多維粒子群優化在機器學習與模式識彆中的應用 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[芬] 賽爾坎·希蘭茲(SerkanKiranyaz 著

圖書標籤:

• 多維粒子群優化
• 機器學習
• 模式識彆
• 優化算法
• 人工智能
• 數據挖掘
• 智能計算
• 群智能
• 算法優化
• 應用研究

店鋪： 文軒網教育考試專營店

齣版社： 國防工業齣版社

ISBN：9787118113549

商品編碼：25563489528

齣版時間：2017-06-01

多維粒子群優化在機器學習與模式識彆中的應用 作  者:(芬)賽爾坎·希蘭茲(Serkan Kiranyaz),(土)蒂爾剋·英斯(Turker Ince),(芬)濛塞夫·加伯伊(Moncef Gabbouj) 著；彭鵬菲,董銀文,龔立 譯 定  價:108 齣 版 社:國防工業齣版社 齣版日期:2017年06月01日 頁  數:355 裝  幀:平裝 ISBN:9787118113549 ●第1章緒論
●1.1化曆史發展
●1.2核心問題
●1.3本書內容簡介
●參考文獻
●第2章化技術概述
●2.1化技術的曆史
●2.2確定性分析方法
●2.2.1梯度下降法
●2.2.2牛頓一拉普森迭代法
●2.2.3Nelder-Mead搜索方法
●2.3隨機方法
●2.3.1模擬退火算法
●2.3.2隨機逼近方法
●2.4進化算法
●2.4.1遺傳算法
●2.4.2差分進化算法
●參考文獻
●第3章粒子群優化算法
●3.1引言
●部分目錄

內容簡介

這本書探討瞭多維粒子群優化,由作者開發瞭一種技術解決這些需求。在介紹關鍵優化技術後,作者介紹瞭統一的框架，並展示瞭其在具有挑戰性的應用領域的優勢,包括多維擴展粒子群優化的全局收斂性、動態數據聚類、進化神經網絡、生物醫學應用程序和個性化的心電圖分類、基於內容的圖像分類和檢索、閤成與演化特徵。

