Parzen窗方法的分析和研究
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⾮参数估计——核密度估计(Parzen 窗) 核密度估计,或Parzen 窗,是⾮参数估计概率密度的⼀种。
⽐如机器学习中还有K 近邻法也是⾮参估计的⼀种,不过K 近邻通常是⽤来判别样本类别的,就是把样本空间每个点划分为与其最接近的K 个训练抽样中,占⽐最⾼的类别。
直⽅图 ⾸先从直⽅图切⼊。
对于随机变量X 的⼀组抽样,即使X 的值是连续的,我们也可以划分出若⼲宽度相同的区间,统计这组样本在各个区间的频率,并画出直⽅图。
下图是均值为0,⽅差为2.5的正态分布。
从分布中分别抽样了100000和10000个样本: 这⾥的直⽅图离散地取了21个相互⽆交集的区间:[x −0.5,x +0.5),x =−10,−9,...,10,单边间隔h =0.5。
h >0在核函数估计中通常称作带宽,或窗⼝。
每个长条的⾯积就是样本在这个区间内的频率。
如果⽤频率当做概率,则⾯积除以区间宽度后的⾼,就是拟合出的在这个区间内的平均概率密度。
因为这⾥取的区间宽度是1,所以⾼与⾯积在数值上相同,使得长条的顶端正好与密度函数曲线相契合。
如果将区间中的x 取成任意值,就可以拟合出实数域内的概率密度(其中N x 为样本x i ∈[x −h ,x +h ),i =1,...,N 的样本数):ˆf (x )=N xN ⋅12h 这就已经是核函数估计的⼀种了。
显然,抽样越多,这个平均概率密度能拟合得越好,正如蓝条中上⽅⼏乎都与曲线契合,⽽橙⾊则稂莠不齐。
另外,如果抽样数N →∞,对h 取极限h →0,拟合出的概率密度应该会更接近真实概率密度。
但是,由于抽样的数量总是有限的,⽆限⼩的h 将导致只有在抽样点处,才有频率1/N ,⽽其它地⽅频率全为0,所以h 不能⽆限⼩。
相反,h 太⼤的话⼜不能有效地将抽样量⽤起来。
所以这两者之间应该有⼀个最优的h ,能充分利⽤抽样来拟合概率密度曲线。
容易推理出,h 应该和抽样量N 有关,⽽且应该与N 成反⽐。
Parzen窗估计及KN近邻估计实验报告总结计划装订线模式辨别实验报告题目:Parzen窗预计与KN近邻预计学院计算机科学与技术专业xxxxxxxxxxxxxxxx学号xxxxxxxxxxxx姓名xxxx指导教师xxxx20xx年xx月xx日1.Parzen窗预计与KN近邻预计一、实验目的本的目的是学Parzen窗估和k近来估方法。
在以前的模式研究中,我假概率密度函数的参数形式已知,即判函数J(.)的参数是已知的。
本使用非参数化的方法来理随意形式的概率散布而不用预先考概率密度的参数形式。
在模式中有在令人感趣的非参数化方法,Parzen窗估和k近来估就是两种典的估法。
二、实验原理非参数化概率密度的预计于未知概率密度函数的估方法,此中心思想是:一个向量x落在地区R中的概率可表示:此中,P是概率密度函数p(x)的光滑版本,所以能够通算P来估概率密度函数p(x),假n个本x1,x2,⋯,xn,是依据概率密度函数p(x)独立同散布的抽取获得,,有k个本落在地区R中的概率听从以下散布:此中k的希望:概率k的散布在均邻近有着特别著的波峰,所以若本个数P的一个估将特别正确。
假p(x)是的,且地区n足大,使用R足小,有:k/n作以下所示,以上公式生一个特定的相概率,迫近一个δ函数,函数即是真的概率。
公式中的能够获得对于概率密度函数p(x)的估:当n近于无大,曲的形状V是地区R所包括的体。
上所述,在中,了估x的概率密度函数,需要结构包括点x的地区R1,R2,⋯,Rn。
第一个地区使用1个本,第二个地区使用2个本,以此推。
VnRn的体。
kn落在区Rn中的本个数,而pn(x)表示p(x)的第n次估:欲足pn(x)收:pn(x)→p(x),需要足以下三个条件:有两种常采纳的得种地区序列的门路,以下所示。
此中“Parzen窗方法”就是根据某一个确立的体函数,比方Vn=1/√n来逐收一个定的初始区。
就要求随机量kn和kn/n能保pn(x)能收到p(x)。
parzen窗估计例题摘要:I.引言- 介绍Parzen 窗的概念和应用- 简述Parzen 窗估计的方法和步骤II.Parzen 窗的定义和性质- 定义Parzen 窗- 说明Parzen 窗的性质和特点III.Parzen 窗估计方法- 详细阐述Parzen 窗估计的步骤- 解释各步骤的意义和作用IV.Parzen 窗估计例题- 给出一个具体的Parzen 窗估计例题- 展示解决例题的过程和结果V.总结与展望- 总结Parzen 窗估计的主要内容- 展望Parzen 窗估计在实际应用中的前景正文:I.引言Parzen 窗是一种在机器学习中广泛应用的窗函数,主要用于估计密度函数和进行聚类分析等任务。
