模式识别-贝叶斯决策理论和应用

《模式识别》实验报告---最小错误率贝叶斯决策分类一、实验原理对于具有多个特征参数的样本（如本实验的iris 数据样本有4d =个参数），其正态分布的概率密度函数可定义为112211()exp ()()2(2)T d p π-⎧⎫=--∑-⎨⎬⎩⎭∑x x μx μ 式中，12,,,d x x x ⎡⎤⎣⎦=x 是d 维行向量，12,,,d μμμ⎡⎤⎣⎦=μ是d 维行向量，∑是d d ⨯维协方差矩阵，1-∑是∑的逆矩阵，∑是∑的行列式。

本实验我们采用最小错误率的贝叶斯决策，使用如下的函数作为判别函数()(|)(),1,2,3i i i g p P i ωω==x x （3个类别）其中()i P ω为类别i ω发生的先验概率，(|)i p ωx 为类别i ω的类条件概率密度函数。

由其判决规则，如果使()()i j g g >x x 对一切j i ≠成立，则将x 归为i ω类。

我们根据假设：类别i ω，i=1,2,……,N 的类条件概率密度函数(|)i p ωx ，i=1,2,……,N 服从正态分布，即有(|)i p ωx ~(,)i i N ∑μ，那么上式就可以写为1122()1()exp ()(),1,2,32(2)T i i dP g i ωπ-⎧⎫=-∑=⎨⎬⎩⎭∑x x -μx -μ对上式右端取对数，可得111()()()ln ()ln ln(2)222T i i i i dg P ωπ-=-∑+-∑-i i x x -μx -μ上式中的第二项与样本所属类别无关，将其从判别函数中消去，不会改变分类结果。

则判别函数()i g x 可简化为以下形式111()()()ln ()ln 22T i i i i g P ω-=-∑+-∑i i x x -μx -μ二、实验步骤（1）从Iris.txt 文件中读取估计参数用的样本，每一类样本抽出前40个，分别求其均值，公式如下11,2,3ii iii N ωωω∈==∑x μxclear% 原始数据导入iris = load('C:\MATLAB7\work\模式识别\iris.txt'); N=40;%每组取N=40个样本%求第一类样本均值 for i = 1:N for j = 1:4w1(i,j) = iris(i,j+1); end endsumx1 = sum(w1,1); for i=1:4meanx1(1,i)=sumx1(1,i)/N; end%求第二类样本均值 for i = 1:N for j = 1:4 w2(i,j) = iris(i+50,j+1);end endsumx2 = sum(w2,1); for i=1:4meanx2(1,i)=sumx2(1,i)/N; end%求第三类样本均值 for i = 1:N for j = 1:4w3(i,j) = iris(i+100,j+1); end endsumx3 = sum(w3,1); for i=1:4meanx3(1,i)=sumx3(1,i)/N; end（2）求每一类样本的协方差矩阵、逆矩阵1i -∑以及协方差矩阵的行列式i ∑， 协方差矩阵计算公式如下11()(),1,2,3,41i ii N i jklj j lk k l i x x j k N ωωσμμ==--=-∑其中lj x 代表i ω类的第l 个样本，第j 个特征值；ij ωμ代表i ω类的i N 个样品第j 个特征的平均值lk x 代表i ω类的第l 个样品，第k 个特征值；iw k μ代表i ω类的i N 个样品第k 个特征的平均值。

