正则化FDA的核化及与SVM的比较研究
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正则化和最优化算法正则化和最优化算法是机器学习中常用的两个概念,它们在模型训练和优化过程中起着重要的作用。
本文将介绍正则化和最优化算法的概念、原理以及在机器学习中的应用。
一、正则化正则化是为了防止模型过拟合而引入的一种方法。
在机器学习中,我们通常会遇到两种情况:欠拟合和过拟合。
欠拟合指的是模型无法很好地拟合训练数据,而过拟合则是指模型过于复杂,过度拟合了训练数据,导致在新数据上表现不佳。
为了解决过拟合问题,我们可以通过正则化来限制模型的复杂度。
常用的正则化方法有L1正则化和L2正则化。
L1正则化通过在损失函数中增加L1范数的惩罚项,使得模型的权重向量趋向于稀疏,即某些权重变为0,从而达到特征选择的效果。
L2正则化则是在损失函数中增加L2范数的惩罚项,使得模型的权重向量变得更小,从而减小模型的复杂度。
正则化可以有效地减少模型的过拟合程度,提高模型的泛化能力。
二、最优化算法最优化算法是为了求解最优化问题而设计的一类算法。
在机器学习中,我们通常需要通过优化算法来求解模型的参数,使得模型在训练数据上的损失函数最小化。
最优化算法的目标是找到使得损失函数取得最小值的参数。
常用的最优化算法有梯度下降法和牛顿法。
梯度下降法是一种迭代算法,通过计算损失函数对参数的梯度,并沿着梯度的反方向更新参数,以此来逐步减小损失函数的值。
梯度下降法的优点是简单易实现,但可能会陷入局部最优解。
牛顿法是一种基于二阶导数信息的优化算法,它通过计算损失函数的一阶导数和二阶导数来更新参数,具有更快的收敛速度,但计算复杂度较高。
三、正则化和最优化算法的应用正则化和最优化算法在机器学习中有广泛的应用。
在回归问题中,通过正则化可以控制模型的复杂度,避免过拟合。
在分类问题中,正则化可以提高模型的泛化能力,减小分类错误率。
在神经网络中,正则化可以通过限制权重的大小来防止过拟合。
最优化算法则用于求解模型的参数,使得模型在训练数据上的损失函数最小化。
几种SVM的优劣性比较尹丽东;范丽亚【摘要】支持向量机(Support Vector Machine, SVM)是将样本进行分类和回归的一种强大的数学工具,尤其是对高维领域,效果尤为显著.支持向量机工作原理是针对样本数据集,寻找决策函数来对样本数据进行分类的.如今已经衍生出多种SVM 的相关模型.最为常见是有孪生支持向量机(T-SVM),正则化支持向量机(RT-SVM),最小二乘支持向量机(LSSVM).这几类模型的出发点和建构模型的思想有些许不同之处.本文则选取了三种常见的SVM模型,分析和比较它们之间的优势以及劣势, 能让读者更加深入的了解这类算法, 并且在实际问题中更具有选择应用性.【期刊名称】《聊城大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2017(030)002【总页数】6页(P14-19)【关键词】支持向量机;有效稀疏;;孪生支持向量机;正则化支持向量机【作者】尹丽东;范丽亚【作者单位】聊城大学数学科学学院,山东聊城252059;聊城大学数学科学学院,山东聊城252059【正文语种】中文【中图分类】O224目前的时代是一个“大数据”的时代,当人们谈到“大数据”时候, 首先映入脑海的就是海量的数据和高维的数据,如网络挖掘、网络信息更新、基因表示分析、高频金融数据等.如何能在海量高维的数据中挖掘提取出有用信息,并且利用这些有用信息,来进行数据分析是非常必要的一个研究领域和研究方向, 也是广大研究学者非常关注的一个研究方向..众所周知, 在海量数据中挖掘提取出有用信息,这工作量往往也是非常庞大的, 利用这些有用信息进行数据分析与处理, 一般都会导致算法学习时间过与慢长, 甚至达到失效的结果.而支持向量机(Support Vector Machine, SVM)[1]作为数据监督学习[2]的一个强而有力工具, 为了降低其计算复杂程度, Suykens等人[3]提出了最小二乘SVM (Least Squares SVM, LSSVM).支持向量机,自1995年提出之后, 应用数学的学者们得到了广泛的关注和研究, 并应用于诸多领域, 如人脸检测识别、语音识别、文字手写体识别、图像处理等领域.然而,我们研究发现SVM所具有的稀疏性对于处理大数据和分析问题也是极其重要的.