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    apm
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    <journal-title>
     Advances in Pure Mathematics
    </journal-title>
   </journal-title-group>
   <issn pub-type="epub">
    2160-0368
   </issn>
   <issn publication-format="print">
    2160-0384
   </issn>
   <publisher>
    <publisher-name>
     Scientific Research Publishing
    </publisher-name>
   </publisher>
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  <article-meta>
   <article-id pub-id-type="doi">
    10.4236/apm.2025.1510034
   </article-id>
   <article-id pub-id-type="publisher-id">
    apm-146134
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    <subj-group subj-group-type="heading">
     <subject>
      Articles
     </subject>
    </subj-group>
    <subj-group subj-group-type="Discipline-v2">
     <subject>
      Physics 
     </subject>
     <subject>
       Mathematics
     </subject>
    </subj-group>
   </article-categories>
   <title-group>
    A Bipolar Fuzzy Approach to Image Segmentation: Enhancing Similarity Measures and Entropy Computation
   </title-group>
   <contrib-group>
    <contrib contrib-type="author" xlink:type="simple">
     <name name-style="western">
      <surname>
       Stephen Macharia
      </surname>
      <given-names>
       Gathigi
      </given-names>
     </name>
    </contrib>
    <contrib contrib-type="author" xlink:type="simple">
     <name name-style="western">
      <surname>
       Moses Nderitu
      </surname>
      <given-names>
       Gichuki
      </given-names>
     </name>
    </contrib>
    <contrib contrib-type="author" xlink:type="simple">
     <name name-style="western">
      <surname>
       Kewamoi Chesire
      </surname>
      <given-names>
       Sogomo
      </given-names>
     </name>
    </contrib>
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    <addr-line>
     aDepartment of Mathematics, Egerton University, Nakuru, Kenya
    </addr-line> 
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   <pub-date pub-type="epub">
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     28
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     09
    </month>
    <year>
     2025
    </year>
   </pub-date> 
   <volume>
    15
   </volume> 
   <issue>
    10
   </issue>
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    651
   </fpage>
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    666
   </lpage>
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      15,
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      July
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     <year>
      2025
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    <date date-type="published">
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      25,
     </day>
     <month>
      July
     </month>
     <year>
      2025
     </year> 
    </date> 
    <date date-type="accepted">
     <day>
      25,
     </day>
     <month>
      September
     </month>
     <year>
      2025
     </year> 
    </date>
   </history>
   <permissions>
    <copyright-statement>
     © Copyright 2014 by authors and Scientific Research Publishing Inc. 
    </copyright-statement>
    <copyright-year>
     2014
    </copyright-year>
    <license>
     <license-p>
      This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
     </license-p>
    </license>
   </permissions>
   <abstract>
    Image segmentation is a fundamental process in digital image analysis, with applications in object recognition, medical imaging, and computer vision. Traditional segmentation techniques often struggle with uncertainty, imprecise boundaries, and misclassified regions due to their inability to effectively model both positive and negative information. This study introduces a bipolar fuzzy-based computational approach that enhances segmentation accuracy by incorporating dual membership functions to represent both the presence and absence of image features. To further improve segmentation robustness, we extend classical similarity measures by formulating a Bipolar Fuzzy Jaccard Similarity, which quantifies both positive and negative membership interactions, leading to more precise region classification. Additionally, a novel Bipolar Rényi Entropy (BRE) measure is developed to capture uncertainty in segmentation by integrating bipolar fuzzy probability distributions, allowing for adaptive sensitivity to dominant and rare features. Experimental validation on grayscale image datasets demonstrates the superiority of the proposed approach over conventional fuzzy and graph-based segmentation methods, particularly in applications requiring high precision, such as medical imaging and AI-driven pattern recognition. The integration of bipolar fuzzy similarity and entropy measures provides a powerful computational framework for more accurate and interpretable image segmentation.
   </abstract>
   <kwd-group> 
    <kwd>
     Fuzzy
    </kwd> 
    <kwd>
      Bipolar Fuzzy
    </kwd> 
    <kwd>
      Similarity Measure
    </kwd> 
    <kwd>
      Entropy
    </kwd>
   </kwd-group>
  </article-meta>
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 <body>
  <sec id="s1">
   <title>1. Introduction</title>
   <p>Image segmentation plays a crucial role in digital image processing, enabling the extraction of meaningful structures from complex image data. Traditional segmentation methods, including thresholding, region-growing, and edge detection, often suffer from challenges in handling imprecise boundaries and noise.</p>
   <p>The limitations of crisp set theory become evident when attempting to model real-world phenomena with inherent vagueness, ambiguity, and subjectivity. As <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-1">
     [1]
    </xref> and <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-2">
     [2]
    </xref> suggest, rigid, dichotomous logic often fails to capture the complexity of human thought, perception, and decision-making, which are rarely confined to absolute categories. Traditional mathematical models struggle to balance precision and interpretability, often requiring an unequivocal structure while also needing to reflect the fluid nature of real-world uncertainties.</p>
   <p>To bridge this gap, fuzzy set theory offers a more adaptive and expressive framework by allowing for gradual membership, enabling models to handle partial truths and uncertainty more effectively. Unlike crisp logic, fuzzy logic preserves stability even under minor variations in assumptions, making it particularly suitable for complex systems such as artificial intelligence, decision support systems, and natural language processing. By incorporating fuzzy logic, mathematical models gain the ability to represent reality more accurately, ensuring that they remain both mathematically rigorous and practically relevant in domains where strict boundaries fail to capture nuanced interpretations.</p>
   <p>In many real-life domains, it is necessary to be able to deal with bipolar information – information possessing both what is possible and what is not possible. It is noted in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-3">
     [3]
    </xref> that positive information represents what is granted to be possible, while negative information represents what is granted to be impossible. According to <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-3">
     [3]
    </xref>, dual Boolean logic lacks the representational and reasoning capabilities for directly modeling the coexistence and interaction of bipolar relationships. While fuzzy logic may model uncertainty, it is limited when it comes to describing polarity. To resolve these two features, bipolar fuzzy set theory combines both the fuzziness and polarity into a unified model, hence providing a theoretical basis for bipolar clustering, conflict resolution and coordination <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-4">
     [4]
    </xref>.</p>
   <p>This paper presents a bipolar fuzzy-based computational approach that enhances classical fuzzy segmentation models by incorporating dual membership functions that represent both the presence and absence of image features. The proposed method improves segmentation accuracy and potentially facilitates precise region classification and boundary detection outcomes. Additionally, the approach integrates Bipolar Fuzzy Jaccard Similarity to refine similarity assessments and Bipolar Rényi Entropy to quantify uncertainty, making it highly effective for complex image segmentation tasks. Experimental validation demonstrates its superior performance in applications such as medical imaging, remote sensing, and AI-driven pattern recognition, where precise segmentation is crucial for analysis and decision-making.</p>
  </sec><sec id="s2">
   <title>2. Theoretical Framework</title>
   <p>
    <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-"></xref>This section presents the foundational concepts of bipolar fuzzy sets, similarity measures, and entropy functions, which form the basis of the proposed computational approach.</p>
   <sec id="s2_1">
    <title>2.1. Fundamental Concepts of BFS</title>
    <p>A few basic definitions are given here below as found in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-5">
      [5]
     </xref>.</p>
    <p>
     <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-"></xref>Let 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        X 
      </mi> 
     </math> be a nonempty set. A pair 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
         </msup> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> is called a bipolar-valued fuzzy set (or bipolar fuzzy set) in 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        X 
      </mi> 
     </math> if 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
       </msup> 
       <mo>
         : 
       </mo> 
       <mi>
         X 
       </mi> 
       <mo>
         → 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
       </msup> 
       <mo>
         : 
       </mo> 
       <mi>
         X 
       </mi> 
       <mo>
         → 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> are mappings.</p>
    <p>In particular, the bipolar fuzzy empty set (resp. the bipolar fuzzy whole set), denoted by 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mi>
           b 
         </mi> 
         <mi>
           p 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mrow> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
           <mi>
             p 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
         </msubsup> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mrow> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
           <mi>
             p 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
         </msubsup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mtext>
           