多維粒子群優化在機器學習與模式識彆中的應用 前言 在信息爆炸的時代，如何從海量數據中挖掘有價值的信息，並從中識彆齣規律，是科學研究和工程應用中麵臨的核心挑戰。機器學習與模式識彆作為人工智能的重要分支，為解決這些問題提供瞭強大的理論和技術支撐。然而，這些領域的許多關鍵問題，如模型參數優化、特徵選擇、聚類分析等，本質上都是復雜的、高維的、非綫性的優化問題。傳統的優化算法在麵對這些問題時，往往麵臨著收斂速度慢、容易陷入局部最優、計算復雜度高等瓶頸。 正是在這樣的背景下，粒子群優化（Particle Swarm Optimization, PSO）算法應運而生。作為一種源於鳥群覓食行為的群體智能優化算法，PSO以其簡單易懂的機製、高效的全局搜索能力以及較好的魯棒性，在眾多的優化問題中展現齣強大的生命力。尤其是當問題的維度增加時，PSO相較於一些傳統的梯度類算法，更能有效避免局部最優的陷阱，並在搜索空間中找到更好的解。 本書《多維粒子群優化在機器學習與模式識彆中的應用》旨在係統地探討如何將多維粒子群優化算法這一強大工具，深度應用於機器學習與模式識彆的各個方麵。我們將從PSO的基本原理齣發，逐步深入到其在解決復雜優化問題中的改進策略，最終聚焦於其在實際應用場景中的落地與效果。我們希望通過本書的闡釋，能夠為研究者和實踐者提供一套行之有效的理論框架和實踐指導，幫助他們更好地利用PSO來解決機器學習和模式識彆領域中的棘手難題，從而推動相關技術的發展和創新。 第一章：機器學習與模式識彆的挑戰與優化需求 本章將首先梳理當前機器學習與模式識彆領域所麵臨的主要挑戰。我們將探討數據規模的急劇增長、數據噪聲和不完整性、模型復雜度的不斷提升、以及對模型泛化能力和魯棒性的高要求等問題。在此基礎上，我們將引齣優化技術在這些挑戰中的關鍵作用。 1.1 機器學習的核心問題與優化 1.1.1 模型訓練中的參數優化：損失函數最小化，梯度下降的局限性。 1.1.2 特徵選擇與降維：尋找最優特徵子集，降低維度 Curse。 1.1.3 超參數調優：尋找最佳模型配置。 1.1.4 模型融閤與集成：優化多個模型的組閤方式。 1.2 模式識彆中的關鍵任務與優化 1.2.1 分類器設計與優化：決策邊界的尋找。 1.2.2 聚類算法的優化：簇心選擇與劃分。 1.2.3 目標檢測與跟蹤中的定位優化。 1.2.4 圖像分割與目標識彆中的邊界精煉。 1.3 傳統優化算法的局限性 1.3.1 梯度類算法（如梯度下降、牛頓法）的依賴性（可微性、局部最優）。 1.3.2 確定性算法（如窮舉搜索）的計算復雜度。 1.3.3 隨機搜索算法的效率問題。 1.4 粒子群優化的齣現與前景 1.4.1 群體智能的啓發。 1.4.2 解決非綫性、高維、多模態優化問題的潛力。 第二章：粒子群優化算法基礎 本章將詳細介紹粒子群優化算法的基本原理、數學模型和核心組成部分。我們將從最基礎的PSO模型齣發，解釋粒子、速度、位置、個體最優和全局最優等概念，並詳細闡述算法的迭代更新過程。 2.1 群體智能的啓發：鳥群覓食行為 2.1.1 觀察與抽象。 2.1.2 信息的共享與傳播。 2.2 PSO算法的數學模型 2.2.1 粒子（個體）的定義：位置嚮量 $x_i$ 和速度嚮量 $v_i$。 2.2.2 粒子速度的更新規則： $$v_i(t+1) = w cdot v_i(t) + c_1 cdot r_1 cdot (pbest_i - x_i(t)) + c_2 cdot r_2 cdot (gbest - x_i(t))$$ 其中，$w$ 為慣性權重，$c_1$ 和 $c_2$ 為加速度係數，$r_1$ 和 $r_2$ 為 $[0, 1]$ 之間的隨機數，$pbest_i$ 為粒子自身找到的最佳位置，$gbest$ 為整個種群找到的最佳位置。 2.2.3 粒子位置的更新規則： $$x_i(t+1) = x_i(t) + v_i(t+1)$$ 2.2.4 個體最優（$pbest$）與全局最優（$gbest$）的更新。 2.3 PSO算法的流程 2.3.1 初始化種群：隨機生成粒子的位置和速度。 2.3.2 評估粒子適應度。 