Parzen 窗估计是一种非参数估计方法,它通过计算样本数据邻域内数据的密度来估计总体密度。
本文将详细介绍Parzen 窗的概念、性质以及估计方法,并通过一个具体的例题展示Parzen 窗估计的过程。
II.Parzen 窗的定义和性质Parzen 窗,又称Parzen 核函数,是由德国数学家Wolfgang Parzen 在1960 年代提出的。
Parzen 窗是一个具有对称性的连续函数,定义为:f_h(x) = (1 / (h * sqrt(2 * pi))) * exp(-((x - μ)^2) / (2 * h^2))其中,h 是窗宽参数,μ是窗的中心。
Parzen 窗具有以下性质:1.具有对称性:f_h(x) = f_h(-x)2.具有局部性:当h 趋近于0 时,f_h(x) 趋于一个常数3.窗宽参数h 对函数形状的影响:当h 增大时,函数变得更为平缓;当h 减小时,函数波动加大,对局部特征更加敏感III.Parzen 窗估计方法Parzen 窗估计方法主要包括以下步骤:1.确定窗宽参数h:根据问题的实际需求和数据特点选择合适的窗宽参数h。
通常情况下,窗宽的选择需要通过交叉验证等方法进行优化。
k-最近邻(k-NN)估计和Parzen窗法是非参数估计方法,常用于密度估计和分类问题。
k-最近邻估计(k-NN):
基本思想:
•对于一个给定的数据点,通过观察其邻近的k个数据点的标签(对于分类问题)或者值(对于回归问题),来预测该数据点的标签
或值。
算法步骤:
1.计算待预测点与所有训练数据点之间的距离(通常使用欧氏距离)。
2.选择与待预测点距离最近的k个训练数据点。
3.对于分类问题,通过多数投票确定待预测点的类别;对于回归问
题,取k个邻居的平均值作为预测值。
参数:
•k值的选择对算法的性能影响较大,选择一个合适的k值很重要。
Parzen窗法:
基本思想:
•将一个窗口(窗宽h)放在每个观测点上,通过计算落入窗口内的数据点的贡献来估计概率密度。
算法步骤:
1.对于每个数据点,定义以该点为中心的窗口。
2.计算落入窗口内的数据点的权重,通常使用核函数(如高斯核函
数)。
3.对所有窗口进行叠加,得到概率密度估计。
参数:
•窗口宽度h的选择影响估计的平滑程度,较小的h可能导致过拟合,较大的h可能导致欠拟合。
这两种方法都是基于样本的方法,没有对数据的分布进行明确的假设,因此在某些情况下可以更灵活地适应不同的数据分布。
选择适当的算法和参数是使用这些方法时需要注意的重要因素。
parzen窗估计例题一、引言Parzen窗估计作为一种非参数概率密度估计方法,广泛应用于统计学、信号处理、图像处理等领域。
本文将详细介绍Parzen窗估计的基本原理、计算步骤、优缺点以及在实际应用中的案例,帮助读者更好地理解和应用这一方法。
二、Parzen窗估计的基本原理1.Parzen窗的定义Parzen窗估计是一种基于数据点邻域的密度估计方法。
给定一组数据点X = {x1, x2, ..., xn},Parzen窗宽度的函数h(宽度大于0)为数据点集的函数,那么在点x处的Parzen窗函数表示为:f(x) = (1/h^2) * Σ[K(x, xi)],其中K为核函数,xi为数据点。
2.Parzen窗的性质(1)Parzen窗估计具有平滑性,可以有效地避免噪声对密度估计的影响。
(2)当窗口宽度h减小时,估计结果越接近真实密度;当h增大时,估计结果趋于平滑,但可能损失局部信息。
(3)Parzen窗估计是连续的,可以描述数据分布的连续性。
3.Parzen窗在概率密度估计中的应用Parzen窗估计可应用于一维和多维数据的概率密度估计。
通过调整窗口宽度和核函数,可以实现对不同数据类型的适应。
三、Parzen窗估计的计算步骤1.数据准备:收集一组数据点X = {x1, x2, ..., xn}。
2.确定Parzen窗的参数:选择合适的窗口宽度h和核函数K。
窗口宽度影响着估计结果的粗糙程度,核函数的选择依据数据类型和需求进行。
3.计算概率密度估计值:根据公式计算每个数据点的概率密度估计值,然后绘制概率密度函数图像。
四、Parzen窗估计的优缺点1.优点:(1)适应性强,可以应用于不同类型的数据。