之后,2007年, Jayadeva等人[8]针对二类分类问题提出了孪生SVM(Twin SVM, TSVM), 它是主要思想是解决两个规模较小的二次规划问题,而不是一个大规模的二次规划问题, 从而得到两个非平行超平面, 使每个超平面距离一类尽可能近,而距离另一类尽可能远.TSVM的计算速度比SVM快很多, 通过理论计算推导,其计算速度大约是SVM速度的4倍, 从而大大缩减了算法的学习时间, 对于处理这类海量高维的大数据非常有帮助. 但是TSVM仍然需要求解两个二次规划问题, 当学习的数据样本数据较大时, 仍然有比较高的计算复杂性.为了解决此问题, Kumar等人[9]提出了最小二乘TSVM (Least Squares TSVM, LSTSVM).接下来的部分,我们对分类器(Support vector classification,SVC)和孪生支持向量机(Twin Support vector Machine,TSVM)等作简要概述和比较研究.考虑二类分类问题的训练集T={(x1,y1),(x2,y2),…,(xm,ym)},其中xi∈Rn是输入值,yi∈{+1,-1}是对应的输入向量.线性分类器寻找一个分类超平面其中w∈Rn是法向量,b∈R是阈值.通过使用软间隔损失函数测量经验风险,通过引入正则项1/2‖w‖2和松弛向量ξ=(ξ1,…,ξm),分类器的原始问题可以写成如下形式其中C>0是参数.使得正则项1/2‖w‖2最小化等价于两个平行的支持超平面wTx+b=1和wTx+b=-1之间的间隔最大化,其中ξi≥0, i=1,…,n为松弛变量, C>0为调节参数. 若令2ξ=(ξ1,…,ξm)T, 则问题(2)可表示为矩阵形式考虑问题(3)的Lagrange函数并令∂L/∂w=∂L/∂b=∂L/∂ξ=0, 可得w=XYα,yTα=0,0≤α≤Ce, 其中是Lagrange 乘子向量. 进而得问题(3)的Wolfe对偶形式:显然, 问题(4)是一个QPP, 其计算复杂性为O(m3).得到问题(3)的最优解后, 便可计算并利用某个支持向量(即对应的输入样本xj)计算进而可构造最优分类超平面〈w*,x〉+b*=0, 使得y=sign(〈w*,x〉+b*).通过理论推导计算,我们不难发现软间隔SVM的优点,其具有稀疏性,还有较强的推广能力.但这种软间隔支持向量机需要求解一个QPP. 当样本个数m较大时, 无疑会导致计算时间变长.本节主要介绍几种具有代表性的支持向量机, 并且对它们各自的优势和劣势加以分析比较.(注:本节所用符号同上一节).2.1 孪生支持向量机(T-WSVM)现考虑如下问题.假定用A∈Rm1×n所有表示正类的数据点,Ai∈Rn表示A的第i 行.类似地,用B∈Rm2×n表示负类的数据点.线性TWSVM寻求一对非平行超平面每一个超平面都逼近其中一类数据点,并且远离另一类,其中w1∈Rn,w2∈Rn,b1∈R,b2∈R.经验风险可以由以下式子来测量其中c1>0和c2>0为参数.通过引入松弛向量ξ,ξ*,η和η*,原始问题可以表示为和为了得到相应的对偶问题,TWSVM假设HTH和GTG都是非奇异的,其中H=[Ae1],G=[B e2].在此条件下,对偶问题分别是和为处理HTH和GTG奇异和避免病态的情况, (HTH)-1和(GTG)-1可以分别由(HTH+εI)-1和(GTG+εI)-1来代替,其中I是合适维数的单位阵,ε是一个正标量.因此以上偶对问题可以修改为和通过获得非平行超平面.其中v1=[w1 b1],v2=[w2 b2].应该特别说明的是,严格来说,由于(8)和(12)的不同v1和v2不再是(8)-(9)的结论,它只能是近似结果. T-SVM 的优点,相对于SVM,计算时间大大缩减了,经过理论推导为其计算时间在理论上应该是SVM计算时间的四分之一.但是T-SVM却丧失了稀疏性.2.2 最小二乘SVM (LSSVM)LSSVM是将问题(1)的目标函数中的一次惩罚改为二次惩罚将不等式约束改为等式约束,从而得到的如下二次规划问题:这样做的目的是加快SVM的学习时间. 显然, 问题(15)可以转化为无约束最优化问题:令∂f(w,b)/∂w=∂f(w,b)/∂b=0, 可得记则(17)式可简化为为不失一般性, 可设对称非负定阵H+CGGT是非奇异阵(否则将其正则化), 于是有进而可构造最优分类超平面〈w*,x〉+b*=0使得y=sign(〈w*,x〉+b*).从上述的推导过程中可以得出, LSSVM只需要求解线性方程组(7), 无需求解问题(3), 大大减少了SVM的计算复杂程度, 这是LSSVM的一个较好的优点. 