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  • 统计模式识别的基本原理是:有相似性的样本在模式空间中互相接近,并形成“集团”,即“物以类聚”。其分析方法是根据模式所测得的特征向量...统计模式识别的主要方法有:判别函数法, k近邻分类法,非线性映射法,...

    统计模式识别的基本原理是:有相似性的样本在模式空间中互相接近,并形成“集团”,即“物以类聚”。其分析方法是根据模式所测得的特征向量Xi=(xi1,xi2,…,xid)T(i=1,2,…,N),将一个给定的模式归入C个类ω1,ω2,…, ωc中,然后根据模式之间的距离函数来判别分类。其中,T表示转置;N为样本点数;d为样本特征数。

    统计模式识别的主要方法有:判别函数法, k近邻分类法,非线性映射法,特征分析法,主因子分析法等。

    在统计模式识别中,贝叶斯决策规则从理论上解决了最优分类器的设计问题,但其实施却必须首先解决更困难的概率密度估计问题。BP神经网络直接从观测数据(训练样本)学习,是更简便有效的方法,因而获得了广泛的应用,但它是一种启发式技术,缺乏指定工程实践的坚实理论基础。
    统计推断理论研究所取得的突破性成果导致现代统计学习理论——VC理论的建立,该理论不仅在严格的数学基础上圆满地回答了人工神经网络中出现的理论问题,而且导出了一种新的学习方法——支撑向量机。
    人工智能、大数据、云计算和物联网的未来发展值得重视,均为前沿产业,多智时代专注于人工智能和大数据的入门和科谱,在此为你推荐几篇优质好文:
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  • 典型的神经网络模型主要分3大类:以感知机、BP反向传播模型、函数型网络为代表的,用于分类、预测和模式识别的前馈式神经网络模型;以Hopfield的离散模型和连续模型为代表的,分别用于联想记忆和优化计算的反馈式神经...

    ⑴神经网络方法
       神经网络由于本身良好的鲁棒性、自组织自适应性、并行处理、分布存储和高度容错等特性非常适合解决数据挖掘的问题,因此近年来越来越受到人们的关注。典型的神经网络模型主要分3大类:以感知机、BP反向传播模型、函数型网络为代表的,用于分类、预测和模式识别的前馈式神经网络模型;以Hopfield的离散模型和连续模型为代表的,分别用于联想记忆和优化计算的反馈式神经网络模型;以ART模型、Koholon模型为代表的,用于聚类的自组织映射方法。神经网络方法的缺点是"黑箱"性,人们难以理解网络的学习和决策过程。

    ⑵遗传算法

    遗传算法是一种基于生物自然选择与遗传机理的随机搜索算法,是一种仿生全局优化方法。遗传算法具有的隐含并行性、易于和其它模型结合等性质使得它在数据挖掘中被加以应用。

    Sunil已成功地开发了一个基于遗传算法的数据挖掘工具,利用该工具对两个飞机失事的真实数据库进行了数据挖掘实验,结果表明遗传算法是进行数据挖掘的有效方法之一[4]。遗传算法的应用还体现在与神经网络、粗集等技术的结合上。如利用遗传算法优化神经网络结构,在不增加错误率的前提下,删除多余的连接和隐层单元;用遗传算法和BP算法结合训练神经网络,然后从网络提取规则等。但遗传算法的算法较复杂,收敛于局部极小的较早收敛问题尚未解决。

    ⑶决策树方法

    决策树是一种常用于预测模型的算法,它通过将大量数据有目的分类,从中找到一些有价值的,潜在的信息。它的主要优点是描述简单,分类速度快,特别适合大规模的数据处理。最有影响和最早的决策树方法是由Quinlan提出的著名的基于信息熵的ID3算法。它的主要问题是:ID3是非递增学习算法;ID3决策树是单变量决策树,复杂概念的表达困难;同性间的相互关系强调不够;抗噪性差。针对上述问题,出现了许多较好的改进算法,如Schlimmer和Fisher设计了ID4递增式学习算法;钟鸣,陈文伟等提出了IBLE算法等。

    ⑷粗集方法

    粗集理论是一种研究不精确、不确定知识的数学工具。粗集方法有几个优点:不需要给出额外信息;简化输入信息的表达空间;算法简单,易于操作。粗集处理的对象是类似二维关系表的信息表。目前成熟的关系数据库管理系统和新发展起来的数据仓库管理系统,为粗集的数据挖掘奠定了坚实的基础。但粗集的数学基础是集合论,难以直接处理连续的属性。而现实信息表中连续属性是普遍存在的。因此连续属性的离散化是制约粗集理论实用化的难点。现在国际上已经研制出来了一些基于粗集的工具应用软件,如加拿大Regina大学开发的KDD-R;美国Kansas大学开发的LERS等。

    ⑸覆盖正例排斥反例方法

    它是利用覆盖所有正例、排斥所有反例的思想来寻找规则。首先在正例集合中任选一个种子,到反例集合中逐个比较。与字段取值构成的选择子相容则舍去,相反则保留。按此思想循环所有正例种子,将得到正例的规则(选择子的合取式)。比较典型的算法有Michalski的AQ11方法、洪家荣改进的AQ15方法以及他的AE5方法。