       </mtext> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           resp 
         </mtext> 
         <mtext>
           . 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <msub> 
          <mtext>
            1 
          </mtext> 
          <mrow> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
           <mi>
             p 
           </mi> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msubsup> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mrow> 
             <mi>
               b 
             </mi> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
           </msubsup> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msubsup> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mrow> 
             <mi>
               b 
             </mi> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
           </msubsup> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, is a bipolar fuzzy set in 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        X 
      </mi> 
     </math> defined by</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∀ 
       </mo> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <mi>
         X 
       </mi> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mrow> 
         <mtext>
           0 
         </mtext> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           b 
         </mi> 
         <mi>
           p 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
       </msubsup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mi>
           b 
         </mi> 
         <mi>
           p 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
       </msubsup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mtext> 
       </mtext> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           resp 
         </mtext> 
         <msubsup> 
          <mrow> 
           <mtext>
             . 1 
           </mtext> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
           <mi>
             p 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
         </msubsup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <msubsup> 
          <mrow> 
           <mtext>
             and 1 
           </mtext> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mi>
             b 
           </mi> 
           <mi>
             p 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
         </msubsup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>The collection of all bipolar fuzzy sets of the set 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        X 
      </mi> 
     </math> will be denoted by 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
       <mi>
         P 
       </mi> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          X 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
   </sec>
   <sec id="s2_2">
    <title>
     <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-"></xref>2.2. Entropy and Similarity Measures</title>
    <p>A fundamental question in the realm of fuzzy sets involves the use of relative comparisons to calculate the similarities and distances between fuzzy sets <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-6">
      [6]
     </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-7">
      [7]
     </xref>. Similarity involves recognizing patterns and making associations which enable one to classify objects and concepts, particularly in the domain of classification and clustering. In these applications, an unknown object is assigned to a particular category if its similarity measure to objects within that category is higher than its similarity to objects in other categories <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-8">
      [8]
     </xref>.</p>
    <p>In essence, the similarity of two fuzzy sets is 1 if they are identical i.e., if they both contain the same values with the same degree of membership, and 0 if they have nothing in common, i.e., they do not contain any of the same values. These two properties are referred to as reflexivity and overlapping respectively.</p>
    <p>Definition (Similarity Measure)</p>
    <p>Intuitively, the similarity of two fuzzy sets is 1 if they are identical i.e., if they both contain the same values with the same degree of membership, and 0 if they have nothing in common, i.e., they do not contain any of the same values. These two properties are referred to as reflexivity and overlapping respectively.</p>
    <p>A function 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         S 
       </mi> 
       <mo>
         : 
       </mo> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
       <mo>
         → 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> is called a similarity measure if</p>
    <p>1) Reflexivity: 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         S 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, meaning an element always has full similarity to itself.</p>
    <p>2) Symmetry: 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         S 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         S 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∀ 
       </mo> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <mi>
         X 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>. This property ensures that similarity is bidirectional.</p>
    <p>3) Overlapping: 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         S 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ≥ 
       </mo> 
       <mi>
         max 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               A 
             </mi> 
             <mo>
               ∩ 
             </mo> 
             <mi>
               B 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
            <mi>
              A 
            </mi> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               A 
             </mi> 
             <mo>
               ∩ 
             </mo> 
             <mi>
               B 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
            <mi>
              B 
            </mi> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>. This property ensures that shared characteristics contribute strongly to the similarity score.</p>
    <p>4) Transitivity: if 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         S 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ≥ 
       </mo> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         S 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           C 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ≥ 
       </mo> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> then 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         S 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           C 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ≥ 
       </mo> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>. This property is important for clustering and classification, ensuring that if 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        A 
      </mi> 
     </math> is similar to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        B 
      </mi> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        B 
      </mi> 
     </math> is similar to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        C 
      </mi> 
     </math>, then 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        A 
      </mi> 
     </math> should be similar to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        C 
      </mi> 
     </math>.</p>
    <p>It is not necessary for a similarity measure to have all these properties <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-9">
      [9]
     </xref>. There are situations when symmetry does not need to be satisfied and in other situations, it has been argued whether transitivity is necessary or even useful.</p>
    <p>The Jaccard similarity/index compares the similarity between two fuzzy sets by calculating the size of their intersection divided by the size of their union. According to <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-10">
      [10]
     </xref>, the fuzzy Jaccard similarity between two fuzzy sets 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        A 
      </mi> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        B 
      </mi> 
     </math> in a universal set 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        X 
      </mi> 
     </math> is defined as</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         J 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <munder> 
           <mo>
             ∑ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              ∈ 
            </mo> 
            <mi>
              X 
            </mi> 
           </mrow> 
          </munder> 
          <mrow> 
           <mi>
             min 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                μ 
              </mi> 
              <mi>
                A 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                μ 
              </mi> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <munder> 
           <mo>
             ∑ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              ∈ 
            </mo> 
            <mi>
              X 
            </mi> 
           </mrow> 
          </munder> 
          <mrow> 
           <mi>
             max 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                μ 
              </mi> 
              <mi>
                A 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                μ 
              </mi> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Instead of simply counting shared elements, fuzzy Jaccard similarity is computed using the ratio of the sum of the minimum membership values (fuzzy intersection) to the sum of the maximum membership values (fuzzy union).</p>
   </sec>
   <sec id="s2_3">
    <title>2.3. Entropy</title>
    <p>Entropy, a fundamental concept in information theory, measures the uncertainty or randomness of a system. Shannon entropy, introduced in 1948, is the most well-known measure of information uncertainty and forms the basis of modern information theory <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-2">
      [2]
     </xref>. However, Shannon entropy has limitations when dealing with higher-order moments of probability distributions, long-tailed distributions, or multi-fractal systems. In such scenarios, a more generalized entropy measure is required.</p>
    <p>To address these limitations, Alfréd Rényi introduced the Rényi entropy in 1961 as a one-parameter generalization of Shannon entropy <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-11">
      [11]
     </xref>. Rényi entropy provides flexibility in quantifying information by introducing an order parameter, α, which allows fine-tuning sensitivity to different probabilities within a distribution. This feature makes it highly useful in fields like machine learning, cryptography, statistical mechanics, quantum computing, and image processing.</p>
    <p>The Rényi entropy of order 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        α 
      </mi> 
     </math> for a probability distribution 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         P 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           ⋯ 
         </mo> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            n 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          } 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> is defined as 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          P 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mi>
         ln 
       </mi> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <munderover> 
         <mo>
           ∑ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </munderover> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
         </msubsup> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math> where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <mo>
         &gt; 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <mo>
         ≠ 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> is the order of the entropy, controlling the weighting of probabilities.</p>
    <p>Note</p>
    <p>1) When 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <mo>
         → 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> Renyi entropy converges to Shannon entropy</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          P 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <munderover> 
         <mo>
           ∑ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </munderover> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           ln 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>2) When 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <mo>
         → 
       </mo> 
       <mi>
         ∞ 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> Renyi entropy focusses only on the most probable event.</p>
    <p>The motivation behind Rényi entropy arises from its ability to:</p>
    <p>1) Extend Shannon Entropy: While Shannon entropy assumes an equal weighting of probabilities, Rényi entropy allows adjustable sensitivity to rare or dominant events based on the value of αalphaα.</p>
    <p>2) Enhance Information Divergence Measures: The Rényi divergence, a generalization of Kullback-Leibler (KL) divergence, provides a more robust way to measure differences between probability distributions <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-12">
      [12]
     </xref>.</p>
    <p>3) Improve Uncertainty Quantification in Fuzzy and Quantum Systems: Many real-world problems involve uncertainty beyond probabilistic randomness—for instance, fuzzy logic and quantum mechanics, where entropy measures must be adapted accordingly <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-13">
      [13]
     </xref>.</p>
    <p>4) Enable Robust Feature Selection and Learning Algorithms: In machine learning and deep learning, Rényi entropy helps in feature selection, adversarial learning, and information-theoretic optimization <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-12">
      [12]
     </xref>.</p>
    <p>5) Enhance Image Processing Methods: Rényi entropy is particularly effective in image segmentation and edge detection, where different levels of entropy sensitivity are required to enhance contrast and extract meaningful structures <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-14">
      [14]
     </xref>.</p>