(2)具有良好的平滑性,能有效减小噪声影响。
(3)计算简便,易于实现。
2.缺点:(1)对窗口宽度的选择敏感,较难确定最佳参数。
(2)在数据点分布稀疏的区域,估计结果可能不准确。
五、Parzen窗估计在实际应用中的案例1.信号处理:在信号处理领域,Parzen窗估计可以用于估计信号的概率密度,从而实现信号的参数估计、特征提取等任务。
Parze n 窗mat lab 仿真实验一、Parze n 窗基本原理Parze n 窗估计法是一种具有坚实理论基础和优秀性能的非参数函数估计方法,它能够较好地描述多维数据的分布状态。
其基本思想就是利用一定范围内各点密度的平均值对总体密度函数进行估计。
一般而言,设x 为d 维空间中任意一点,N 是所选择的样本总数,为了对x 处的分布概率密度进行估()^x p 计,以x 为中心作一个边长为的超立方h 体V ,则其体积为dV h =,为计算落入V 中的样本数k ,构造一个函数使得()11,,1,2,...,20,jj du uϕ⎧≤=⎪=⎨⎪⎩其他(1)并使满足条()u ϕ件()0u ϕ≥,且()1u du ϕ=⎰,则落入体积V 中的样本数为1Ni Ni x x kh ϕ=⎛⎫-= ⎪ ⎪⎝⎭∑,则此处概率密度的估计值是: ()^111Ni i x x Nx pVh ϕ=⎛⎫-=⎪ ⎪⎝⎭∑(2)式(2)是Parz e n 窗估计法的基本公式,()1u Vϕ称为窗函数,或核函数。
在Parze n 窗估计法的基本公式中,窗宽是一个h 非常重要的参数。
当样本数N 有限时,h对估计的效果有着较大的影响。
二、Matla b 实现Pa rzen 窗仿真实验为了编写P a rzen 窗,首先要确定一个窗函数。
一般可以选择的窗函数有方窗、正态窗等。
接下来将分别用方窗、正态窗实现P a rze n 窗法。
2.1、方窗1,1,2,...(,)2j ji d i h x x j d k x x h ⎧-≤=⎪=⎨⎪⎩若其他(3)其中,h 为超立方体的棱长。
因为编程中所用的信号是一维的正态信号,所以此处的d 取值为1。
2.1.1 方窗Par zen 仿真实验流程图2.1.2 方窗Parzen仿真实验mtalab代码r=normrn d(0,1,1,10000);f=r(1:1000);f=sort(f);lth=1;h=[0.25,1,4];V1=h(1);V2=h(2);V3=h(3);V=[V1,V2,V3];a=zeros(1000,3);p=zeros(1000,3);b=0;for m=1:3for x=1:1000for n=1:lthif abs((r(:,n)-f(x))/h(:,m))<=1/2 q=1;elseq=0;endb=q+b;enda(x,m)=b;b=0;endendfor m=1:3for x=1:1000p(x,m)=1/(lth*V(m))* a(x,m);endsubplo t(4,3,m)plot(f(1:1000),p(:,m))ylabel('N=1')endhold onlth=16;b=0;for m=1:3for x=1:1000for n=1:lthif abs((r(:,n)-f(x))/h(:,m))<=1/2 q=1;elseq=0;endb=q+b;enda(x,m)=b;b=0;endendfor m=1:3for x=1:1000p(x,m)=1/(lth*V(m))* a(x,m);endsubplo t(4,3,m+3)plot(f(1:1000),p(:,m))ylabel('N=16')endhold onlth=256;b=0;for m=1:3for x=1:1000for n=1:lthif abs((r(:,n)-f(x))/h(:,m))<=1/2 q=1;elseq=0;endb=q+b;enda(x,m)=b;b=0;endendfor m=1:3for x=1:1000p(x,m)=1/(lth*V(m))* a(x,m);endsubplo t(4,3,m+6)plot(f(1:1000),p(:,m))axis([-5,5,0,0.6]);ylabel('N=256')endlth=10000;b=0;for m=1:3for x=1:1000for n=1:lthif abs((r(:,n)-f(x))/h(:,m))<=1/2 q=1;elseq=0;endb=q+b;enda(x,m)=b;b=0;endendfor m=1:3for x=1:1000p(x,m)=1/(lth*V(m))* a(x,m);endsubplo t(4,3,m+9)plot(f(1:1000),p(:,m))axis([-5,5,0,0.5]);ylabel('N=10000')end2.1.3 方窗Parzen仿真实验运行结果h=0.25 h=1 h=42.2正态窗正态窗函数为()211(,)e x p 2i k x x u V u ϕ⎧⎫==-⎨⎬⎩⎭(4)概率密度的估计式为()2^111112Ni Ni x x N x p hh =⎡⎤⎛⎫-⎢⎥=- ⎪ ⎪⋅⎢⎥⎝⎭⎣⎦(5)式中1h =。