    ⑹统计分析方法

    在数据库字段项之间存在两种关系:函数关系(能用函数公式表示的确定性关系)和相关关系(不能用函数公式表示,但仍是相关确定性关系),对它们的分析可采用统计学方法,即利用统计学原理对数据库中的信息进行分析。可进行常用统计(求大量数据中的最大值、最小值、总和、平均值等)、回归分析(用回归方程来表示变量间的数量关系)、相关分析(用相关系数来度量变量间的相关程度)、差异分析(从样本统计量的值得出差异来确定总体参数之间是否存在差异)等。

    ⑺模糊集方法

    即利用模糊集合理论对实际问题进行模糊评判、模糊决策、模糊模式识别和模糊聚类分析。系统的复杂性越高,模糊性越强,一般模糊集合理论是用隶属度来刻画模糊事物的亦此亦彼性的。李德毅等人在传统模糊理论和概率统计的基础上,提出了定性定量不确定性转换模型–云模型,并形成了云理论。
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  • 模式识别相关问题

    2020-12-31 18:06:15
    所谓模式识别的问题就是用计算的方法根据样本的特征将样本划分到一定的类别中去。模式识别就是通过计算机用数学技术方法来研究模式的自动处理和判读,把环境与客体统称为“模式”。随着计算机技术的发展,人类可能...


    所谓模式识别的问题就是用计算的方法根据样本的特征将样本划分到一定的类别中去。模式识别就是通过计算机用数学技术方法来研究模式的自动处理和判读,把环境与客体统称为“模式”。随着计算机技术的发展,人类有可能研究复杂的信息处理过程,其过程的一个重要形式是生命体对环境及客体的识别。模式识别以图像处理与计算机视觉、语音语言信息处理、脑网络组、类脑智能等为主要研究方向,研究人类模式识别的机理以及有效的计算方法。


    一、名词解释

    1、泛化能力

    答:泛化能力又称推广能力,是机器学习中衡量学习机性能好坏的一个重要指标。泛化能力主要是指经过训练得到的学习机对未来新加入的样本(即测试样本)数据进行正确预测的能力。

    2、有监督学习

    答:有监督学习又被称为有导师学习,这种学习方式需要外界存在一个“教师”,她可以对一组给定输入提供应有的输出结果,学习系统可根据已知输出与实际输出之间的差值来调节系统参数。

    3、过拟和

    答:在机器学习中,由于学习机器过于复杂,尽管保证了分类精度很高(经验风险很小),但由于VC维太大,所以期望风险仍然很高。也就是说在某些情况下,训练误差最小反而可能导致对测试样本的学习性能不佳,发生了这种情况我们称学习机(比如神经网络)发生了过学习问题。典型的过学习是多层前向网络的BP算法

    二、问答题

    1. 感知器神经网络存在的主要缺陷是什么?

    答: 1)由于感知器的激活函数采用的是阀值函数,输出矢量只能取0或1,所以只能用它来解决简单的分类问题;
    2)感知器仅能够线性地将输入矢量进行分类。理论上已经证明,只要输人矢量是线性可分的,感知器在有限的时间内总能达到目标矢量;
    3)感知器还有另外一个问题,当输入矢量中有一个数比其他数都大或小得很多时,可能导致较慢的收敛速度。

    2.BP算法的基本思想是什么,它存在哪些不足之处?

    答:BP算法(即反向传播法)的基本思想是:学习过程由信号的正向传播与误差的反向传播两个过程组成。

    1)正向传播:输入样本->输入层->各隐层(处理)->输出层

    注1:若输出层实际输出与期望输出(教师信号)不符,则转入2)(误差反向传播过程)

    2)误差反向传播:输出误差(某种形式)->隐层(逐层)->输入层 其主要目的是通过将输出误差反传,将误差分摊给各层所有单元,从而获得各层单元的误差信号,进而修正各单元的权值(其过程,是一个权值调整的过程)。

    注2:权值调整的过程,也就是网络的学习训练过程(学习也就是这么的由来,权值调整)。
    虽然BP算法得到广泛的应用,但它也存在自身的限制与不足,其主要表现在于它的训练过程的不确定上。具体说明如下:

    1)易形成局部极小(属贪婪算法,局部最优)而得不到全局最优;
    BP算法可以使网络权值收敛到一个解,但它并不能保证所求为误差超平面的全局最小解,很可能是一个局部极小解。

    2)训练次数多使得学习效率低下,收敛速度慢(需做大量运算);
    对于一些复杂的问题,BP算法可能要进行几小时甚至更长的时间的训练。这主要是由于学习速率太小所造成的。可采用变化的学习速率或自适应的学习速率来加以改进。

    3)隐节点的选取缺乏理论支持;

    4)训练时学习新样本有遗忘旧样本趋势

    3.BP算法的缺陷及改进方案

    缺陷:
    ①易形成局部极小而得不到全局最优;
    ②训练次数多,使得学习效率低,收敛速度慢;
    ③隐节点的选取缺乏理论指导;
    ④训练时学习新样本有遗忘旧样本的趋势。
    改进方案:
    1增加动量项
    2自适应调节学习率
    3引入陡度因子

    4.人脑信息传递过程:

    在这里插入图片描述

    5.支持向量机的基本思想/方法是什么?