    <p>Given these advantages, Rényi entropy has become a fundamental tool in information science, artificial intelligence, and complex system analysis.</p>
    <p>In the context of fuzzy sets, the concept of the entropy of a fuzzy set was first introduced by <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-6">
      [6]
     </xref> as a means of quantifying the degree of fuzziness within a fuzzy set. This laid the foundation for measuring the uncertainty or ambiguity present in fuzzy systems. The formal axiomatization of fuzzy entropy was later developed by <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-15">
      [15]
     </xref>, who drew parallels between fuzzy entropy and Shannon probability entropy, interpreting it as a measure of the amount of information contained in a fuzzy set.</p>
    <p>Further advancements were made by <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-16">
      [16]
     </xref> who proposed that the entropy of a fuzzy set could be calculated based on its distance from the nearest crisp (non-fuzzy) set, providing a geometric perspective on fuzziness measurement. Yager <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-17">
      [17]
     </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-18">
      [18]
     </xref> offered an alternative interpretation, defining entropy as the distance between a fuzzy set and its complement. According to <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-16">
      [16]
     </xref>, any meaningful measure of fuzziness should reflect the lack of distinction between a fuzzy set and its negation, leading to the proposal of a metric for quantifying the distance between a fuzzy set and its complement.</p>
    <p>Formally, in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-8">
      [8]
     </xref> the entropy 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> of a fuzzy set 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        A 
      </mi> 
     </math> defined on a universal set 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        X 
      </mi> 
     </math> with membership function is expressed as:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <munder> 
         <mo>
           ∑ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            ∈ 
          </mo> 
          <mi>
            X 
          </mi> 
         </mrow> 
        </munder> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mi>
              A 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mi>
             log 
           </mi> 
           <msub> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mi>
              A 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                μ 
              </mi> 
              <mi>
                A 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mi>
             log 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                μ 
              </mi> 
              <mi>
                A 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> represents the membership degree of element 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        x 
      </mi> 
     </math> in the fuzzy set 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        A 
      </mi> 
     </math>.</p>
    <p>Illustrative example</p>
    <p>Define 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mi>
            c 
          </mi> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <munderover> 
             <mo>
               ∑ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
              <mo>
                = 
              </mo> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </mrow> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
            </munderover> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  μ 
                </mi> 
                <mi>
                  A 
                </mi> 
               </msub> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mi>
                    i 
                  </mi> 
                 </msub> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  μ 
                </mi> 
                <mrow> 
                 <msup> 
                  <mi>
                    A 
                  </mi> 
                  <mi>
                    c 
                  </mi> 
                 </msup> 
                </mrow> 
               </msub> 
               <msup> 
                <mrow> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      x 
                    </mi> 
                    <mi>
                      i 
                    </mi> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                </mrow> 
                <mi>
                  p 
                </mi> 
               </msup> 
              </mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msup> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mi>
         p 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mo>
         ⋯ 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math> Then the measure of fuzziness of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        A 
      </mi> 
     </math> can be defined as</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            d 
          </mi> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             A 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              A 
            </mi> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             sup 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              A 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>For 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         p 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mi>
            c 
          </mi> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> yields the Hamming metric.</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mi>
            c 
          </mi> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <munderover> 
         <mo>
           ∑ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </munderover> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mi>
              A 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                A 
              </mi> 
              <mi>
                c 
              </mi> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Since 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mi>
            c 
          </mi> 
         </msup> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, this becomes 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mi>
            c 
          </mi> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <munderover> 
         <mo>
           ∑ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </munderover> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <msub> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mi>
              A 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>For 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         p 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> we have the Euclidean metric</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mi>
            c 
          </mi> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <munderover> 
             <mo>
               ∑ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
              <mo>
                = 
              </mo> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </mrow> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
            </munderover> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  μ 
                </mi> 
                <mi>
                  A 
                </mi> 
               </msub> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mi>
                    i 
                  </mi> 
                 </msub> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  μ 
                </mi> 
                <mrow> 
                 <msup> 
                  <mi>
                    A 
                  </mi> 
                  <mi>
                    c 
                  </mi> 
                 </msup> 
                </mrow> 
               </msub> 
               <msup> 
                <mrow> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      x 
                    </mi> 
                    <mi>
                      i 
                    </mi> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                </mrow> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
              </mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> and</p>
    <p>since 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mi>
            c 
          </mi> 
         </msup> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, then this becomes</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mi>
            c 
          </mi> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <munderover> 
             <mo>
               ∑ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
              <mo>
                = 
              </mo> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </mrow> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
            </munderover> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mrow> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    μ 
                  </mi> 
                  <mi>
                    A 
                  </mi> 
                 </msub> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      x 
                    </mi> 
                    <mi>
                      i 
                    </mi> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   − 
                 </mo> 
                 <mn>
                   1 
                 </mn> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math></p>
   </sec>
   <sec id="s2_4">
    <title>2.4. Min-Max Normalization in Image Processing</title>
    <p>Min-max normalization is a widely used technique in image processing, machine learning, and data preprocessing for transforming data into a predefined range, typically [0, 1] or [−1, 1]. This method is particularly effective in scenarios where pixel intensity values or feature distributions need to be scaled for consistency across different datasets.</p>
    <p>This sub-section reviews min-max normalization from the perspective of fuzzy set theory, highlighting its applications, limitations, and recent advancements.</p>
    <p>In digital topology, a grayscale image can be represented as a digital image where pixel intensities are defined on a discrete grid, and adjacency relations determine connectivity According to <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-19">
      [19]
     </xref>, a grayscale image is a function 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         I 
       </mi> 
       <mo>
         : 
       </mo> 
       <mi>
         X 
       </mi> 
       <mo>
         → 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           L 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> where</p>
    <p>1) 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         X 
       </mi> 
       <mo>
         ⊆ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          ℤ 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> is a finite subset of the integer lattice representing the image domain.</p>
    <p>2) 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        L 
      </mi> 
     </math> is the maximum intensity level.</p>
    <p>3) 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         I 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> represents the grayscale intensity value at pixel 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        x 
      </mi> 
     </math>, where 0 corresponds to black, L corresponds to white, and intermediate values represent shades of gray <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-20">
      [20]
     </xref>.</p>
    <p>
     <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-"></xref>In Graph-based approach, a grayscale image can be modeled as an undirected graph 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         G 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           V 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           E 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> where the vertices 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        V 
      </mi> 
     </math> represent pixels in the image, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        E 
      </mi> 
     </math> define the adjacency relations.</p>
    <p>Each vertex will possess a grayscale intensity value 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         I 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           255 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> with 0 corresponding to a low intensity pixel (black) and 255 corresponding to the highest intensity pixel (white). All intermediate values represent shades of gray <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-20">
      [20]
     </xref>.</p>
    <p>Illustrative example</p>
    <p>A 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> grayscale image</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtable> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               50 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               120 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               200 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               80 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               150 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               220 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               90 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               180 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               250 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>will have a graphical representation with 4-adjacency relation as shown below</p>
    <fig id="fig1" position="float">
     <label>Figure 1</label>
     <caption>
      <title>For the same image, the graphical representation with 8-adjacency relation will be<p class="imgGroupCss_v"><img class=" imgMarkCss lazy" data-original="https://html.scirp.org/file/5302639-rId146.jpeg?20250928013850" /></p>2.4.3. Mathematical FormulationThe min-max normalization ensures that data is linearly scaled within [0, 1], allowing direct interpretation as fuzzy membership values <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-21">
        [21]
       </xref>. This transformation is defined by
       <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <msup> 
   