但从问题(6)可以看出, LSSVM又失去了SVM所具有的稀疏性,并且需要求解矩阵H+CGGT 的逆矩阵, 当样本的特征个数n较大时, 求解这个逆矩阵,又会花费较长时间, 这就是LSSVM的不足之处.2.3 正则项支持向量机(RTSVM)考虑模型(18)的wolf对偶形式,考虑其lagrange函数令得进而有将(22)式带入到lagrange函数中,并使用(15)式,得到对偶问题同样地,可以得到(16)式的对偶问题这里,γ是lagrange乘子,v2=[w2b2]T可以由以下求得一旦问题(15)和(16)分别由(20)和(21)得到(w1b1)和(w2b2),一个新的点x∈Rn被分配到类i(i=+1,-1),它距离(3)中最近的超平面其中是绝对值.2.4 L2-SVM令H=[Ae1],G=[Be2],我们得到(27)和(28)的对偶问题一个新的点x∈Rn被分配到类i(i=+1,-1),它距离(5)中最近的超平面其中表示绝对值.本文是分析和比较了几种较具代表性的SVM型算法的优劣势,发现了经典的LSSVM虽然降低了SVM的计算复杂程度,但是同时又缺失了SVM所具有的稀疏性特点,而且当样本数量较大时,还需要求解矩阵的逆矩阵,这样又增加了计算复杂性.LSTSVM虽然比LSSVM计算时间快一些, 但我们知道,其同样不具有稀疏性,而且还需要求逆矩阵.所以,SVM学习算法的计算复杂程度和稀疏性对于分析和处理大数据来说,是非常重要的两个因素,特别是对高维数据.为此,学者们对LSSVM 和LSTSVM做了改进和推广, 提出了SP-LSSVM, ε-LSSVM, ε-WLSSVM等具有稀疏性的学习算法. 类似于SP-LSSVM, ε-LSSVM和ε-WLSSVM, 针对LSTSVM也可以提出具有稀疏性的学习算法, 因篇幅有限, 本文不再加以具体讨论.【相关文献】[1] 邓乃扬, 田英杰. 数据挖掘中的新方法: 支持向量机[M]. 北京科学出版社, 2006.[2] Deng N Y, Tian Y J. 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svm核函数1. SVM核函数简介SVM核函数是支持向量机(Support Vector Machines,SVM)的一种有效的分类优化算法。
它的重要特点在于,用于非线性分类的转换方法,即使用特定的函数将非线性可分数据隐式地映射到特征空间,这可使得原本非线性可分的样本在特征空间中变得完全线性可分。
SVM核函数是这个转换过程中的关键技术,其作用是判定两个实例之间的关系,通过计算他们之间的距离,根据距离的大小,来确定实例之间是否为正确分类。
2. SVM核函数的作用SVM核函数的作用是将非线性可分的样本变换成特征空间的完全线性可分的样本,使其变得完全分割出来,从而达到最佳的分类结果。
SVM核函数重要的特点是高效性,即通过所构造的内积函数,计算两个样本的相似度,从而对数据进行精准的分类。
3. SVM核函数的种类(1)线性核函数:分类数据线性可分时,采用的是线性核函数,其函数形式为K(x,y) = x*y;(2)多项式核函数:用于分类数据线性不可分时,采用的是多项式核函数,其函数形式为K(x, y) = (x*y+1)^p ;(3)高斯核函数:对于一些更为复杂的分类任务,可以采用高斯核函数,其函数形式为K(x, y) = exp(-gamma*|x-y|^2) ;(4)径向基核函数:当数据的维度较多时,可以考虑使用径向基核函数,其函数形式为K(x, y) = exp(-gamma*|x-y|^2)4. SVM核函数的未来SVM核函数算法在机器学习和模式识别领域有着广泛的应用,以其具有鲁棒性好,容忍误差率较高,泛化性能强,易于解释等特征,正在,已经在语音识别、垃圾邮件分类、文本分类、医学领域的癌症分类、图像识别与图像检索中得到了广泛的应用。
SVM核函数也展示出强大的扩展性,多样的核函数可能会遇到不同的情况,为此,有助于提高机器学习的性能,有助于提高深度学习的技术成效。
在未来,SVM核函数将被更多的应用在实践中,能够为现有模型带来更大的价值,从而带来更多的收益,扩大交流领域。
支持向量机中的正则化方法与参数调优支持向量机(Support Vector Machine,简称SVM)是一种常用的机器学习算法,在分类和回归问题中都有广泛的应用。
正则化方法和参数调优是SVM中非常重要的概念和技巧,能够有效地提高模型的泛化能力和性能。
正则化是指在目标函数中引入一个正则项,用来控制模型的复杂度。
常见的正则化方法有L1正则化和L2正则化。