2.3.3 更新個體最優和全局最優。 2.3.4 更新粒子速度和位置。 2.3.5 循環迭代直到滿足終止條件（如最大迭代次數、達到預設精度）。 2.4 算法參數的意義與選擇 2.4.1 慣性權重 $w$：控製粒子的探索與利用能力。 2.4.2 加速度係數 $c_1, c_2$：控製粒子趨嚮個體最優和全局最優的程度。 2.4.3 種群規模：影響算法的全局搜索能力和收斂速度。 2.5 PSO算法的優缺點分析 2.5.1 優點：簡單易實現，全局搜索能力強，收斂速度快（在某些問題上），無需梯度信息。 2.5.2 缺點：參數設置影響較大，可能陷入停滯（premature convergence），在高維復雜空間中搜索效率可能下降。 第三章：多維粒子群優化算法的改進策略 為瞭剋服標準PSO在處理高維復雜問題時可能遇到的不足，本章將深入探討一係列針對多維PSO的改進策略。這些改進主要集中在如何增強算法的探索能力、防止過早收斂、提高收斂速度以及適應不同問題的特性。 3.1 慣性權重策略的改進 3.1.1 動態慣性權重： 綫性遞減權重：從大值減小到小值，先全局探索後局部開發。 非綫性遞減權重：指數遞減、S形遞減等。 自適應慣性權重：根據種群的收斂狀態動態調整。 3.1.2 隨機慣性權重：引入隨機性以增強探索。 3.2 加速度係數的動態調整 3.2.1 動態調整 $c_1, c_2$ 的值，以平衡個體和社會學習的影響。 3.3 粒子位置與速度的約束處理 3.3.1 速度限製（Velocity Clamping）：防止速度過大導緻粒子飛齣搜索空間。 3.3.2 位置邊界處理：對超齣範圍的位置進行調整（如邊界映射、反射）。 3.4 拓寬搜索空間與防止早熟收斂 3.4.1 引入混沌理論：利用混沌序列初始化粒子或擾動粒子位置，增加搜索的多樣性。 3.4.2 策略選擇的PSO：根據問題特點或算法狀態，動態切換不同的搜索策略。 3.4.3 變異與交叉操作：藉鑒遺傳算法的思想，引入變異和交叉操作來增強種群的多樣性。 3.4.4 局部搜索增強：在全局搜索的間歇，引入局部搜索算子以快速收斂到局部最優。 3.5 改進的PSO變種 3.5.1 綫性遞減慣性權重PSO (LDIW-PSO)。 3.5.2 混沌PSO (Chaos PSO)。 3.5.3 自適應PSO (Adaptive PSO)。 3.5.4 飛蛾撲火優化 (Moth-flame Optimization, MFO) 等受啓發的其他群體智能算法與PSO的融閤。 3.6 處理多模態與多目標優化問題 3.6.1 針對多模態問題的多群PSO。 3.6.2 多目標PSO (MOPSO) 的基本思想。 第四章：多維粒子群優化在機器學習模型參數優化中的應用 本章將聚焦於如何利用改進的多維PSO算法來優化機器學習模型的關鍵參數，以提升模型的性能和泛化能力。我們將深入剖析具體應用的場景和方法。 4.1 支持嚮量機 (SVM) 的優化 4.1.1 SVM的核函數參數（如 $gamma$）和懲罰因子（如 $C$）的尋優。 4.1.2 利用PSO優化SVM的分類性能。 4.2 神經網絡 (NN) 的參數優化 4.2.1 優化神經網絡的權重和偏置。 4.2.2 優化學習率、動量等超參數。 4.2.3 結閤PSO與反嚮傳播算法（BP）進行混閤優化。 4.3 深度學習模型的優化 4.3.1 捲積神經網絡（CNN）的層數、濾波器數量、學習率等參數優化。 4.3.2 循環神經網絡（RNN）及其變種（LSTM, GRU）的參數尋優。 4.3.3 自動化機器學習 (AutoML) 中利用PSO進行模型架構搜索與超參數優化。 4.4 集成學習模型的優化 4.4.1 優化基學習器的權重（如在 AdaBoost 中）。 4.4.2 優化堆疊式集成模型中的元學習器參數。 4.5 貝葉斯優化與PSO的結閤 4.5.1 利用PSO進行更有效的貝葉斯優化區域搜索。 第五章：多維粒子群優化在模式識彆中的應用 本章將詳細闡述多維PSO在各類模式識彆任務中的具體應用，包括特徵提取、分類器設計、聚類分析等，並提供實際的案例分析。 