parzen方法-回复什么是Parzen方法?Parzen方法,也被称为窗函数法或者核函数法,是一种非参数估计方法用于密度估计。
它通过对每个数据点周围的窗口或区域进行加权平均,来估计整个数据集的概率分布密度。
该方法通常可以应用于分类、聚类、异常检测等机器学习和统计问题中。
Parzen方法的基本原理是通过将样本空间中的每个数据点视为核心,然后计算该数据点的邻域内的密度值,最后将这些密度值进行加权平均来估计整个数据集的密度分布。
这个邻域的大小和形状由所选择的窗口函数来确定。
窗口函数通常使用高斯函数或矩形函数。
第一步:选择窗口函数在Parzen方法中,选择合适的窗口函数是非常重要的。
常见的窗口函数有高斯函数和矩形函数。
高斯函数是最常用的窗口函数之一,它在原点处有一个峰值,并随着距离的增加而逐渐减小。
而矩形函数则是一个常数函数,在指定的窗口范围内取值为1,其它地方都为0。
选择窗口函数需要考虑数据的分布情况以及希望实现的效果。
如果数据分布比较平滑,高斯函数可能是更好的选择;而如果数据分布比较离散,矩形函数可能更适合。
第二步:确定窗口大小和形状窗口的大小和形状决定了核密度估计的精确度和偏差。
过小的窗口大小会导致估计的密度函数不够平滑,过度拟合数据;而过大的窗口大小则会导致估计的密度函数过于平滑,丧失了对真实分布的敏感性。
可以使用交叉验证或根据经验规则来选择窗口大小和形状。
第三步:计算密度估计在确定了窗口函数、窗口大小和形状之后,可以开始计算密度估计了。
对于每个数据点,需要计算其邻域内的密度值。
这可以通过将窗口函数与各个数据点的距离结合起来得到。
距离可以使用欧氏距离或其他距离度量方法来计算。
在计算邻域内的密度值时,可以使用简单求和的方法,即对邻域内的所有数据点的窗口函数值进行加权求和。
具体计算方法会根据选择的窗口函数和距离度量方法而不同。
第四步:应用密度估计结果一旦得到了密度估计结果,就可以应用于各种机器学习和统计问题中。
对不起,无法提供具体的例题,但可以提供Parzen窗估计的基本概念和步骤。
Parzen窗估计是一种密度估计方法,用于估计一个数据集的密度函数。
它基于Parzen窗方法,通过使用核密度估计来估计数据集的密度。
步骤如下:
1. **选择核函数**:首先,需要选择一个合适的核函数。
常用的核函数包括高斯核、多项式核等。
在Parzen窗估计中,通常使用高斯核函数。
2. **计算核密度估计**:使用选择的核函数,对数据集中的每个点进行核密度估计。
这通常通过使用一个窗口(例如,一个矩形窗口或高斯窗口)来计算数据点周围的点的密度。
3. **计算Parzen窗**:根据核密度估计的结果,使用Parzen窗方法来估计数据集的密度。
Parzen窗方法通过计算数据点周围点的密度的加权平均值来估计密度。
权重由高斯函数决定,其中心点对应于数据点本身,而其宽度则决定了窗口的大小。
4. **平滑密度估计**:最后,通过平滑密度估计结果,可以减少噪声的影响,得到更平滑的密度估计。
需要注意的是,Parzen窗估计是一种非参数方法,不需要对数据进行任何先验假设或参数化。
此外,Parzen窗估计在处理连续数据时非常有效,因为它能够捕捉到数据的局部特性。
如果你需要更具体的例子或更深入的解释,可能需要查阅相关的数学和统计学教材或在线资源。
这些资源通常会提供更详细和具体的例子和算法实现。
2011,47(8)1引言聚类是将物理或抽象对象的集合分组成为由类似的对象组成的多个类的过程,它所生成的类的集合是一组数据对象的集合,同一个类中的对象彼此相似,与其他类中的对象却相异。
一个好的聚类算法应能识别任意数据形态,对数据的输入顺序不敏感,随输入数据的大小线性扩展,当数据维数增加时也具有良好的可伸缩性[1]。
聚类所具有的无指导学习能力使它具有广泛的应用空间,例如模式识别、图像处理等。