贝叶斯推理技术在模式识别中的应用研究贝叶斯推理技术是基于贝叶斯定理的一种推理方法，通过引入先验知识和观测数据，来更新和评估已有的假设。

贝叶斯推理在模式识别中有广泛的应用，可以用于解决模式识别中的分类、回归、聚类等问题。

本文将重点介绍贝叶斯推理技术在模式识别中的应用研究。

首先，贝叶斯推理在模式识别中的一个重要应用是分类问题。

分类问题是模式识别中的一个基本任务，即将样本分为不同的类别。

贝叶斯分类器是一种经典的分类方法，基于贝叶斯定理计算后验概率，从而确定样本所属的类别。

贝叶斯分类器在文本分类、图像分类等领域都有广泛的应用。

例如，在垃圾邮件过滤中，可以使用贝叶斯分类器根据邮件的特征信息来判断其属于垃圾邮件还是正常邮件。

其次，贝叶斯推理还可以用于回归问题。

回归问题是模式识别中的另一个重要任务，旨在寻找变量之间的函数关系。

贝叶斯回归是一种灵活的回归方法，它可以通过引入先验分布来约束回归模型的参数，从而降低过拟合风险。

贝叶斯回归在金融风险预测、销售预测等领域具有广泛的应用。

例如，在金融领域中，可以使用贝叶斯回归来预测股票的价格变动。

此外，贝叶斯推理还可以用于聚类问题。

聚类问题是模式识别中的一个重要任务，旨在将样本分组为具有类似特征的簇。

贝叶斯聚类是一种基于概率模型的聚类方法，通过引入先验知识和观测数据，来估计每个样本属于每个聚类的概率，从而确定每个样本所属的簇。

贝叶斯聚类在图像分割、用户行为分析等领域都有应用。

例如，在图像分割中，可以使用贝叶斯聚类来将图像中的像素分为不同的区域。

此外，贝叶斯推理还可以用于模式识别中的特征选择和特征提取。

特征选择是从原始数据中选择最具有代表性的特征，而特征提取是通过其中一种变换方法将原始数据映射到一个更加有区分性的特征空间。

贝叶斯推理可以结合先验知识和观测数据，来对特征进行选择和提取。

例如，在图像识别中，可以使用贝叶斯推理来选择最能区分不同类别的图像特征。

总结来说，贝叶斯推理技术在模式识别中有广泛的应用。

贝叶斯网络在模式识别方面的应用研究随着人工智能和数据科学领域的不断发展，贝叶斯网络在模式识别方面的应用也越来越广泛。

贝叶斯网络是一种用于建立概率图的工具，可以用于建立复杂的关系模型，并进行推理和预测。

本文将介绍贝叶斯网络的基本原理和在模式识别中的应用。

一、贝叶斯网络的基本原理贝叶斯网络是由一组节点和边构成的有向无环图，其中节点表示变量，边代表变量之间的依赖关系。

贝叶斯网络利用概率图模型表示的条件概率分布，通过对概率图的边界条件进行设定，可以进行推理和预测。

在贝叶斯网络中，每个节点表示一个随机变量，节点的状态可以是离散的也可以是连续的。

节点之间通过有向边相连，边代表变量之间的依赖关系。

每个节点的状态取决于其父节点的状态。

对于节点X和其父节点集合Pa(X)，其概率分布可以表示为P(X|Pa(X))。

这个条件概率可以通过计算来得到，其中Pa(X)是节点X的父节点集合。

贝叶斯网络通过联合分布的建立，可以进行推理和预测。

例如，给定部分节点的值，可以通过贝叶斯网络计算其他变量的概率分布。

或者，如果我们知道某些变量的值，可以通过贝叶斯网络来预测其他变量的分布。

二、贝叶斯网络在模式识别中的应用贝叶斯网络在模式识别中的应用很广泛，包括语音识别、图像识别、文本分类等。

本节将以图像识别为例，介绍贝叶斯网络在模式识别中的应用。

1. 图像分类图像分类是计算机视觉领域的一个重要课题，其目的是将图像分为预定义的一些类别。

与传统的机器学习算法相比，贝叶斯网络的优势在于可以考虑到输入数据之间的相关性。

在图像识别中，我们使用贝叶斯网络来建立一个模型，表示输入图像和类别之间的关系。

对于给定的图像，我们可以利用贝叶斯网络来计算其属于每个类别的概率分布，从而进行分类。

2. 物体检测物体检测是计算机视觉领域的另一个重要课题，其目的是在图像中找到特定的目标。

贝叶斯网络可以用于建立一个物体检测模型，在这个模型中，我们可以把物体的位置和大小作为随机变量，使用贝叶斯网络来建立物体位置和大小与输入图像之间的关系。

《模式识别》实验报告-贝叶斯分类一、实验目的通过使用贝叶斯分类算法，实现对数据集中的样本进行分类的准确率评估，熟悉并掌握贝叶斯分类算法的实现过程，以及对结果的解释。

二、实验原理1.先验概率先验概率指在不考虑其他变量的情况下，某个事件的概率分布。

在贝叶斯分类中，需要先知道每个类别的先验概率，例如：A类占总样本的40%，B类占总样本的60%。

2.条件概率后验概率指在已知先验概率和条件概率下，某个事件发生的概率分布。

在贝叶斯分类中，需要计算每个样本在各特征值下的后验概率，即属于某个类别的概率。

4.贝叶斯公式贝叶斯公式就是计算后验概率的公式，它是由条件概率和先验概率推导而来的。

5.贝叶斯分类器贝叶斯分类器是一种基于贝叶斯定理实现的分类器，可以用于在多个类别的情况下分类，是一种常用的分类方法。

具体实现过程为：首先，使用训练数据计算各个类别的先验概率和各特征值下的条件概率。

然后，将测试数据的各特征值代入条件概率公式中，计算出各个类别的后验概率。

最后，取后验概率最大的类别作为测试数据的分类结果。

三、实验步骤1.数据集准备本次实验使用的是Iris数据集，数据包含150个Iris鸢尾花的样本，分为三个类别：Setosa、Versicolour和Virginica，每个样本有四个特征值：花萼长度、花萼宽度、花瓣长度、花瓣宽度。