5.1 特徵選擇與特徵提取 5.1.1 利用PSO進行最優特徵子集的搜索，提高分類器的準確性和效率。 5.1.2 PSO用於優化主成分分析 (PCA) 等降維方法的參數。 5.1.3 結閤PSO與粒子圖像的生成，進行特徵錶示學習。 5.2 分類器設計與優化 5.2.1 優化模糊邏輯係統 (FLS) 的隸屬度函數和規則庫。 5.2.2 優化決策樹的結構和分裂準則。 5.2.3 優化基於規則的分類器。 5.3 聚類分析 5.3.1 將PSO應用於模糊 C-均值 (FCM) 聚類中的聚類中心和隸屬度優化。 5.3.2 利用PSO進行無監督特徵學習與聚類。 5.3.3 PSO在譜聚類中的譜圖歸一化參數優化。 5.4 圖像處理與計算機視覺應用 5.4.1 圖像分割中的閾值選擇與區域閤並。 5.4.2 目標檢測中的邊界框迴歸優化。 5.4.3 人臉識彆與姿態估計中的關鍵點定位。 5.4.4 遙感圖像分析中的地物分類。 5.5 文本與語音模式識彆 5.5.1 文本分類中的特徵權重優化。 5.5.2 語音識彆中的聲學模型參數調整。 5.5.3 自然語言處理中的詞嵌入模型優化。 第六章：實驗仿真與案例分析 本章將通過大量的實驗仿真和實際案例分析，來驗證和展示多維PSO算法在解決機器學習與模式識彆問題中的有效性。我們將展示不同改進策略的性能對比，以及與其他優化算法的比較結果。 6.1 實驗環境與數據集介紹 6.1.1 常用的機器學習與模式識彆數據集。 6.1.2 實驗配置與評估指標。 6.2 標準PSO與改進PSO的性能對比 6.2.1 在不同維度和復雜度問題上的收斂速度和解的質量對比。 6.2.2 針對特定問題的最優參數尋優實驗。 6.3 PSO與其他優化算法的比較 6.3.1 與遺傳算法 (GA)、差分進化 (DE) 等的對比。 6.3.2 與梯度類算法在特定場景下的性能比較。 6.4 實際應用案例詳解 6.4.1 某個具體機器學習模型（如深度學習網絡）的端到端優化過程。 6.4.2 某個典型模式識彆任務（如圖像分類、文本聚類）的完整解決方案。 6.4.3 工業界或科學研究中的實際應用案例。 6.5 實驗結果的分析與討論 6.5.1 影響實驗結果的關鍵因素分析。 6.5.2 算法在不同場景下的適用性討論。 第七章：未來展望與挑戰 本章將對多維PSO在機器學習與模式識彆領域的未來發展趨勢進行展望，並指齣當前仍然存在的挑戰以及未來的研究方嚮。 7.1 理論研究的深化 7.1.1 PSO算法的收斂性理論分析。 7.1.2 針對更復雜函數空間的優化理論。 7.1.3 PSO與其他優化理論的融閤。 7.2 算法的工程化與應用拓展 7.2.1 PSO算法的高效實現與並行化。 7.2.2 在實時係統中的應用。 7.2.3 與大數據處理框架的結閤。 7.3 麵臨的挑戰與機遇 7.3.1 處理超高維、大規模、動態變化數據的挑戰。 7.3.2 解決黑箱優化問題。 7.3.3 與深度學習、強化學習等前沿技術的融閤。 7.3.4 可解釋性PSO的研究。 7.4 結論 本書旨在為讀者提供一個全麵、深入的學習平颱，幫助理解和掌握多維粒子群優化算法在機器學習與模式識彆領域中的強大潛力和廣泛應用。我們希望本書能夠激發更多研究者和工程師的思考，推動該領域的技術進步，並為解決實際問題提供有力的工具。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀和排版也體現齣對讀者體驗的尊重。圖錶的清晰度和代碼示例的規範性是教科書級彆的典範。然而，真正讓我印象深刻的是作者在討論復雜算法結構時所采用的“分層遞進”的敘述結構。它首先建立一個簡潔、易於理解的基礎模型，然後像剝洋蔥一樣，一層一層地加入新的約束、新的啓發式信息，直到構建齣完整、高效的解決方案。這種學習路徑的設計非常符閤人類的認知規律，使得學習麯綫異常平滑。我特彆欣賞其中對“自適應機製”的論述，它闡述瞭如何讓優化器像一個有生命的係統一樣，根據環境變化實時調整自身的搜索步長和策略權重，而不是采用一成不變的固定參數。這本書成功地將抽象的數學優化帶入瞭生動的、可操作的工程實踐之中，是一本跨越理論與應用鴻溝的優秀著作。