对高维数据的处理是聚类的一个重要应用领域。
生物信息学和电子信息化的加深,带来了越来越多的高维数据,除了“维灾问题”,高维数据中含有的大量随机噪声也会带来额外的效率问题,并且在实际的高维数据应用中,如果需要对某类具有上百个属性的对象进行聚类,很难得到理想的聚类结果。
至今,有很多文献对如何进行高维对象之间的聚类进行了研究[2]。
例如,专门针对各维属性取值为区间变量的高属性维稀疏聚类问题提出了SFC聚类方法和用于求解二态变量的高属性维稀疏聚类问题的CABOSFV算法[3-4]。
解决高维数据比较典型的有频繁模式挖掘、基于模式相似的聚类、特征选择/子空间聚类、特征转换法等。
高维数据的聚类算法逐步发展,近几年国内学者提出很多解决算法,例如具有输入知识的高维数据聚类算法、改进CLIQUE算法的并行高维聚类算法,以及高维空间球体的k-中心聚类等方法的研究[1-2,5]。
本文对Parzen窗估计法加权,通过多次仿真得到更优的加权函数,根据Parzen窗对一维数据的优良聚类效果的特性,将高维数据投影在低维空间,进行聚类,逐步投向高维数据,并对结果矩阵进行优化处理。
最后一章将所得的聚类效果与Parzen窗进行高维数据聚类的效果进行比较,并做了分析得出结论。
2方法思想Parzen窗估计法是一种具有坚实理论基础和优秀性能的非参数估计方法,能够较好地描述数据的分布状态。
使用Par-zen窗估计法求取每个分类的概率密度函数,从而建立其稳定性指标,使用该指标可以比较各个分类结果的好坏。
对Parzen窗/PNN算法的学习和研究报告姓名:吴潇学号:13337551、Parzen窗方法综述、发展历史及现状模式识别领域的非参数估计方法大致可以分为两类。
第一种类型是先估计出概率密度函数的具体形式,然后再利用这个估计出来的概率密度函数对样本进行分类。
第二种类型是,不估计具体的概率密度函数,而直接根据样本进行分类。
Parzen窗方法就是属于第一种类型的非参数估计方法,概率神经网络(PNN)是它的一种实现方式。
Parzen窗方法的基本思想是利用一定范围内的各点密度的平均值对总体密度函数进行估计。
Parzen窗(Parzen window)又称为核密度估计(kernel density estimation),是概率论中用来估计未知概率密度函数的非参数方法之一。
该方法由Emanuel Parzen于1962年在The Annals of Mathematical Statistics杂志上发表的论文“On Estimation of a Probability Density Function and Mode”中首次提出。
Nadaraya和Watson最早把这一方法用于回归法中。
Specht把这一方法用于解决模式分类的问题,并且在1990年发表的论文“Probabilistic neural networks”中提出了PNN网络的硬件结构。
Ruppert和Cline基于数据集密度函数聚类算法提出了修订的核密度估计方法,对Parzen窗做了一些改进。
Parzen窗方法虽然是在上个世纪60年代提出来的,已经过去了45年的时间,看上去是一种很“古老”的技术,但是现在依然有很多基于Parzen窗方法的论文发表。
这说明Parzen 窗方法的确有很强的生命力和实用价值,虽然它也存在很多缺点。
2、Parzen窗方法和概率神经网络Parzen窗方法就是基于当样本个数n非常大的时候,有公式成立这样的一个事实而提出的。
计算题3.6 已知三类训练样本为1ω:[ -1,-1 ]T , 2ω:[ 0,0 ]T , 3ω:[ 1,1 ]试用多类感知器算法求解判别函数。
解:采用多类情况3的方式分类,将训练样本写成增广向量形式,有X 1= [ -1,-1,1 ]T , X 2= [ 0,0,1 ]T , X 3= [ 1,1,1 ]T任取初始权向量为:W 1(1) = W 2(1) = W 3(1)= [ 0,0,0 ]T 取校正增量c = 1。