          <mi>
           
    x
   
          </mi> 
   
          <mo>
           
    ′
   
          </mo> 
  
         </msup> 
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <mfrac> 
   
          <mrow> 
    
           <mi>
            
     x
    
           </mi>
    
           <mo>
            
     −
    
           </mo>
    
           <mi>
            
     min
    
           </mi>
    
           <mrow>
     
            <mo>
              ( 
            </mo> 
     
            <mi>
              x 
            </mi> 
     
            <mo>
              ) 
            </mo>
    
           </mrow>
   
          </mrow> 
   
          <mrow> 
    
           <mi>
            
     max
    
           </mi>
    
           <mrow>
     
            <mo>
              ( 
            </mo> 
     
            <mi>
              x 
            </mi> 
     
            <mo>
              ) 
            </mo>
    
           </mrow>
    
           <mo>
            
     −
    
           </mo>
    
           <mi>
            
     min
    
           </mi>
    
           <mrow>
     
            <mo>
              ( 
            </mo> 
     
            <mi>
              x 
            </mi> 
     
            <mo>
              ) 
            </mo>
    
           </mrow>
   
          </mrow> 
  
         </mfrac> 
 
        </mrow>

       </math>where;1) 

       <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
         
  x
 
        </mi>

       </math> is the original data value,2) 

       <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <msup> 
  
         <mi>
          
   x
  
         </mi> 
  
         <mo>
          
   ′
  
         </mo> 
 
        </msup> 

       </math> is the normalized value in the range [0, 1] and,3) 