L1正则化通过在目标函数中加入参数的绝对值之和,可以实现特征选择,即将一些不重要的特征的权重置为0。
而L2正则化通过在目标函数中加入参数的平方和,可以防止模型过拟合,使得参数的值更加平滑。
参数调优是指通过调整模型的参数,使得模型的性能达到最佳。
在SVM中,有两个重要的参数需要调优,分别是惩罚参数C和核函数的参数。
惩罚参数C用来平衡模型在训练集上的拟合程度和在测试集上的泛化能力,C越大,模型在训练集上的拟合程度越高,但可能导致过拟合;C越小,模型在测试集上的泛化能力越好,但可能导致欠拟合。
核函数的参数用来调节样本在特征空间中的映射程度,不同的核函数具有不同的映射效果,需要根据具体问题选择合适的核函数和参数。
为了进行参数调优,常用的方法有网格搜索和交叉验证。
网格搜索通过遍历一定范围内的参数组合,计算模型在验证集上的性能,找到最优的参数组合。
交叉验证是一种评估模型性能的方法,将数据集划分为训练集和验证集,多次训练模型并在验证集上评估性能,最后取平均值作为模型的性能指标。
通过交叉验证可以更准确地评估模型的性能,并选择最优的参数组合。
除了正则化方法和参数调优,SVM还有一些其他的技巧和改进方法,如核函数的选择、样本不平衡问题的处理等。
核函数的选择需要根据具体问题的特点来确定,常用的核函数有线性核函数、多项式核函数和高斯核函数等。
样本不平衡问题是指在训练集中正负样本的比例不平衡,可以通过对样本进行重采样或调整类别权重来解决。
总之,正则化方法和参数调优是SVM中非常重要的技巧,能够提高模型的泛化能力和性能。
正则化方法赫森矩阵一、引言在机器学习和数据挖掘领域,正则化方法赫森矩阵作为一种重要的优化手段,得到了广泛的研究和应用。
本文将对正则化方法及其与赫森矩阵的关系进行详细阐述,以期为相关领域的研究者和从业者提供有益的参考。
二、正则化方法概述1.概念解释正则化方法是一种在优化问题中添加惩罚项的方法,目的是在训练模型时防止过拟合现象。
通过引入正则化项,可以对模型的复杂度进行约束,从而在很大程度上提高模型的泛化能力。
2.应用场景正则化方法广泛应用于线性回归、逻辑回归、支持向量机等众多机器学习模型中。
在实际问题中,正则化方法可以根据具体场景和需求进行调整,以达到最佳的优化效果。
三、赫森矩阵简介1.定义及性质赫森矩阵(Hessian Matrix)是描述二次函数在某一点处梯度的一阶导数和二阶导数的矩阵。
在优化问题中,赫森矩阵可以用来表示目标函数的曲率,对于分析函数的极值点和鞍点具有重要意义。
2.与正则化方法的关系赫森矩阵在正则化方法中的应用主要体现在对目标函数的梯度进行修正。
在正则化方法中,梯度下降法的基础上,引入赫森矩阵可以得到更为稳定和收敛速度更快的优化算法。
四、正则化方法与赫森矩阵在实际应用中的案例分析1.案例一1.问题描述:线性回归模型在面临大量数据时,容易出现过拟合现象。
2.解决方案及步骤:采用岭回归(Ridge Regression)正则化方法,在目标函数中加入赫森矩阵乘以惩罚项,从而约束模型的复杂度。
2.案例二1.问题描述:支持向量机(SVM)在处理高维数据时,可能出现拟合不佳的现象。
2.解决方案及步骤:引入赫森矩阵的正则化方法,如核岭回归(Kernel Ridge Regression),可以提高模型的泛化能力。
五、正则化方法与赫森矩阵的优缺点对比1.优点正则化方法和赫森矩阵的结合可以有效防止过拟合现象,提高模型的泛化能力。
同时,赫森矩阵可以反映出目标函数的曲率信息,有助于寻找全局最优解。
2.缺点计算赫森矩阵的过程较为复杂,可能导致计算量过大。
envi svm 参数在ENVI中,SVM参数设置主要包括以下几个方面:1.核函数(Kernel):SVM通过核函数将输入数据从低维空间映射到高维空间,以便更好地进行线性或非线性分类。
常见的核函数有线性核函数、多项式核函数和径向基函数(RBF)等。
不同的核函数对应不同的特征映射方式,因此选择合适的核函数对分类结果至关重要。
2.C值:C值是SVM中一个重要的正则化参数,控制了错误样本对模型损失函数的惩罚程度。
较小的C值会使得模型更容忍误分类样本,并生成更大的决策边界;较大的C值则会强制模型更加关注每个样本的分类准确性。
根据具体问题的复杂程度和数据噪声情况,需要适当调整C值以平衡分类错误和过拟合之间的关系。
3.Gamma值:这个参数控制了样本错误与分类刚性延伸之间的平衡,默认值是100。
4.Pyramid Levels:设置分级处理等级,用于SVM训练和分类处理过程。
