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  • 机器学习|二进制粒子群优化算法应用于特征选择问题

    1.特征选择

    比如有一个M行(N+1)列的数据集,每一行代表一组数据,对于每一列,前N列代表N个特征,最后一列代表这组数据的标签。

    那么,对于特征选择问题,就是要找到这N个特征的一个尽可能小的子集,然后通过这个子集中的特征进行学习,可以确保正确率较高的分类结果。(分类的结果是否正确通过查看第N+1列的标签与预测的哪组数据在哪个类里是否相同)

    所以,特征选择问题本质上就是选择一个合适的0/1串。串的长度是原始数据集中的特征个数N,0是不被选择的属性,而1是被选择的属性。

    2.粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)

    这是人们由鸟类觅食的集群活动的启发而提出来的一个启发式算法。首先,我们知道寻找一个合适的0/1串最简单也最全面的方法就是暴力枚举,也就是把所有的取值都计算一遍,这样是不现实的。共有2的N次方种可能,是一个NP-Hard问题。启发式算法就是在部分解中寻找一个最优解,当然这是一个局部最优解。但是,由于它只选择了部分解,因此时间空间开销都是较小的。

    粒子群优化算法的思想是:假设空间中有一些粒子随机的分布在不同的空间位置上,每个粒子有两个属性——位置和速度。这两个属性的初始值都是随机的。每个粒子维护一个自身的最优点pbest(最优指的是适应度函数取得最优时的位置值),整个粒子群维护一个全局的最优点gbest(即所有粒子的pbest对应的适应度函数最大的那一个)。然后进行迭代,迭代的过程可以描述为粒子按照自身最优pbest的方向和全局最优gbest的方向按一定比例来改变速度,继而改变本次迭代粒子到达的位置。公式如下所示:

    速度公式:(w,c1,c2都是权重参数,rand是一个[0,1]的随机数,t代表迭代次数)

    速度公式可以这样理解:粒子在某次迭代时的速度由三个方面决定——自身原有的速度(上一次迭代得到的速度)、自身历史最佳点的速度、全局历史最佳点的速度。这三个分量按照一定的权重合成了本次迭代的速度。

    位置公式:

    位置公式就是简单的匀速直线运动公式:x=x0+vt(t=1 因为一次迭代相当于经过一个时间单位)

    自定义一个迭代次数,按照这个方式进行迭代最终可能得到一个局部最优解(也可能出现没到局部最优解时迭代就已经结束了的情况,所以迭代次数要定义的尽量大一些)

    迭代结束时的全局最优解gbest(适应度函数取最优时的位置值)就是算法得到的解。

    这里,要提一下适应度函数,它是人为制定的“最优”的标准,比如说,在粒子群优化算法应用到特征选择的问题上,适应度函数可以定义为分类准确度的大小,也可以定义为分类错误率的大小。如果定义为前者,那么适应度函数取值最大时得到的是最优解;如果定义为后者,那么适应度函数取值最小时得到的是最优解。

    注意:这里每个粒子的速度和位置都是N维向量,不要把思维局限在传统的物理学问题上认为速度和位置是一个值,这是N维空间的问题,每一维都有一个值。

    3.二进制粒子群优化算法(Binary Particle Swarm Optimization,BPSO)

    根据前面的讲述,我们可以意识到——粒子群优化算法是一个解决连续空间问题的算法,而要想应用到特征选择问题上找到相要的0/1串,要做一些细微的修改使它能解决离散空间问题。当然,一种最简单的方法就是给位置值设定一个阈值,超过阈值就设为1,否则就设为0,这样就把连续空间的N维位置向量转换为离散空间的0/1串了。不过这样做解释起来并没有什么意义,所以二进制粒子群优化算法出现了。

    它对粒子群优化算法的改进是:速度公式不变,增加了一个sigmoid函数,重新定义了位置公式。如下:

    这样得到的x就是一个0/1串,gbest中为1的特征就是最终要选择的特征。

    其他的好文档指路:

    特征选择的详细介绍:https://www.cnblogs.com/zhizhan/p/4083688.html

    粒子群优化算法介绍:https://blog.csdn.net/google19890102/article/details/30044945

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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/qq1337822982/p/10783735.html
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