       <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mi>
          
   min
  
         </mi>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mi>
           
    x
   
          </mi> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
 
        </mrow>

       </math> and 

       <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mi>
          
   max
  
         </mi>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mi>
           
    x
   
          </mi> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
 
        </mrow>

       </math> are the minimum and maximum values in the dataset.<xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-"></xref>2.4.4. Applications in Fuzzy-Based Image Processing</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/5302639-rId145.jpeg?20250928013850" />
    </fig>
    <p>Min-max normalization is widely applied in fuzzy-based image processing, where it ensures that data is transformed into a standardized range suitable for fuzzy logic operations. By normalizing image intensities, feature values, or clustering inputs, it enhances the effectiveness of fuzzy techniques in image segmentation, similarity measurement, and contrast enhancement. Two of the areas where this formulation finds application are:</p>
    <p>1) Fuzzy clustering techniques, such as Fuzzy C-Means (FCM), rely heavily on min-max normalization to standardize input features before assigning fuzzy memberships to clusters. Without proper normalization, feature scales may distort clustering results, leading to misclassification <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-21">
      [21]
     </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-22">
      [22]
     </xref>.</p>
    <p>2) In fuzzy-based image retrieval, similarity measures compute distances between images in a feature space. Min-max normalization ensures that feature values fall within a comparable range, enhancing the accuracy of fuzzy histogram similarity measures and fuzzy correlation techniques <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-23">
      [23]
     </xref>.</p>
    <p>Despite its effectiveness in fuzzy-based image processing, min-max normalization has several limitations that can affect its performance in certain applications. One major drawback is its sensitivity to outliers, as extreme values in the dataset disproportionately influence the scaling range, leading to distorted fuzzy membership values <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-24">
      [24]
     </xref>. This can be particularly problematic in medical imaging or low-contrast image analysis, where small variations in intensity carry significant meaning. Additionally, min-max normalization assumes a linear transformation, which may not always be suitable for complex or non-linearly distributed data, such as images with varying lighting conditions or textures <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-23">
      [23]
     </xref>. The technique also depends on the fixed minimum and maximum values within the dataset, which can make it ineffective for dynamically changing environments, such as real-time image processing or adaptive fuzzy systems <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-25">
      [25]
     </xref>. Moreover, by strictly mapping values between 0 and 1, min-max normalization can lead to loss of contrast and information, particularly when applied to images with already narrow intensity distributions <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-26">
      [26]
     </xref>.</p>
    <p>As a result, alternative normalization methods, such as sigmoid-based transformations which uses a logistic function to transform data, preserving fine-grained differences in middle-range values <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-27">
      [27]
     </xref> or adaptive fuzzy normalization, which dynamically adjusts min-max scaling based on data distributions <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-28">
      [28]
     </xref> are often preferred for applications requiring greater robustness and flexibility.</p>
   </sec>
  </sec><sec id="s3">
   <title>3. Results</title>
   <sec id="s3_1">
    <title>3.1. Conceptual Framework for Bipolar Fuzzy Similarity Measures</title>
    <p>In the context of fuzzy image representation, each pixel intensity 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         I 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> in an image is transformed into a single-valued membership function. To extend this idea into the bipolar fuzzy context, each pixel will be assigned two membership values,</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> represent the degree of relevance to the desired feature and undesired features respectively.</p>
    <p>For grayscale images, the bipolar fuzzy memberships functions may be defined as</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi>
           I 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           min 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            I 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           max 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            I 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           min 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            I 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>where:</p>
    <p>This proposed transformation can be shown by taking 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         I 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         200 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. In this case</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mn>
           200 
         </mn> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           255 
         </mn> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0.784 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>(a pixel with higher intensity will have a higher positive membership).</p>
    <p>The negative membership function 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> determines how strongly a pixel belongs to the background, noise, or undesired features. By definition this will be given by</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>This formulation ensures that brighter pixels have higher 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>- values and lower 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> values and vice versa.</p>
    <p>In example above,</p>
    <p>if 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0.784 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> then</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           0.784 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         0.216 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>This corresponds perfectly with the fact that since the positive membership measures the presence of a desired feature, the negative membership naturally represents the presence of the counter property of that feature. Therefore, a pixel of higher intensity will have a lower negative membership, representing higher presence of the low intensity characteristics.</p>
    <p>To compare two bipolar fuzzy images 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> we extend classical fuzzy similarity measures to account for both positive and negative memberships. The general form of a bipolar fuzzy similarity measure may be expressed as:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          S 
        </mi> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            B 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            B 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <msup> 
        <mi>
          S 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            F 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            F 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi>
         β 
       </mi> 
       <msup> 
        <mi>
          S 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            F 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            F 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>where:</p>
    <p>In Section 4.2.3, a characterization of Bipolar Jaccard similarity for Bipolar fuzzy sets was proposed. This was defined for two bipolar fuzzy sets 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        A 
      </mi> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        B 
      </mi> 
     </math> may as</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <munderover> 
         <mo>
           ∑ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </munderover> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                A 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               ∧ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                A 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               ∧ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                A 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               ∨ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                A 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               ∨ 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>This characterization is equivalent to</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mo>
            ∑ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             min 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                A 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mo>
              ∑ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               min 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mi>
                  A 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
               </msup> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mi>
                    i 
                  </mi> 
                 </msub> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
               <mo>
                 , 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi>
                  B 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
               </msup> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mi>
                    i 
                  </mi> 
                 </msub> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
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            ∑ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             max 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                A 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mo>
              ∑ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               max 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mi>
                  A 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
               </msup> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mi>
                    i 
                  </mi> 
                 </msub> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
               <mo>
                 , 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi>
                  B 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
               </msup> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mi>
                    i 
                  </mi> 
                 </msub> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>In this formulation, the numerator captures the overlap in positive memberships while taking care of dissimilarities in negative memberships, while the denominator normalizes the measure to ensure that 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>In this section, we present a systematic step-by-step approach for computing the bipolar Jaccard similarity between two grayscale images for experimental validation. The utility of this approach can be seen in domains where intensity differences carry critical information and therefore the bipolar approach is potentially more effective in smoothening out minor variations thereby making similarity computation more robust against unwanted variations in pixel intensity.</p>
    <p>This step-by-step approach is presented as a means of validating the effectiveness of the proposed Bipolar Fuzzy Jaccard Similarity, demonstrating its ability to enhance similarity computations.</p>
    <p>
     <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-"></xref>Suppose we have to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         4 
       </mn> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <mn>
         4 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> grayscale images as below</p>
    <p>Image 1</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mtext> 
       </mtext> 
       <mtable> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             50 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             80 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             120 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             200 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             30 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             90 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             130 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             210 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             60 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             100 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             140 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             220 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             70 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             110 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             150 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             230 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Image 2</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mtext> 
       </mtext> 