此外,在SVM参数设置面板中,还有以下选项:Kernel Type:下拉列表里选项有Linear,Polynomial,Radial Basis Function,以及Sigmoid。
如果选择Polynomial,还需要设置一个核心多项式的次数用于SVM。
如果选择Polynomial、Radial Basis Function、Sigmoid,需要设置Gamma in Kernel Function参数。
Support Vector Regression(SVR):支持向量回归,用于构建回归模型。
One-Class SVM(OCSVM):用于进行异常检测和一分类问题。
在使用这些参数时,可能需要根据具体的数据和问题来调整和优化参数设置,以获得最佳的分类效果。
正则化是机器学习中非常重要的一种技术,通过对模型的复杂性进行限制,防止模型过拟合训练数据。
本文将从什么是正则化、正则化的种类、1正则化、1范数作为复杂性惩罚项、2正则化、2范数作为复杂性惩罚项、正则化的实现方法、正则化的效果、正则化的应用等方面进行通俗易懂的讲解。
什么是正则化正则化是一种通过修改模型以降低复杂性的过程。
它可以帮助我们避免模型过度拟合训练数据,从而在新的数据上表现不佳。
正则化可以通过增加一个惩罚项来实现,这个惩罚项会根据模型的复杂性来进行加权,使得较为简单的模型更受欢迎。
正则化的种类正则化主要分为1正则化和2正则化两种类型。
1正则化侧重于使模型中每个系数的绝对值变小,而2正则化则侧重于使模型中所有系数的平方和变小。
在实践中,1正则化通常用于文本分类等任务,而2正则化则更适用于回归等任务。
1正则化1正则化是一种常用的正则化方法,它通过对模型中每个系数的绝对值进行惩罚,来降低模型的复杂性。
具体来说,1正则化项的表达式为:L1(w) = ||w||_1 = sum(abs(w_i)),其中w为模型中的系数向量,w_i表示第i个系数。
在训练过程中,模型会尝试最小化损失函数和1正则化项之和,从而得到较为简单的模型。
1范数作为复杂性惩罚项1范数可以作为复杂性惩罚项来使用,它表示了模型中所有系数的绝对值之和。
在训练过程中,如果模型的系数向量w的1范数较小,说明该模型的复杂性较低,更有可能被选择。
使用1范数作为复杂性惩罚项的优点是可以防止模型过拟合训练数据,缺点是可能会导致某些重要特征的系数变得很小,影响模型的表现。
2正则化2正则化是一种常用的正则化方法,它通过对模型中所有系数的平方进行惩罚,来降低模型的复杂性。
具体来说,2正则化项的表达式为:L2(w) = ||w||_2^2 = sum(w_i^2),其中w为模型中的系数向量,w_i表示第i个系数。
在训练过程中,模型会尝试最小化损失函数和2正则化项之和,从而得到较为简单的模型。
支持向量机(SVM)是一种广泛使用的监督学习算法,主要用于分类任务。
SVM的基本结构可以分为以下几个核心部分:1. 数据集:SVM算法输入的是一个包含多个样本的数据集,每个样本由一组特征和一个标签组成。
2. 特征空间:SVM的第一步是将原始数据映射到一个更高维度的特征空间。
这样做通常是为了找到一个合适的分离超平面,该超平面能够最好地分隔不同的类别。
3. 支持向量:在特征空间中,最靠近分离超平面的训练样本点被称为支持向量。
这些点是决定超平面位置的关键因素。
4. 分离超平面:SVM的目标是找到一个超平面,它能够最大化两个类别之间的间隔(即支持向量之间的距离)。
5. 软间隔:在实际应用中,可能存在一些难以精确分类的样本。
为了提高模型的泛化能力,SVM允许存在一些违反分类规则的样本,即引入软间隔的概念,允许一定的误分类。
6. 最优边界:除了寻找一个合适的分离超平面之外,SVM也致力于使离群点(即那些距离超平面最近的点)尽可能远离决策边界。
7. 核函数:当数据不是线性可分的时候,SVM通过使用核技巧将数据映射到更高维的空间,使之变得线性可分。
常用的核函数包括线性核、多项式核、径向基函数(RBF)核和sigmoid 核。
8. 正则化:为了避免过拟合,SVM可以通过引入正则化项来控制模型的复杂度。
常见的正则化技术包括L1正则化和L2正则化。
9. 优化问题:SVM的目标函数可以通过拉格朗日乘子法转换成一个凸优化问题,该问题可以通过各种优化算法求解,例如序列最小优化(SMO)算法。
SVM的结构和原理使得它非常适合处理中小规模的数据集,并且在许多实际应用中取得了很好的性能。
然而,当面对非常大的数据集时,SVM可能会遇到计算效率和存储效率的问题。
svm 高斯核函数
SVM(支持向量机)是一种用于分类和回归的机器学习算法。
