$w_j$ 是第 $j$ 个指标的权重。
$d_j = 1 H_j$ 是第 $j$ 个指标的“信息增益度”。

经过这一步计算,我们会得到一组权重,这些权重满足:
$w_j ge 0$
$sum_{j=1}^{n} w_j = 1$

总而言之,熵权法的逻辑是:

1. 标准化:消除量纲影响,使数据具有可比性。
2. 计算比例:看每个指标在不同对象中的分散程度。
3. 计算熵:衡量指标的“不确定性”或“信息量”。熵值越高,信息量越大。
4. 计算权重:将信息量转化为权重,信息量越大的指标,权重越高。

熵权法的优点与局限性

优点:

客观性强: 完全基于数据本身的信息量来确定权重,避免了主观臆断带来的偏差。这使得评价结果更加科学和可信。
适用于多指标评价: 在面对大量指标时,熵权法能够有效地从中提取出最有价值的信息,突出关键因素。
操作简便: 计算过程相对清晰,易于理解和实现。
揭示数据内在规律: 通过分析指标的离散程度,可以发现数据本身隐藏的特征,为深入理解评价对象提供线索。

局限性:

忽略了指标间的相关性: 熵权法在计算权重时,是将每个指标独立进行分析,并没有考虑指标之间可能存在的线性或非线性相关性。如果存在高度相关的指标,可能会导致权重分配的重复或不合理。
对异常值敏感: 如果数据中存在极端异常值,可能会对指标的离散度产生过大的影响,从而扭曲权重分配。在应用前,对异常值的处理是必要的。
对样本量有一定要求: 当样本量(评价对象数量 $m$)过小的时候,计算出的信息熵可能不够稳定,导致权重分配的可靠性下降。
“没有变化”不一定“无用”: 有些指标虽然在不同对象之间变化不大,但它们可能代表着基础的、必要的条件,其重要性不应被熵权法完全否定。例如,安全指标在某个领域可能都达到很高的水平,变化不大,但其重要性不言而喻。
不考虑业务背景和实际意义: 熵权法只关注数据本身的统计特征,不考虑指标的业务含义和专家对指标重要性的判断。在某些情况下,专家经验可能比纯数据分析更能指导权重分配。

什么时候选择熵权法?

熵权法特别适合用于那些评价对象众多,且需要客观地确定各指标重要性的场景,例如:

区域经济发展水平评价: 评估不同地区在经济、社会、环境等方面的综合实力。
企业绩效评估: 对比不同企业在财务、运营、创新等方面的表现。
产品或服务质量评价: 分析消费者对不同产品或服务在各项功能、性能上的偏好。
投资项目风险评估: 衡量不同项目在市场、技术、管理等方面的潜在风险。
环境监测和评估: 判断不同区域的环境质量和污染状况。

在实际应用中,熵权法常常与其他权重确定方法(如主成分分析法、因子分析法、层次分析法等)结合使用,以取长补短,获得更全面、更可靠的评价结果。例如,可以先用主成分分析法提取主要信息,再用熵权法在这些主成分上确定权重,或者将熵权法得到的权重作为层次分析法的输入参数。

理解熵权法,就像掌握了一种从数据中挖掘“真相”的有力工具。它让我们看到,那些在万千数据中“跳动”最剧烈的,往往才是最值得我们关注的信号。

网友意见

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熵权法注意事项。

上面链接中有流程图如下:

上图标注的地方请留意。

也就是求权重之前,需要先规范化。

规范化一定要先注意指标的属性。即正向指标还是负向指标。

※熵权法(the entropy weight method 简称EWM)是脱胎于信息论基本原理的解释,信息是系统有序程度的一个度量,熵是系统无序程度的一个度量;如果指标的信息熵越小,该指标提供的信息量越大,在综合评价中所起作用理当越大,权重就应该越高。熵权法是常用的一种求权重的方法。它是指一个随机变量与某一组随机变量间线性相依性的度量。

熵权法的计算公式上面列了。就不再截图。


上面有一个简单的例子。

上面是原始数据

上面是归一化的矩阵。上面这步很重要

上面是熵权法对规范化矩阵计算后得到的权重。

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