迭代过程如下:第一次迭代,k = 1,以X 1= [ -1,-1,1 ]T 作为训练样本,计算得 d 1(1) = W 1T (1) X 1= 0 d 2(1) = W 2T (1) X 1= 0 d 3(1) = W 3T (1) X 1= 0X 1∈1ω,但d 1(1)>d 2(1)且d 1(1)>d 3(1)不成立,故修改3个劝向量,即 W 1(2) = W 1(1) + X 1= [ -1,-1,1 ]T W 2(2) = W 2(1) – X 1= [ 1,1,-1 ]T W 3(2) = W 3(1) – X 1= [ 1,1,-1 ]T 第二次迭代,k = 2,以X 2=[ 0,0,1 ]T 作为训练样本,计算得 d 1(2) = W 1T (2)X 2= 1 d 2(2) = W 2T (2)X 2= -1 d 3(2) = W 3T (2)X 2= -1X 2∈2ω,但d 2(2)>d 1(2)且d 2(2)>d 3(2)不成立,故修改3个权向量,即W 1(3) = W 1(2) – X 2= [ -1,-1,0 ]T W 2(3) = W 2(2) + X 2= [ 1,1,0 ]T W 3(3) = W 3(2) – X 2= [ 1,1,-2 ]T 第三次迭代,k = 3,以X 3= [ 1,1,1 ]T 作为训练样本,计算得 d 1(3) = W 1T (3)X 3= -2 d 2(3) = W 2T (3)X 3= 2 d 3(3) = W 3T (3)X 3= 0X 3∈3ω,d 3(3)>d 1(3)成立,但d 3(3)>d 2(3)不成立,故仍需修改部分权向量,即 W 1(4) = W 1(3) = [ -1,-1,0 ]T W 2(4) = W 2(3) – X 3= [ 0,0,-1 ]T W 3(4) = W 3(3) + X 3= [ 2,2,-1 ]T以上经过一轮迭代运算后,三个样本还未正确分类,故进行下一轮迭代。
MATLAB下的Parzen函数Parzen窗法概率密度函数估计在基于熵的⾳频相似度度量中,⽤到Parzen窗法对所提取的MFCC参数进⾏概率密度函数估计,
其MATLAB实现如下:
function p=Parzen(xi,x,h1,f)
%xi为样本,x为概率密度函数的⾃变量的取值,
%h1为样本数为1时的窗宽,f为窗函数句柄
%返回x对应的概率密度函数值
if isempty(f)
%若没有指定窗的类型,就使⽤正态窗函数
f=@(u)(1/sqrt(2*pi))*exp(-0.5*u.^2);
end;
N=size(xi,2);
hn=h1/sqrt(N);
[X Xi]=meshgrid(x,xi);
p=sum(f((X-Xi)/hn)/hn)/N;
由于不知道如何在m语⾔中设置函数参数的默认值或设置可变参数,所以即使你使⽤默认的正态窗,也需要传⼊f参数,传⼊为‘[]’。
举例说明这个函数的⽤法:
>>xi=rand(1,1024);
>>x=linspace(-1,2,1024);
>>p=Parzen(xi,x,1,[]);
>>plot(x,p);
得到如下图形:
上⾯演⽰的是均匀分布,现在再试试正态分布:
>>xi=randn(1,1024);
>>x=linspace(-2,2,1024);
>>p=Parzen(xi,x,1,[]);
>>plot(x,p);
得到如下图形:
最好不要设置太⼤的N。
对Parzen窗/PNN算法的学习和研究报告姓名:吴潇学号:13337551、Parzen窗方法综述、发展历史及现状模式识别领域的非参数估计方法大致可以分为两类。
第一种类型是先估计出概率密度函数的具体形式,然后再利用这个估计出来的概率密度函数对样本进行分类。
第二种类型是,不估计具体的概率密度函数,而直接根据样本进行分类。
Parzen窗方法就是属于第一种类型的非参数估计方法,概率神经网络(PNN)是它的一种实现方式。
Parzen窗方法的基本思想是利用一定范围内的各点密度的平均值对总体密度函数进行估计。
Parzen窗(Parzen window)又称为核密度估计(kernel density estimation),是概率论中用来估计未知概率密度函数的非参数方法之一。
该方法由Emanuel Parzen于1962年在The Annals of Mathematical Statistics杂志上发表的论文“On Estimation of a Probability Density Function and Mode”中首次提出。
Nadaraya 和Watson最早把这一方法用于回归法中。
Specht把这一方法用于解决模式分类的问题,并且在1990年发表的论文“Probabilistic neural networks”中提出了PNN网络的硬件结构。
Ruppert和Cline基于数据集密度函数聚类算法提出了修订的核密度估计方法,对Parzen窗做了一些改进。