    答:支持向量机的主要思想是建立一个最优决策超平面,使得该平面两侧距平面最近的两类样本之间的距离最大化,从而对分类问题提供良好的泛化能力。对于非线性可分模式分类问题,根据Cover定理:将复杂的模式分类问题非线性的投射到高维特征空间可能是线性可分的,因此只要变换是非线性的且特征空间的维数足够高,则原始模式空间能变换为一个新的高维特征空间,使得在特征空间中模式以较高的概率为线性可分的。此时,应用支持向量机算法在特征空间建立分类超平面,即可解决非线性可分的模式识别问题。

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    ⑴神经网络方法

    神经网络由于本身良好的鲁棒性、自组织自适应性、并行处理、分布存储和高度容错等特性非常适合解决数据挖掘的问题,因此近年来越来越受到人们的关注。典型的神经网络模型主要分3大类:以感知机、BP反向传播模型、函数型网络为代表的,用于分类、预测和模式识别的前馈式神经网络模型;以Hopfield的离散模型和连续模型为代表的,分别用于联想记忆和优化计算的反馈式神经网络模型;以ART模型、Koholon模型为代表的,用于聚类的自组织映射方法。神经网络方法的缺点是"黑箱"性,人们难以理解网络的学习和决策过程。

    ⑵遗传算法

    遗传算法是一种基于生物自然选择与遗传机理的随机搜索算法,是一种仿生全局优化方法。遗传算法具有的隐含并行性、易于和其它模型结合等性质使得它在数据挖掘中被加以应用。

    Sunil已成功地开发了一个基于遗传算法的数据挖掘工具,利用该工具对两个飞机失事的真实数据库进行了数据挖掘实验,结果表明遗传算法是进行数据挖掘的有效方法之一[4]。遗传算法的应用还体现在与神经网络、粗集等技术的结合上。如利用遗传算法优化神经网络结构,在不增加错误率的前提下,删除多余的连接和隐层单元;用遗传算法和BP算法结合训练神经网络,然后从网络提取规则等。但遗传算法的算法较复杂,收敛于局部极小的较早收敛问题尚未解决。

    ⑶决策树方法

    决策树是一种常用于预测模型的算法,它通过将大量数据有目的分类,从中找到一些有价值的,潜在的信息。它的主要优点是描述简单,分类速度快,特别适合大规模的数据处理。最有影响和最早的决策树方法是由Quinlan提出的著名的基于信息熵的ID3算法。它的主要问题是:ID3是非递增学习算法;ID3决策树是单变量决策树,复杂概念的表达困难;同性间的相互关系强调不够;抗噪性差。针对上述问题,出现了许多较好的改进算法,如Schlimmer和Fisher设计了ID4递增式学习算法;钟鸣,陈文伟等提出了IBLE算法等。

    ⑷粗集方法

    粗集理论是一种研究不精确、不确定知识的数学工具。粗集方法有几个优点:不需要给出额外信息;简化输入信息的表达空间;算法简单,易于操作。粗集处理的对象是类似二维关系表的信息表。目前成熟的关系数据库管理系统和新发展起来的数据仓库管理系统,为粗集的数据挖掘奠定了坚实的基础。但粗集的数学基础是集合论,难以直接处理连续的属性。而现实信息表中连续属性是普遍存在的。因此连续属性的离散化是制约粗集理论实用化的难点。现在国际上已经研制出来了一些基于粗集的工具应用软件,如加拿大Regina大学开发的KDD-R;美国Kansas大学开发的LERS等。

    ⑸覆盖正例排斥反例方法

    它是利用覆盖所有正例、排斥所有反例的思想来寻找规则。首先在正例集合中任选一个种子,到反例集合中逐个比较。与字段取值构成的选择子相容则舍去,相反则保留。按此思想循环所有正例种子,将得到正例的规则(选择子的合取式)。比较典型的算法有Michalski的AQ11方法、洪家荣改进的AQ15方法以及他的AE5方法。

    ⑹统计分析方法

    在数据库字段项之间存在两种关系:函数关系(能用函数公式表示的确定性关系)和相关关系(不能用函数公式表示,但仍是相关确定性关系),对它们的分析可采用统计学方法,即利用统计学原理对数据库中的信息进行分析。可进行常用统计(求大量数据中的最大值、最小值、总和、平均值等)、回归分析(用回归方程来表示变量间的数量关系)、相关分析(用相关系数来度量变量间的相关程度)、差异分析(从样本统计量的值得出差异来确定总体参数之间是否存在差异)等。

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    即利用模糊集合理论对实际问题进行模糊评判、模糊决策、模糊模式识别和模糊聚类分析。系统的复杂性越高,模糊性越强,一般模糊集合理论是用隶属度来刻画模糊事物的亦此亦彼性的。李德毅等人在传统模糊理论和概率统计的基础上,提出了定性定量不确定性转换模型–云模型,并形成了云理论。

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