2.数据集划分将数据集按7:3的比例分为训练集和测试集，其中训练集共105个样本，测试集共45个样本。

计算三个类别的先验概率，即Setosa、Versicolour和Virginica类别在训练集中出现的频率。

对于每个特征值，根据训练集中每个类别所占的样本数量，计算每个类别在该特征值下出现的频率，作为条件概率。

5.测试数据分类将测试集中的每个样本的四个特征值代入条件概率公式中，计算出各个类别的后验概率，最后将后验概率最大的类别作为该测试样本的分类结果。

6.分类结果评估将测试集分类结果与实际类别进行比较，计算分类准确率和混淆矩阵。

第三讲贝叶斯分类器线性分类器可以实现线性可分的类别之间的分类决策，其形式简单，分类决策快速。

但在许多模式识别的实际问题中，两个类的样本之间并没有明确的分类决策边界，线性分类器（包括广义线性分类器）无法完成分类任务，此时需要采用其它有效的分类方法。

贝叶斯分类器就是另一种非常常见和实用的统计模式识别方法。

一、 贝叶斯分类1、逆概率推理Inverse Probabilistic Reasoning推理是从已知的条件（Conditions），得出某个结论（Conclusions）的过程。

推理可分为确定性（Certainty）推理和概率推理。

所谓确定性推理是指类似如下的推理过程：如条件B存在，就一定会有结果A。

现在已知条件B存在，可以得出结论是结果A一定也存在。

“如果考试作弊，该科成绩就一定是0分。

”这就是一条确定性推理。

而概率推理（Probabilistic Reasoning）是不确定性推理，它的推理形式可以表示为：如条件B存在，则结果A发生的概率为P(A|B)。

P(A|B)也称为结果A 发生的条件概率（Conditional Probability）。

“如果考前未复习，该科成绩有50%的可能性不及格。

”这就是一条概率推理。

需要说明的是：真正的确定性推理在真实世界中并不存在。

即使条件概率P(A|B)为1，条件B存在，也不意味着结果A就确定一定会发生。

通常情况下，条件概率从大量实践中得来，它是一种经验数据的总结，但对于我们判别事物和预测未来没有太大的直接作用。

我们更关注的是如果我们发现了某个结果（或者某种现象），那么造成这种结果的原因有多大可能存在？这就是逆概率推理的含义。

即：如条件B存在，则结果A存在的概率为P(A|B)。

现在发现结果A出现了，求结果B存在的概率P(B|A)是多少？例如：如果已知地震前出现“地震云”的概率，现在发现了地震云，那么会发生地震的概率是多少？再如：如果已知脑瘤病人出现头痛的概率，有一位患者头痛，他得脑瘤的概率是多少？解决这种逆概率推理问题的理论就是以贝叶斯公式为基础的贝叶斯理论。

科技情报开发与经济ＳＣＩ－ＴＥＣＨＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ＆ＥＣＯＮＯＭＹ２００７年第１７卷第７期模式识别（ＰａｔｔｅｒｎＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ）最初诞生于２０世纪２０年代，随着４０年代计算机的出现、５０年代人工智能的兴起，模式识别在６０年代初迅速发展成一门学科。

模式识别所研究的理论和方法在很多科学和技术领域中得到了广泛的重视，并且推动了人工智能系统的发展，扩大了计算机应用的可能性。

１模式和模式识别的基本概念通常，我们把通过对具体的个别事物进行观测所得到的具有时间和空间分布的信息称为模式，而把模式所属的类别或同一类中模式的总体称为模式类或简称类。

也有人习惯把模式类称为模式，而把个别具体的模式定为样本，正如面向对象技术中的类与实例的关系一样。

而模式识别是人类的一项基本智能，同时它也是一门主要利用统计学、概率论、计算几何、机器学习、信号处理以及算法的设计等工具从可感知的数据中进行推理的学科。

它与统计学、心理学、语言学、计算机科学、生物学、控制论等都有关系，它与人工智能、图像处理的研究有交叉关系。

例如自适应或自组织的模式识别系统包含了人工智能的学习机制；人工智能研究的景物理解、自然语言理解也包含模式识别问题。

又如模式识别中的预处理和特征抽取环节应用图像处理的技术，图像处理中的图像分析也应用模式识别的技术。

２模式识别方法模式识别研究主要集中在两方面：一是研究生物体（包括人）是如何感知对象的，属于认识科学的范畴；二是在给定的任务下，如何用计算机实现模式识别的理论和方法。