在实践中,SVM通常使用高斯核函数。
高斯核函数是一种基于距离的相似度度量方法,它将数据点映射到高维特征空间中,使得数据在该空间中更容易分离。
使用高斯核函数的SVM具有在复杂分类任务中表现出色的能力。
在实现SVM时,高斯核函数的参数选择和正则化参数的选择会对模型的性能产生重要影响。
因此,需要进行交叉验证和参数调整来优化模型。
在实践中,高斯核函数的使用需要考虑一些问题,例如数据集规模和特征选择等。
因此,在使用高斯核函数的SVM时,需要仔细考虑数据集的性质,并谨慎选择参数。
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支持向量机中正则化参数的选择方法支持向量机(Support Vector Machine,简称SVM)是一种常用的机器学习算法,广泛应用于分类和回归问题。
在SVM模型中,正则化参数是一个重要的超参数,它用于控制模型的复杂度和泛化能力。
选择合适的正则化参数对于模型的性能至关重要。
本文将介绍支持向量机中正则化参数的选择方法。
一、正则化参数的作用正则化参数在SVM中起到了平衡模型复杂度和泛化能力的作用。
正则化参数越大,模型的复杂度越低,容易过拟合训练数据;正则化参数越小,模型的复杂度越高,容易欠拟合训练数据。
因此,选择合适的正则化参数可以使模型在训练数据和未知数据上都有较好的表现。
二、交叉验证方法交叉验证是一种常用的模型选择方法,可以用于选择正则化参数。
交叉验证将训练数据划分为若干个子集,然后将其中一个子集作为验证集,其余子集作为训练集。
通过不断调整正则化参数,计算模型在验证集上的性能指标,如准确率、精确率、召回率等,选择性能最好的正则化参数作为最终的选择。
三、网格搜索方法网格搜索是一种常见的参数选择方法,也可以用于选择正则化参数。
网格搜索将正则化参数的取值范围划分为一个网格,然后遍历网格中的每个参数组合,计算模型在验证集上的性能指标。
最终选择性能最好的正则化参数。
网格搜索方法简单直观,但是计算复杂度较高,需要遍历所有的参数组合。
四、启发式方法除了交叉验证和网格搜索方法,还有一些启发式方法可以用于选择正则化参数。
例如,可以通过观察模型在训练集上的拟合程度来判断正则化参数的选择。
如果模型在训练集上过拟合,可以增大正则化参数;如果模型在训练集上欠拟合,可以减小正则化参数。
此外,还可以使用正则化路径方法,通过逐步增大或减小正则化参数的方式选择最优参数。
五、经验法则在实际应用中,还存在一些经验法则可以用于选择正则化参数。
例如,在SVM中,常用的正则化参数选择范围是10^-3到10^3之间。
如果数据量较小,可以选择较大的正则化参数;如果数据量较大,可以选择较小的正则化参数。
第27卷第3期 2010年3月 计算机应用研究 Application Research of Computers Vo1.27 No.3 Mar.2010
正则化FDA的核化及与SVM的比较研究球 于春梅,潘泉,程咏梅,张洪才 (西北工业大学自动化学院,西安710072)
摘要:无论是Fisher判别分析(FDA)还是基于核的FDA(KFDA),在小样本情况下都会面临矩阵的病态问题, 正则化技术是解决该问题的有效途径。为了便于研究正则化FDA与支持向量机(SVM)的关系,推导了一种正 则化FDA的核化算法。将约束优化问题转换为对偶的优化问题,得到了与SVM相似的形式,分析了该核化算法 与SVM的联系。针对Tenessee—Eastman(TE)过程的故障诊断结果表明,正则化KFDA的诊断效果明显好于LS— SVM。 关键词:正则化;Fisher判别分析;核方法;凸优化;支持向量机 中图分类号:TP18 文献标志码:A 文章编号:1001—3695(2010)03—0897—02 doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2010.03.024
Kernel form of regularized FDA and comparison study with SVM YU Chun—mei,PAN Quan,CHENG Yong—mei,ZHANG Hong—cai (College ofAutomation,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)