評分☆☆☆☆☆

最近讀到一本關於優化算法在數據科學領域應用的專著，實在讓人耳目一新。這本書的視角非常獨特，它並沒有僅僅停留在對經典算法的機械式介紹上，而是深入剖析瞭如何將這些強大的數學工具與復雜的實際問題——尤其是機器學習和模式識彆中的挑戰——進行深度融閤。書中對算法的推導過程詳略得當，既保證瞭嚴謹性，又沒有讓讀者陷入無休止的數學符號迷宮。我特彆欣賞作者在介紹新穎的改進策略時所展現齣的洞察力，比如如何巧妙地平衡全局探索與局部收斂性，這對於解決高維、非凸優化難題至關重要。閱讀過程中，我常常被書中的案例所啓發，這些案例不再是教科書式的“玩具問題”，而是緊密貼閤當前工業界和學術界熱點，比如大規模圖像分類中的特徵選擇，或者復雜時間序列預測中的模型參數尋優。整體來看，這本書更像是一份實踐指南，它教會你“如何思考”優化問題，而不僅僅是“如何計算”結果，對於希望提升算法實戰能力的讀者來說，無疑是一筆寶貴的財富。

評分☆☆☆☆☆

我一直認為，好的技術書籍不應該隻是知識的搬運工，更應該是思想的催化劑。這本關於優化方法論的書籍，恰恰做到瞭這一點。它在介紹核心算法框架後，迅速轉嚮瞭對“局限性”的深刻反思。例如，書中對傳統方法在處理多模態目標函數時遇到的陷阱進行瞭詳盡的剖析，隨後引齣瞭一係列前沿的變體，這些變體並非簡單的修補，而是從根本上重構瞭搜索策略。閱讀這些內容時，我感到自己對“搜索空間”的理解被極大地拓寬瞭。書中還穿插瞭一些曆史性的迴顧，講述瞭某個優化思想是如何在不同時代背景下被重新發現和應用的，這種曆史的縱深感使得技術不再是孤立的，而是與整個科學發展史相連。對於那些渴望在現有技術基礎上進行創新的研究人員來說，這種由內而外的啓發遠比一個現成的代碼庫更有價值，它點燃瞭對未知領域探索的熱情。

評分☆☆☆☆☆

這本書的文字風格與我以往接觸的同類技術書籍大相徑庭，它有一種近乎“敘事性”的流暢感。作者似乎非常擅長將復雜的理論包裝在清晰的邏輯框架之下，使得即便是初次接觸優化理論的讀者也能逐步跟上節奏。我印象最深的是其中關於“超參數敏感性分析”的章節，它沒有采用堆砌公式的方式，而是通過生動的比喻和精妙的圖示，清晰地揭示瞭不同優化路徑對最終模型性能的連鎖反應。這種教學上的匠心，極大地降低瞭理論學習的門檻。此外，書中對算法魯棒性的討論非常到位，它不僅僅關注於找到一個“最優解”，更強調在噪聲和不確定性環境下，算法能否保持穩定輸齣的能力，這在實際部署中是衡量一個算法價值的關鍵標準。翻閱這本書的過程，與其說是學習，不如說是一次智力上的對話，作者總能在恰當的地方提齣富有啓發性的疑問，引導讀者進行更深層次的思考和批判性評估。

評分☆☆☆☆☆

與其他側重於理論證明的教材不同，這本書展現齣一種對“工程可行性”的執著關注。作者非常務實地探討瞭算法在實際計算資源限製下的錶現，比如內存占用、並行化效率，以及收斂速度的實際測量結果。書中給齣的性能比較圖錶非常詳盡，並且明確指齣瞭不同優化策略在特定硬件架構上的優劣勢，這對於需要將算法部署到實際係統中的工程師來說，是不可或缺的信息。讓我頗為驚喜的是，書中對“解釋性”的強調。在許多優化問題的求解過程中，我們往往隻關注結果的好壞，卻忽略瞭“為什麼是這個結果”。這本書則花費大量篇幅討論瞭如何從優化軌跡中反嚮推導齣模型決策的關鍵因素，這種對可解釋性的重視，無疑是提升算法公信力的重要一步，尤其是在金融和醫療等高風險領域。