Parzen窗方法虽然是在上个世纪60年代提出来的,已经过去了45年的时间,看上去是一种很“古老”的技术,但是现在依然有很多基于Parzen窗方法的论文发表。
这说明Parzen 窗方法的确有很强的生命力和实用价值,虽然它也存在很多缺点。
2、Parzen窗方法和概率神经网络Parzen窗方法就是基于当样本个数n非常大的时候,有公式p(x)≈k/nV成立这样的一个事实而提出的。
通过计算在一个区域R内的频数k/n,用这个频数来估计这一点的频率,从而得到这一点的概率。
当n趋于无穷大的时候,p(x) 等于该点的实际概率。
这种方法就是模式识别领域中的非参数估计方法。
Parzen窗方法就是通过构造一系列的区域:R1,R2,…,R n,在这些区域内计算k/n。
记V n为区域R n的体积,k n为落在区域R n中的样本个数,p n(x)表示对p(x)的第n次估计,于是有:p n(x)=k n/n V n为了保证p n(x)能够收敛到p(x),必须满足以下3个条件:1) lim n→∞V n =0 2)lim n→∞k n =∞ 3)lim n→∞k n /n =0Parzen 窗方法的实质就是通过对上面的区域R n ,每次按照 V n =1/√n 来构造区域序列,使区域逐渐收缩到一个给定的初始区间。
它不断收缩区域,按照公式把区域不断缩小,而不关心该区域实际上包含多少个样本点。
另外一种与它相对应的非参数估计方法是K n -近邻法。
假设区间 R n 是一个 d 维的超立方体,h n 表示超立方体的一条边的长度,那么该超立方体的体积就是 V n =h n d。
通过定义如下的窗函数,我们能够解析地得到落在窗中的样本个数 k n 的表达式:φ(u )={1 |u j | ≤12; j =1,…,d 0 其他这样,φ(u ) 就表示一个中心在原点的单位超立方体。
如果x i 落在超立方体V n 中,那么 φ(x − x i h n )=1,否则便为0。
因此,超立方体中的样本个数就是k n = ∑φ(x −x i ℎn)n i=1带入公式 p n (x )=k n /n V n , 就得到p n (x )=1n ∑1V n n i=1φ(x −x i ℎn )该方程表明一种更加一般的估计概率密度函数的方法——不必规定区间必须是超立方体,可以是某种更加一般化的形式。
这个公式表示我们对 p(x ) 的估计是对一系列关于x 和 x i 的函数求平均。
这个 p n (x ) 就是Parzen 窗方法估计得到的概率密度函数。
关于 p n (x ) 是否合理的问题,也就是判断它是否保证函数值非负,而且积分的结果为1。
这一点可以通过增加条件来保证:1)要求 φ(x ) 满足 φ(x )≥0 和 ∫φ(u)du =12)要求 V n=h n d增加这些条件就可以保证 p n (x ) 是一个合理的概率密度函数,函数值是非负的,积分的结果为1。
Parzen 窗方法可以使用神经网络的方法来实现,也就是通常所说的概率神经网络(Probabilistic neural network, PNN )。
现在假设有n 个d 维的样本,它们都是从c 个类别中选取的。
在这种情况下,输入层由d 个输入单元组成,每一个输入单元都与模式层中的n 个模式单元相连。
而每一个模式单元只与类别层中的c 个类别单元中的其中之一相连。
从输入层到模式层的连线表示可修改的权系数,这些权系数可以通过训练得到。
每一个类别单元都计算与之相连的各模式单元的输出结果的和。
每一个模式层单元能够对它的权重向量和归一化的样本向量x 作内积,得到 z =w t x ,然后映射为 exp [(z −1)/σ2。
每一个类别单元把与它相连的模式层单元的输出结果相加。
这样的结果就保证了类别单元处得到的就是使用协方差为 σ2I 的圆周对称高斯窗函数的Parzen 窗的估计结果(I 表示d × d 的单位矩阵)。
PNN 网络是用下面的方式训练的。
首先,把训练样本中的每一个样本x 都归一化为单位长度,即 ∑x i 2=1d i=1 。
第一个经过归一化的样本被置于输入层单元上。
同时,连接输入单元和第一个模式层单元的那些连接被初始化为 w 1=x 1。
然后,从模式层的第一个单元到类别层中代表x 1所属类别的那个单元之间就建立了一个连接。
同样的过程对剩下的各个模式单元都重复进行,即 w k =x k ,其中 k = 1, 2, …, n 。
这样就得到了一个网络:输入层单元与模式层单元之间是完全连通的,而模式层单元到类别单元之间是稀疏连接的。