       <mtable> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             55 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             85 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             125 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             205 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             35 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             95 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             135 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             215 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             65 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             105 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             145 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             225 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             75 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             115 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             155 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             235 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Step 1: Compute the minimum and maximum pixel intensities</p>
    <p>Find the minimum and maximum pixel values across both images in order to normalize the images</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mi>
           min 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             A 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             B 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mi>
           min 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             30 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             35 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           30 
         </mn> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mi>
           max 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             A 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             B 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mi>
           max 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             230 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             235 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           235 
         </mn> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>Step 2: Compute positive membership function 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> using min-max normalization</p>
    <p>For every pixel 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, we can then by min-max normalization</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi>
           I 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           min 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            I 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           max 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            I 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           min 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            I 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           30 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           235 
         </mn> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           30 
         </mn> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>In 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        A 
      </mi> 
     </math> we have</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
       </msubsup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtable> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <mn>
                 50 
               </mn> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 30 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mn>
                 205 
               </mn> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <mn>
                 80 
               </mn> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 30 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mn>
                 205 
               </mn> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <mn>
                 120 
               </mn> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 30 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mn>
                 205 
               </mn> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <mn>
                 200 
               </mn> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 30 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mn>
                 205 
               </mn> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <mn>
                 30 
               </mn> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 30 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mn>
                 205 
               </mn> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <mn>
                 90 
               </mn> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 30 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mn>
                 205 
               </mn> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <mn>
                 130 
               </mn> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 30 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mn>
                 205 
               </mn> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <mn>
                 210 
               </mn> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 30 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mn>
                 205 
               </mn> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <mn>
                 60 
               </mn> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 30 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mn>
                 205 
               </mn> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <mn>
                 100 
               </mn> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 30 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mn>
                 205 
               </mn> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <mn>
                 140 
               </mn> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 30 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mn>
                 205 
               </mn> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <mn>
                 220 
               </mn> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 30 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mn>
                 205 
               </mn> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <mn>
                 70 
               </mn> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 30 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mn>
                 205 
               </mn> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <mn>
                 110 
               </mn> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 30 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mn>
                 205 
               </mn> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <mn>
                 150 
               </mn> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 30 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mn>
                 205 
               </mn> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <mn>
                 230 
               </mn> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 30 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mn>
                 205 
               </mn> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
         </mtable> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
       </msubsup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtable> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.0976 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.3439 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.4390 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.8293 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.2978 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.4878 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.8780 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.1463 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.3415 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.5366 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.9268 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.1951 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.3902 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.5854 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.9756 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
         </mtable> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Similarly for 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        B 
      </mi> 
     </math></p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
       </msubsup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtable> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.1220 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.2683 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.4634 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.8537 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.0244 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.3171 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.5122 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.9024 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.1707 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.3659 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.5610 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.9512 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.2195 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.4146 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               0.6098 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mtd> 
          </mtr> 
         </mtable> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Step 3: Compute negative membership function 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>The negative membership function 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> is defined by 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>In 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        A 
      </mi> 
     </math> we have</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
       </msubsup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtable> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.9024 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.7561 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.5610 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.1707 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.7073 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.5122 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.1220 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.8537 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.6585 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.4634 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.0732 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.8049 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.6098 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.4146 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.0244 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
         </mtable> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>For 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        B 
      </mi> 
     </math></p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
       </msubsup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtable> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.8780 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.7317 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.5366 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.1463 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.9756 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.6829 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.4878 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.0976 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.8293 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.6341 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.4390 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.0488 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.7805 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.5854 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               0.3902 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </mtd> 
          </mtr> 
         </mtable> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Step 4: Compute bipolar Jaccard similarity</p>
    <p>The bipolar Jaccard similarity is given by</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mo>
            ∑ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             min 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                A 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mo>
              ∑ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               min 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mi>
                  A 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
               </msup> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mi>
                    i 
                  </mi> 
                 </msub> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
               <mo>
                 , 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi>
                  B 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
               </msup> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mi>
                    i 
                  </mi> 
                 </msub> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mo>
            ∑ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             max 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                A 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mo>
              ∑ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               max 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mi>