Abstract:Whereas small sample size(3S)problem will be arose in both FDA and KFDA.Regularized FDA iS an effective SOlution for this problem.To study the comparison of regularized FDA and support vector machine(SVM),this paper derived a novel kernel form of regularized FDA.which transfered optimization problem with constraint to optimization problem in dual space.0btained the kernel forill which similar to SVM and gave the links with SVM.Simulation results for Tenessee—Eastman (TE)process show that regularized KFDA get better diagnosis effects than least squares SVM(LS.SVM). Key words:regularization:Fisher discriminant analysis:kernel methods:convex optimization;SVM
0 引言 FDA是一种常用的线性分类算法,它通过寻找从原始空 间到新空间的线性变换,使得变换后的数据类内离散度最小、 类间离散度最大,是一种在故障诊断、模式分类领域广泛应用 的降维技术。虽然FDA具有概念简单、易于实现的优点,但其 无法提取数据中的非线性关系。Mika等人 首先提出将核函 数引入FDA,其基本思想是首先将数据从原始输入空间非线 性地映射到某一个高维的特征空间中,在高维特征空间中设计
一个线性算法,并用满足Mercer条件的核函数来代替内积运 算,从而推导出一个与样本数有关、与样本维数无关的优化问 题,这称为线性问题的核化算法。只有推导出核化算法,才能 将其应用于实际程序。正是基于这个原因,许建华等人 给 出了经典线性算法的核形式。也有不少文献将核化算法应用 于模式识别领域,取得了较好的效果 。但FDA和KFDA在 离散度矩阵奇异(小样本)时难以应用,尤其是KFDA,其小样 本问题更为突出。对于多数工业过程来说,获取各种工况的数 据样本通常是比较困难的,而且要耗费大量人力和财力。因此 如何在数据量有限或者小样本下取得较为满意的结果,这是值
得研究的课题。 正则化技术是为了专门处理该问题而提出来的数学方法, 其作用是控制算法的泛化能力、提高数值计算的稳定性、改善 迭代算法的收敛性。O’Sullivanl4 的综述中给出了不少正则化 技术成功应用的例子。对于正则化Fisher判别式的核化,典型 的方法是转换为广义特征值问题的求解 ,但这种方法不方 便研究其与SVM的关系。本文提出了一种将约束优化问题转 换为对偶优化问题的方法,便于研究其与支持向量机的关系。 已经有不少学者对KFDA与其他核方法的关系进行了研 究,Gestel等人 将KFD和LS—SVM统一在Bayesian框架下; Xu Jian—hua等人 推导了KFD、LS—SVM及KRR三者的关系; 孙平等人 得出了核典型相关分析与KFD几乎是完全等价的 结论。这些文献都是从不同核方法的解的形式而得出的结论。 本文则从优化问题本身理论上得出KFDA与SVM的关系,还 以TE过程 故障0、故障1、故障2数据为例,给出正则化KF— DA与SVM的故障诊断结果比较。
1 Fisher判别式的正则化 考虑两类分类问题,样本X={ ,x2,…, }。类1的样 收稿日期:2009—07—13;修回日期:2009—08.12 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60634030,60702066);高校博士点专项基金资 助项目(20060699032) 作者简介:于春梅(1970.),女,江苏如皋人,副教授,硕士,主要研究方向为系统辨识、故障诊断、模式识别等(y ̄cm@sohu.com);潘泉 (1961一),男,上海人,教授,博导,主要研究方向为动态系统建模、信息融合、多目标跟踪等;程咏梅(1960一),女,陕西西安人,教授,博士,主要研究 方向为信息融合、复杂环境下机动运动目标建模、数据关联、主动及被动式跟踪;张洪才(1938一),男,上海人,教授,博导,主要研究方向为非线性估 计与控制、系统辨识、故障诊断与容错控制、目标跟踪、模式识别等. ・898・ 计算机应用研究 第27卷 本数量为 个,表示为{ , ,…,硝};类2的样本数量为z: 个,表示为{ ,《,…,砭};输出Y=[Y。,Y ,…,Y ] ; , , ∈R ,Y ∈{±1},i=1,2,-一,fl, =1,2,…,f2,k=1,2,…,f, z +12:f。为了衡量类内、类间数据的分离程度,定义类问离 散度矩阵为 =(ml—m2)(mI一 ) (1) 类内离散度矩阵为
