НОУ ИНТУИТ | Математические методы распознавания образов. Лекция 3: Линейный классификатор. Алгоритм персептрона

Учитесь и получайте официальные документы БЕСПЛАТНО. Вы можете поддержать наш проект.

Твой путь к знаниям!

Опубликован: 30.04.2008 | Уровень: специалист | Доступ: платный | ВУЗ: Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова

|

Вам нравится? Нравится 22 студентам

| Поделиться |

Поддержать программу

3.2.3. Сходимость алгоритма персептрона.

Основной вопрос, связанный с алгоритмом персептрона связан с его сходимостью. Конечен ли построенный итерационный процесс обучения?

Теорема Новикова. Пусть $\{x_i\}$ – бесконечная последовательность векторов из двух непересекающихся замкнутых множеств X_1 и X_2 ; и пусть существует гиперплоскость, проходящая через начало координат и разделяющая X_1 и X_2 (не имеет с ними общих точек). Тогда при использовании алгоритма персептрона число коррекций весового вектора конечно.

Доказательство. Пусть W^* - направляющий вектор разделяющей гиперплоскости (которая существует по условию). Не нарушая общности, будем считать, что он является единичным.

Пусть $X=conv\left(X_1\bigcup\overline{X}_2\right)$ , $\overline{X}_2$ в – симметричное к X_2 множество; $\rho=\rho(0,X)$ , где $\rho$ – евклидово расстояние. Согласно утверждению 3.3 $\left(W^*,X\right)\geq\rho_0>0\quad \forall x\in X$ .

Оценим $\left(W_t,W^*\right)$ .

Пусть W^* – единичный вектор нормали, разделяющий X_1 и X_2 .

$\left(W^*,X\right)\geq\rho_0 \text{ при } x\in X_1$

$\left(W^*,X\right)\leq-\rho_0 \text{ при } x\in X_2$

Пусть W_t – весовой вектор после предъявления вектора x_t ; W_0=0 – начальная итерация весового вектора (|W^*|-1) . Тогда, если $(W_t,x_{t+1})>0$ , то коррекции не происходит. Иначе, если $(W_t,x_{t+1})\leq 0$ , то коррекция: $W_{t+1}=W_t+x_{t+1}$

$|W_{t+1}|^2=|W_t|^2+2(x_{t+1},W_t)+|x_{t+1}^2\leq |W_T|^2+D^2$ , т.к. $(x_{t+1},W_t)\leq 0$ и $|x_{t+1}|\leq\sup_{x\in X}|x|=D$

Таким образом, к моменту происходит коррекций, то

$|W_t|^2\leq k\cdot D^2, \text{ т.к. } |W_0|=0$

( 3.1)

В начальный момент времени (W_0,W^*)=0 . Если в момент i+1 произошла коррекция, то

$(W_{t+1},W^*)=(W_0,W^*)+(x_{t+1},W^*)\geq (W_t,W^*)+\rho_0$

Если коррекция не происходит, то

$(W_{t+1},W^*)=(W_t,W^*)$

Если к моменту

произошло

коррекций, то

$(W_t,W^*)\geq k\rho_0$

С другой стороны

$(W_t,W^*)\leq|W_t|\cdot|W^*|=|W_t|$

Поэтому

$|W_t|\geq k\rho_0$

( 3.2)

Из неравенств 3.1 и 3.2 следует:

$k^2\rho_0\leq|W_t|^2\leq kD^2 \Rightarrow k\rho_0\leq D^2 \Rightarrow k\leq\frac{D^2}{\rho_0}$

Таким образом, число коррекций

не превосходит $\lfloor\frac{D^2}{\rho_0}\rfloor$ .

3.2.4. Оптимизационная интерпретация. Рассмотрим непрерывную кусочно-линейную функцию J(W) :

$J(W)=\sum_{x\in Y} \delta_x(W,x),\text{ где }\delta_x= \left\{ \begin{aligned} & -1,x\in X_1 \\ & 1,x\in X_2 \end{aligned} \right. ;$

– множество векторов неправильно классифицированных гиперплоскостью

. Тогда $J(W)\geq 0$ и $J(W)=0\Leftrightarrow Y=\varnothing$ . Задача состоит в минимизации этой функции:

$J(W)=\sum_{x\in Y}\delta_x (W,x)\rightarrow\min$

Построим минимизацию по схеме градиентного спуска:

$W_{t+1}=W_t-\rho_t\frac{dJ(W)}{dW}$

Т.к. $\frac{dJ(W)}{dW}=\sum_{x\in Y}\delta_x x$ , то $W_t-\rho_t\sum_{x\in Y}\delta_x x$

Таким образом, алгоритм персептрона представляет собой вариант алгоритма градиентного спуска. Выбор последовательности величин $\rho_t$ для обычно осуществляется так, чтобы:

$\sum_{t=0}^{\infty}|\rho_t|>\infty \quad\text{и}\quad \sum_{t=0}^{\infty}\rho_t^2<\infty$

3.2.5. Схема Кеслера. Идея построения линейного классификатора естественно обобщается на случай классификации с числом классов больше двух. Рассмотрим задачу классификации по классам. Для каждого класса необходимо определить линейную дискриминантную функцию $W_i, \; i=1,2,\ldots,M$ . Пусть – x-(l+1) -мерный вектор в расширенном пространстве. Вектор относится к классу |Omega_i , если

$W_i x > W_j x,\; \forall i\neq j$

Схема Кеслера позволяет применить алгоритм персептрона для решения этой задачи.

Для каждого вектора-прецедента из $\Omega_i$ строим (M-1) векторов $x_{ij}$ размерности (l+1)M :

$x_{ij}=(\underbrace{0,\ldots,0}_1,\underbrace{0,\ldots,0}_2,\ldots,\underbrace{x_1,\ldots,x_M}_i, \underbrace{0,\ldots,0}_{i+1},\ldots,\underbrace{-x_1,\ldots,-x_M}_j,\ldots,\underbrace{0,\ldots,0}_M)^T$

и вектор $W=(W_1,W_2,\ldots,W_M)^T$ , где W_i

– весовой вектор

-ой дискриминантной функции.

Пусть $x=(x_1,x_2,\ldots,x_M)$ , тогда вектор $x_{ij}$ можно записать в виде:

$\def\Nol{\mathop{0}} \def\Ix{\mathop{x}} \def\MinIx{\mathop{-x}} x_{ij}=(\Nol\limits_{1},\Nol\limits_{2},\ldots,\Nol\limits_{i-1},\Ix\limits_{i}, \Nol\limits_{i+1},\ldots,\Nol\limits_{j-1},\MinIx\limits_{j},\Nol\limits_{j+1},\ldots,\Nol\limits_{M})$

Если относится к классу $\Omega_1$ , то $Wx_{ij}>0\quad \forall j=1,2,\ldots,M,\; i\neq j$ , т.к. W_i x>W_j x и $Wx_{ij}=W_i x-W_J x> 0$ .

Таким образом, задача заключается в построении линейного классификатора в (l+1)M -мерном пространстве так, чтобы каждый из (M-1)N векторов-прецедентов лежал в положительном полупространстве. Если вектора в исходной задаче разделимы, то это можно сделать с помощью алгоритма персептрона.

Дальше >>

Математические методы распознавания образов

Математические методы распознавания образов

Линейный классификатор. Алгоритм персептрона

Вопросы и ответы

Студенты

Авторизоваться

Математические методы распознавания образов

Математические методы распознавания образов

Линейный классификатор. Алгоритм персептрона

Вопросы и ответы

Студенты