前者是生理学家、心理学家、生物学家和神经生理学家的研究内容，后者通过数学家、信息学专家和计算机科学工作者近几十年来的努力，已经取得了系统的研究成果。

模式识别主要有两种基本的方法，即统计模式识别方法和结构（句法）模式识别方法，与此对应的模式识别系统都由两个过程所组成，即设计和实现。

此外，还有其他诸如模板匹配的方法和神经网络方法等。

万能的贝叶斯决策——应用总结学完《模式识别》一课之后，收获颇多。

说实话，这门课要想学好不简单，但是老师教会我们要掌握方法，不要拘泥于大堆的公式。

方法的思想掌握了，遇到问题以后就可以开阔思路，直接拿来用了。

课上主要讲了四大块，Beyes 决策，概率密度函数估计，线性判别以及聚类和Fuzzy 模式识别。

下面就其中的Beyes 判别一项做一下应用方面的总结，所选材料均来自学校图书馆CNKI 中国学术期刊全文总库。

众所周知，Beyes 公式是统计学里一个非常重要的公式，而Beyes 决策理论方法则是统计模式识别中的一个基本方法。

根据Beyes 决策设计的分类器理论上性能最优，经常被用来作为衡量其他分类器优劣的标准。

当然，要想使用Beyes 理论进行决策，还必须满足几个条件：（1）对象的所有特征观察量，我们设为d 维特征空间，记为],,,[21d x x x d =；（2）要决策分类的类别数，我们设为c 类，用i ω来表示，},,,{21c ωωωω =Ω∈；（3）各类别总体的概率分布，即i ω出现的先验概率)(i p ω；（4）类条件概率密度)|(i x p ω。

知道以上几个条件以后，给定一个观测值x ，我们就可以根据需要利用相应的Beyes 决策规则把它分到相应的类去。

几种决策规则包括：基于最小错误率的Beyes 决策、基于最小风险的Beyes 决策、最小最大决策以及序贯分类方法等。

Beyes 决策理论是模式识别中的一个比较基础的决策方法，应用十分广泛，几乎涉及到了方方面面。

1.医学方面Beyes 决策在医学方面有非常重要的地位，主要应用在医疗诊断中。

比如我们模式识别经典课本中所例举的癌细胞判别的例子。

在医疗诊断中，许多疾病的症状比较相似，即使同一种病，病情的严重程度不同，症状更复杂（如：阑尾炎是慢性，急性还是穿孔；胃癌的早期，中期与晚期等），这就给医生的诊断带来了一定的困难。

利用Beyes 统计决策就可以很好的解决这一问题。

贝叶斯网络在模式识别中的应用随着科技不断发展，模式识别技术已经成为人工智能领域的一个重要分支，广泛应用于自然语言处理、图像识别、信号处理等方面。

模式识别的目的是通过对数据的学习和分析，寻找出数据中的规律和潜在关系，为后续的预测和决策提供有力支持。

其中，贝叶斯网络作为一种强大的工具，正在被越来越多的研究者所关注和采用。

一、了解贝叶斯网络的原理贝叶斯网络是一种基于概率模型的图结构，用于描述变量之间的概率关系。

其中，每个节点表示一个变量，边表示变量之间的依赖关系。

贝叶斯网络可以被看作是一种特殊的有向无环图（DAG），在这个图中，每个节点的状态都是由其父节点状态的概率分布决定的。

一个贝叶斯网络可以由两部分组成：结构部分和参数部分。

结构部分是由节点和边组成的网络拓扑结构，用来表示变量的依赖关系。

而参数部分则是对每个节点的条件概率分布进行估计，通过一个已知的数据样本来得到。

二、作为一种概率推理模型，贝叶斯网络在模式识别中有着广泛的应用。

一方面，它可以被用来对新的样本进行分类，另一方面，它也可以用来进行特征选择和模型构建。

例如，在图像识别中，可以利用贝叶斯网络对图像进行分类。

假设现在要对一个图像进行分类，那么首先需要确定图像中的特征。

这些特征可以是像素的明暗度、色彩、纹理等等。

然后，基于已知数据，可以通过贝叶斯网络建立一个分类模型。

对于任何新的图像，可以利用这个模型对其进行分类，实现自动化的图像识别。

此外，贝叶斯网络也可以被应用于信号处理领域中的故障诊断。

例如，在汽车工业中，可以利用贝叶斯网络对车辆发生的故障进行诊断。

将车辆的各种传感器数据输入给贝叶斯网络模型，该模型可以自动地检测故障，并给出相应的诊断结果。

这种方法不仅降低了人工的诊断成本，而且也提高了诊断结果的准确率。

三、贝叶斯网络的优势和局限性贝叶斯网络作为一种强大的工具，在模式识别中具有很多优势。

首先，它可以帮助我们理解复杂模型中各变量之间的关系。

其次，它可以有效地处理不完整或噪声数据，从而提高模型的精度和鲁棒性。