s : 2 ,(xl—m-)( 一m )T/l + 言(《一m2)( 一m2) l1
(2) 其中:m 、m2分别为两类数据的均值向量,m- 1 ,m2=
古 。 FDA的任务是寻找从原始空间到新空间的线性变换W, 使得 SbW尽量大,同时 W最小,即FDA最大化Fisher 准则函数(广义Rayleigh商)。
)=寒 (3)
对高维数据,类内离散度矩阵 可能是病态的(如果z< 则为奇异),这样数据的微小变化会导致 和解W大的变 化,即其对噪声非常敏感导致差的泛化能力。 针对该问题的一个有效解决方案是对 增加一个对角 阵的方法,即对Fisher判别式进行正则化处理 ],问题重新描 述为 w S^W ,( ) ‘ )
考虑到FDA不能提取数据的非线性特征,其对应的核化 算法应运而生。对于该问题,一般采用先将FDA核化,再正则 化的策略。本文推导一种新的正则化FDA的核化算法。
2正则化FDA的凸优化解法 根据优化理论,正则化Fisher判别式还可等价地由下式来 描述: rainjCw): ts ”W s.t.wTSbW=D (5) 考虑最大间隔分类器的约束条件 s.t.Y (( , )一6)≥1,i=1,2,…,1 (6) 将上式分开写成等价的两个式子 (W, )一b≥1,i=1,2,…,zl (W, )一6≥1,i=1,2,…,l2 (7) 整理得 wT(m1一tn2)I>2 (8) 即 wTSbw≥4 (9) 若将式(5)的约束条件用上式代替,其解即最优超平面的 方向不变(不考虑偏置项b),而且因为不等式约束解满足KKT 条件,因而具有稀疏性。优化问题重新描述为
min.,( )=— 1 ( ,)W (1o) s.t.Y ((W, )一6)≥1,i=1,2,…,l 下面仿照支持向量机的方法求解上述优化问题的核化算
法。设 = ,, =s w, = ,则有 ÷ ( + 0w=÷( w) (-。 1/2w)= 一W(11)
和 <W,x/)=(s W, )=(W, ) (12) 式(10)的优化问题重新写成
rain,( )=÷ W s.t.Y ((W, )一b)≥1,i=1,2,…, 上式可转换为对偶优化问题
m axL(ct)= 一寺 otjy ygx;, ) ( 。)
s...t 三 O/ =0, />0 这样,根据Schislkopf等人的理论 ,可将上式的点积运算 用核函数代替,从而得到正则化FDA的核化算法,分类函数的 形式可用线性分类器或者Bayes分类器。 式(1O)的实质是对分类间隔和类内离散度矩阵指标的 折中,这与Xiong Tao等人 叫提出的混合LDA/SVM方法等 价; 的大小决定了正则作用的强弱,也即对结构风险控制的 程度, 越大,算法的泛化能力越强。硬间隔SVM与式(13) 在类内离散度矩阵为单位阵且取 =0时等价;或者也可以 将算法看成经验风险为类内离散度矩阵的SVM,两者的折中 由正则项调节。
3仿真比较 以TE过程故障0、故障1、故障2数据为例,采用核Bayes 分类函数直接进行三类故障的诊断…J,在正则参数取0.叭时 的最优核参数C、降维矩阵维数a及相应的误分率如表1所示。 最优参数同样采用网格法选取,其中核参数从5O变化到 2 000,间隔50;降维矩阵维数从2变化到l7,间隔3。特征的 选择另外详细描述,选择的结果是变量44、47和1。表1中误 分率代表漏报、误警及错分之和的百分比,SS代表样本数量。 表1 正则化KFDA的最优参数及误分率( =O.叭)
作为核方法的最早应用,近十多年来,SVM得到了飞速的 发展,尤其被公认为对解决小样本问题特别有效。为了比较 KFDA与SVM的诊断效果,表2中列出了LS—SVM在不同样本 下的最优参数及误分率。这里的程序采用陆振波博士公开的 IJS—SVM代码” 。最优参数同样采用网格法选取,经多次仿 真,选择核参数在0.5—50变化,间隔0.5;折中参数在0.01~ 0.2变化,间隔0.O1。特征的选择与KFDA相同,二类到多类 的编码采用最小误分率方案。 表2 SVM的最优参数及误分率