                  A 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
               </msup> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mi>
                    i 
                  </mi> 
                 </msub> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
               <mo>
                 , 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi>
                  B 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
               </msup> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mi>
                    i 
                  </mi> 
                 </msub> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>It can be verified that</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           0.5584 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           16.9884 
         </mn> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         0.077 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>
     <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-"></xref>The Bipolar Jaccard Similarity value of −0.077 suggests that the images have slightly more dissimilarities than similarities. This means that while some pixels have similar intensity values, there are still noticeable variations. The negative membership values indicate a higher degree of dissimilarity than similarity (if the similarity score were closer to 1, it would suggest that the images are nearly identical, whereas a score approaching −1 would indicate significant differences between them).</p>
    <p>Instead of using linear min-max normalization, we define sigmoid-based fuzzy membership functions by</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msup> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msup> 
            <mtext>
              e 
            </mtext> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 I 
               </mi> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mi>
                  p 
                </mi> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mi>
                 T 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msup> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
           </msup> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>where:</p>
    <p>Suppose we have to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         4 
       </mn> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <mn>
         4 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> grayscale images as below</p>
    <p>Image 1</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mtext> 
       </mtext> 
       <mtable> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             50 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             80 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             120 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             200 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             30 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             90 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             130 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             210 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             60 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             100 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             140 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             220 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             70 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             110 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             150 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             230 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Image 2</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mtext> 
       </mtext> 
       <mtable> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             55 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             85 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             125 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             205 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             35 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             95 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             135 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             215 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             65 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             105 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             145 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             225 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             75 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             115 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             155 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mn>
             235 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Then computing this in Python using the Bipolar fuzzy Jaccard formula,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mo>
            ∑ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             min 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                A 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mo>
              ∑ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               min 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mi>
                  A 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
               </msup> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mi>
                    i 
                  </mi> 
                 </msub> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
               <mo>
                 , 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi>
                  B 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
               </msup> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mi>
                    i 
                  </mi> 
                 </msub> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mo>
            ∑ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             max 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                A 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <msup> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mo>
              ∑ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               max 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mi>
                  A 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
               </msup> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mi>
                    i 
                  </mi> 
                 </msub> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
               <mo>
                 , 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi>
                  B 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
               </msup> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mi>
                    i 
                  </mi> 
                 </msub> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>we obtain a Bipolar Fuzzy Jaccard Similarity −0.1120.</p>
    <p>
     <xref ref-type="bibr" rid="scirp.146134-"></xref>See Appendix xx for the Full Python Implementation of the Bipolar Fuzzy Jaccard Similarity Algorithm.</p>
    <p>The BJS with sigmoid transformation is lower (−0.112) than with the min-max transformation (−0.077) implying the two functions assigns bipolar fuzzy values differently. This difference could be as a result of:</p>
    <p>1) Min-max transformation preserves relative pixel differences, making it more sensitive to slight variations.</p>
    <p>2) Sigmoid-based transformation compresses extreme values, emphasizing mid-range intensities, which affects how differences in brightness levels contribute to similarity.</p>
    <p>3) The penalty for mismatches (negative membership function) behaves differently in sigmoid-based transformation, leading to a more negative similarity score in some cases.</p>
    <p>Key differences between the two approaches</p>
    <table class="MsoTableGrid custom-table" border="0" cellspacing="0" cellpadding="0"> 
     <tr> 
      <td class="custom-bottom-td aleft" width="29.22%"><p style="text-align:left">Normalization Method</p></td> 
      <td class="custom-bottom-td aleft" width="35.44%"><p style="text-align:left">Effect on Membership Values</p></td> 
      <td class="custom-bottom-td aleft" width="35.34%"><p style="text-align:left">Effect on Similarity Score</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="custom-top-td aleft" width="29.22%"><p style="text-align:left">Min-Max Normalization (linear)</p></td> 
      <td class="custom-top-td aleft" width="35.44%"><p style="text-align:left">Preserves relative intensity differences</p></td> 
      <td class="custom-top-td aleft" width="35.34%"><p style="text-align:left">More sensitive to small pixel changes, leading to lower similarity if pixel values differ</p></td> 
     </tr> 
     <tr> 
      <td class="aleft" width="29.22%"><p style="text-align:left">Sigmoid-Based Membership (non-linear)</p></td> 
      <td class="aleft" width="35.44%"><p style="text-align:left">Sigmoid-Based Membership (non-linear)</p></td> 
      <td class="aleft" width="35.34%"><p style="text-align:left">Less sensitive to small differences but may yield negative similarity scores due to contrast compression</p></td> 
     </tr> 
    </table>
   </sec>
   <sec id="s3_2">
    <title>3.2. Extending Rényi Entropy to Bipolar Fuzzy Sets</title>
    <p>To extend Rényi entropy to bipolar fuzzy sets, we define a new entropy function that considers both the positive and negative membership degrees of elements in a BFS.</p>
    <p>Given a bipolar fuzzy set 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        A 
      </mi> 
     </math>, the bipolar fuzzy probability distribution may be defined as</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
       </msubsup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <munderover> 
           <mo>
             ∑ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              j 
            </mi> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </munderover> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
           </msup> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                j 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> represents the positive probability contribution.</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
       </msubsup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
           </msup> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <munderover> 
           <mo>
             ∑ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              j 
            </mi> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </munderover> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                μ 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  j 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> represents the negative probability contribution.</p>
    <p>Using these probability distributions, we can define the bipolar Rényi entropy (BRE) by</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
       </msubsup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mi>
         ln 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <munderover> 
           <mo>
             ∑ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </munderover> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msubsup> 
                <mi>
                  p 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
                <mo>
                  + 
                </mo> 
               </msubsup> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <munderover> 
           <mo>
             ∑ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </munderover> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msubsup> 
                <mi>
                  p 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
               </msubsup> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>This formulation ensures that the definition encapsulates both the supporting and opposing membership degrees.</p>
    <p>1) If 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ∀ 
       </mo> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> then 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
       </msubsup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> reduces to the classical Rényi entropy. The proposed BRE for bipolar fuzzy sets generalizes the standard Rényi entropy.</p>
    <p>2) The parameter 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        α 
      </mi> 
     </math> enables dynamic control over the entropy computation, with higher 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        α 
      </mi> 
     </math> emphasizing dominant elements.</p>
    <p>To rigorously examine the proposed BRE, we analyze its mathematical properties, ensuring its validity as a generalization of classical Rényi entropy.</p>
    <p>Non-negativity</p>
    <p>A fundamental property of entropy measures is that it must be non-negative i.e., 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
       </msubsup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ≥ 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>Proof </p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∀ 
       </mo> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
       </msubsup> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
       </msubsup> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. Since 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <mo>
         &gt; 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> then 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msubsup> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
           </msubsup> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
       </msup> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msubsup> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