如果把第j 个样本的第k 个分量记为x jk ,把这个分量到第j 个模式层单元的连接权重系数记为w jk ,其中j = 1,2,…,n, k = 1, 2, …, d 。
得到算法描述如下:PNN 训练算法1 begin initialize j ← 0,n,a ji ← 0, j = 1,…,n ; i=1,…,c2 do j ← j + 13 x jk ←x jk / (∑x ji 2d i )1/2(归一化过程) 4 w jk ←x jk (训练)5 if x ∈ w i then a ji ←16 until j = n7 end然后,经过训练完成的网络就可以用这样的方式实现分类:首先把一个归一化了的测试样本x 提供给输入节点,每一个模式层单元都计算内积,得到“净激活”(net activation ):net k =w k t x并产生 net k 的一个非线性函数 e (net k −1)/σ2,其中 σ 是由用户设置的一个参数,表示有效的高斯窗的宽度。
每一个类别层单元则把与它相连接的模式层单元的结果进行相加。
为了实现Parzen 窗算法,这里的激活函数必须是一个指数函数。
对于一个中心在某一个训练样本w k 处的未经过归一化的高斯窗函数。
从期望得到的高斯窗函数倒推出模式层应采用的非线性活化函数的形式,即如果令有效宽度h n 为常数,则窗函数为φ(x −w k ℎn) ∝e −(x−w k )t (x−w k )/2σ2 =e −(x t x + w k t w k −2x t w k )/2σ2 =e (net k − 1)/σ2其中使用了归一化条件: x t x =w k t w k =1。
这样一个模式层单元向与它相连接的那个类别层单元贡献了一个信号,这个信号的强度等于以当前训练样本为中心的高斯函数产生这个测试样本点的概率。
对这些局部估计值求和就得到判别函数 g i (x)——也就是概率密度函数的Parzen 窗估计结果。
通过 max ig i (x) 运算得到测试点的期望的类别:PNN 分类算法1 begin initialize k ← 0, x ← 测试点2 do k ← k + 13 net k ← w k t x4 if a ki =1 then g i ←g i + exp [(net k − 1)/σ2]5 until k = n6 return class ← arg max i g i (x)7 end3、Parzen窗方法的优点和缺点Parzen窗方法的好处是不需事先知道概率密度函数的参数形式,比较通用,可以应对不同的概率密度分布形式。
在处理有监督学习过程的时候,现实世界的情况往往是我们不知道概率密度函数形式。
就算能够给出概率密度函数的形式,这些经典的函数也很少与实际情况符合。
所有经典的概率密度函数的形式都是单模的(只有单个局部极大值),而实际情况往往是多模的。
非参数方法正好能够解决这个问题,所以从这个意义上来讲,Parzen窗方法能够更好地对应现实世界的概率密度函数,而不必实现假设概率密度函数的形式是已知的。
Parzen窗方法能处理任意的概率分布,不必假设概率密度函数的形式已知,这是非参数化方法的基本优点。
Parzen窗方法的一个缺点是它需要大量的样本。
在样本有限的情况下,很难预测它的收敛性效果如何。
为了得到较精确的结果,实际需要的训练样本的个数是非常惊人的。
这时要求的训练样本的个数比在知道分布的参数形式下进行估计所需要的训练样本的个数要多得多。
而且,直到今天人们还没有找到能够有效的降低训练样本个数的方法。
这也导致了Parzen 窗方法对时间和存储空间的消耗特别大。
更糟糕的是,它对训练样本个数的需求,相对特征空间的维数呈指数增长。
这种现象被称为“维数灾难(curse of dimensionality)”,严重制约了这种方法的实际应用。
Parzen窗方法的另外一个缺点是,它在估计边界区域的时候会出现边界效应。
Parzen窗方法的一个问题是,窗宽度的选择难以把握。
下图是一个二维Parzen窗的两类分类器的判决边界。
其中窗宽度h不相同。
左边的图中的窗宽度h较小,右边的图中的窗宽度h较大。
所以左侧的Parzen窗分类器的分类界面比右边复杂。
这里给出的训练样本的特点是,上半部分适合用较小的窗宽度h,而下半部分适合用较大的窗宽度h。
所以,这个例子说明没有一个理想的固定的h值能够适应全部区域的情况。
这算是Parzen窗方法的一个不足之处。
PNN是Parzen窗方法的实现。