           </msubsup> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
       </msup> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∀ 
       </mo> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>Therefore 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
       </msubsup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mi>
         ln 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <munderover> 
           <mo>
             ∑ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </munderover> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msubsup> 
                <mi>
                  p 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
                <mo>
                  + 
                </mo> 
               </msubsup> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <munderover> 
           <mo>
             ∑ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </munderover> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msubsup> 
                <mi>
                  p 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
               </msubsup> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ≥ 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>Monotonicity</p>
    <p>BRE, like classical entropy measures, is expected to be monotonically decreasing in 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        α 
      </mi> 
     </math> meaning that as the probability contribution increases with increase in 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        α 
      </mi> 
     </math>, the entropy associated with it decreases, signifying a reduction in uncertainty.</p>
    <p>Proof</p>
    <p>Consider the function</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          S 
        </mi> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <munderover> 
         <mo>
           ∑ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </munderover> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                p 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
         </msup> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <munderover> 
         <mo>
           ∑ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </munderover> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                p 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
         </msup> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Taking the derivative with respect to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        α 
      </mi> 
     </math>.</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mtext>
          d 
        </mtext> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <msub> 
        <mi>
          S 
        </mi> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <munderover> 
         <mo>
           ∑ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </munderover> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                p 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
         </msup> 
         <mi>
           ln 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
         </msubsup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <munderover> 
         <mo>
           ∑ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </munderover> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                p 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
         </msup> 
         <mi>
           ln 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msubsup> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
           </msubsup> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Since 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
       </msubsup> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
       </msubsup> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∀ 
       </mo> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> then their logarithms will be negative</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mtext>
          d 
        </mtext> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <msub> 
        <mi>
          S 
        </mi> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         &lt; 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>which implies 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          S 
        </mi> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is monotonically decreasing in 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        α 
      </mi> 
     </math>. Therefore,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
       </msubsup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mi>
         ln 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <munderover> 
           <mo>
             ∑ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </munderover> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msubsup> 
                <mi>
                  p 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
                <mo>
                  + 
                </mo> 
               </msubsup> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <munderover> 
           <mo>
             ∑ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </munderover> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msubsup> 
                <mi>
                  p 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
               </msubsup> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> is monotonically decreasing</p>
    <p>Regarding the monotonicity of entropy, it is important to note that maximum entropy occurs when the probability distribution is uniform, and the entropy decreases as the probability distribution becomes more skewed towards a few specific events. Therefore, intuitively, with more information about a system, the uncertainty about its state decreases, leading to a decrease in entropy.</p>
    <p>Concavity</p>
    <p>Entropy is generally expected to be concave. To establish that BRE is concave, we need to compute its second derivative and show that it is non-positive i.e., 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <msup> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mi>
            H 
          </mi> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
          <mi>
            B 
          </mi> 
         </msubsup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>Proof </p>
    <p>Differentiating 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          S 
        </mi> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <munderover> 
         <mo>
           ∑ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </munderover> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                p 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
         </msup> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <munderover> 
         <mo>
           ∑ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </munderover> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                p 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
         </msup> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math> a second time</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mtext>
          d 
        </mtext> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            S 
          </mi> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mtext>
          d 
        </mtext> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <munderover> 
           <mo>
             ∑ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </munderover> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msubsup> 
                <mi>
                  p 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
                <mo>
                  + 
                </mo> 
               </msubsup> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
           </msup> 
           <mi>
             ln 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msubsup> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
           </msubsup> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <munderover> 
           <mo>
             ∑ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </munderover> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msubsup> 
                <mi>
                  p 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
               </msubsup> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
           </msup> 
           <mi>
             ln 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                p 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
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         <mo>
           = 
         </mo> 
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          <munderover> 
           <mo>
             ∑ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
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              1 
            </mn> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </munderover> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
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                  p 
                </mi> 
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                  i 
                </mi> 
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                  + 
                </mo> 
               </msubsup> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
           </msup> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 ln 
               </mi> 
               <msubsup> 
                <mi>
                  p 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
                <mo>
                  + 
                </mo> 
               </msubsup> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
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           <mo>
             ∑ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </munderover> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msubsup> 
                <mi>
                  p 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
               </msubsup> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              ln 
            </mi> 
            <msubsup> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mi>
               i 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
            </msubsup> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
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               ∑ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
              <mo>
                = 
              </mo> 
              <mn>
                1 
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             </mrow> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
            </munderover> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mrow> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msubsup> 
                  <mi>
                    p 
                  </mi> 
                  <mi>
                    i 
                  </mi> 
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                    + 
                  </mo> 
                 </msubsup> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
              <mi>
                α 
              </mi> 
             </msup> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 ln 
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               <msubsup> 
                <mi>
                  p 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
                <mo>
                  + 
                </mo> 
               </msubsup> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <munderover> 
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               ∑ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
              <mo>
                = 
              </mo> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </mrow> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
            </munderover> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mrow> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msubsup> 
                  <mi>
                    p 
                  </mi> 
                  <mi>
                    i 
                  </mi> 
                  <mo>
                    − 
                  </mo> 
                 </msubsup> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
              <mi>
                α 
              </mi> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
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             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 ln 
               </mi> 
               <msubsup> 
                <mi>
                  p 
                </mi> 
                <mi>
                  i 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
               </msubsup> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
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               ∑ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
              <mo>
                = 
              </mo> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </mrow> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
            </munderover> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mrow> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msubsup> 
                  <mi>
                    p 
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   <title>4. Conclusion</title>
   <p>A key contribution of this work is the formulation of the Bipolar Fuzzy Jaccard Similarity, which refines similarity assessments by considering both shared and opposing characteristics in segmented regions. Additionally, the paper extends Rényi entropy to the bipolar fuzzy domain, enhancing the quantification of uncertainty in image segmentation tasks. The integration of bipolar fuzzy similarity and entropy measures provides a robust and interpretable computational framework for image segmentation, particularly in domains requiring comprehensive image analysis.</p>
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