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[芬] 赛尔坎·希兰兹(SerkanKiranyaz 著

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• 多维粒子群优化
• 机器学习
• 模式识别
• 优化算法
• 人工智能
• 数据挖掘
• 智能计算
• 群智能
• 算法优化
• 应用研究

店铺： 文轩网教育考试专营店

出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118113549

商品编码：25563489528

出版时间：2017-06-01

多维粒子群优化在机器学习与模式识别中的应用 作  者:(芬)赛尔坎·希兰兹(Serkan Kiranyaz),(土)蒂尔克·英斯(Turker Ince),(芬)蒙塞夫·加伯伊(Moncef Gabbouj) 著；彭鹏菲,董银文,龚立 译 定  价:108 出 版 社:国防工业出版社 出版日期:2017年06月01日 页  数:355 装  帧:平装 ISBN:9787118113549 ●第1章绪论
●1.1化历史发展
●1.2核心问题
●1.3本书内容简介
●参考文献
●第2章化技术概述
●2.1化技术的历史
●2.2确定性分析方法
●2.2.1梯度下降法
●2.2.2牛顿一拉普森迭代法
●2.2.3Nelder-Mead搜索方法
●2.3随机方法
●2.3.1模拟退火算法
●2.3.2随机逼近方法
●2.4进化算法
●2.4.1遗传算法
●2.4.2差分进化算法
●参考文献
●第3章粒子群优化算法
●3.1引言
●部分目录

内容简介

这本书探讨了多维粒子群优化,由作者开发了一种技术解决这些需求。在介绍关键优化技术后,作者介绍了统一的框架，并展示了其在具有挑战性的应用领域的优势,包括多维扩展粒子群优化的全局收敛性、动态数据聚类、进化神经网络、生物医学应用程序和个性化的心电图分类、基于内容的图像分类和检索、合成与演化特征。

多维粒子群优化在机器学习与模式识别中的应用 前言 在信息爆炸的时代，如何从海量数据中挖掘有价值的信息，并从中识别出规律，是科学研究和工程应用中面临的核心挑战。机器学习与模式识别作为人工智能的重要分支，为解决这些问题提供了强大的理论和技术支撑。然而，这些领域的许多关键问题，如模型参数优化、特征选择、聚类分析等，本质上都是复杂的、高维的、非线性的优化问题。传统的优化算法在面对这些问题时，往往面临着收敛速度慢、容易陷入局部最优、计算复杂度高等瓶颈。 正是在这样的背景下，粒子群优化（Particle Swarm Optimization, PSO）算法应运而生。作为一种源于鸟群觅食行为的群体智能优化算法，PSO以其简单易懂的机制、高效的全局搜索能力以及较好的鲁棒性，在众多的优化问题中展现出强大的生命力。尤其是当问题的维度增加时，PSO相较于一些传统的梯度类算法，更能有效避免局部最优的陷阱，并在搜索空间中找到更好的解。 本书《多维粒子群优化在机器学习与模式识别中的应用》旨在系统地探讨如何将多维粒子群优化算法这一强大工具，深度应用于机器学习与模式识别的各个方面。我们将从PSO的基本原理出发，逐步深入到其在解决复杂优化问题中的改进策略，最终聚焦于其在实际应用场景中的落地与效果。我们希望通过本书的阐释，能够为研究者和实践者提供一套行之有效的理论框架和实践指导，帮助他们更好地利用PSO来解决机器学习和模式识别领域中的棘手难题，从而推动相关技术的发展和创新。 第一章：机器学习与模式识别的挑战与优化需求 本章将首先梳理当前机器学习与模式识别领域所面临的主要挑战。我们将探讨数据规模的急剧增长、数据噪声和不完整性、模型复杂度的不断提升、以及对模型泛化能力和鲁棒性的高要求等问题。在此基础上，我们将引出优化技术在这些挑战中的关键作用。 1.1 机器学习的核心问题与优化 1.1.1 模型训练中的参数优化：损失函数最小化，梯度下降的局限性。 1.1.2 特征选择与降维：寻找最优特征子集，降低维度 Curse。 1.1.3 超参数调优：寻找最佳模型配置。 1.1.4 模型融合与集成：优化多个模型的组合方式。 1.2 模式识别中的关键任务与优化 1.2.1 分类器设计与优化：决策边界的寻找。 1.2.2 聚类算法的优化：簇心选择与划分。 1.2.3 目标检测与跟踪中的定位优化。 1.2.4 图像分割与目标识别中的边界精炼。 1.3 传统优化算法的局限性 1.3.1 梯度类算法（如梯度下降、牛顿法）的依赖性（可微性、局部最优）。 1.3.2 确定性算法（如穷举搜索）的计算复杂度。 1.3.3 随机搜索算法的效率问题。 1.4 粒子群优化的出现与前景 1.4.1 群体智能的启发。 1.4.2 解决非线性、高维、多模态优化问题的潜力。 第二章：粒子群优化算法基础 本章将详细介绍粒子群优化算法的基本原理、数学模型和核心组成部分。我们将从最基础的PSO模型出发，解释粒子、速度、位置、个体最优和全局最优等概念，并详细阐述算法的迭代更新过程。 2.1 群体智能的启发：鸟群觅食行为 2.1.1 观察与抽象。 2.1.2 信息的共享与传播。 2.2 PSO算法的数学模型 2.2.1 粒子（个体）的定义：位置向量 $x_i$ 和速度向量 $v_i$。 2.2.2 粒子速度的更新规则： $$v_i(t+1) = w cdot v_i(t) + c_1 cdot r_1 cdot (pbest_i - x_i(t)) + c_2 cdot r_2 cdot (gbest - x_i(t))$$ 其中，$w$ 为惯性权重，$c_1$ 和 $c_2$ 为加速度系数，$r_1$ 和 $r_2$ 为 $[0, 1]$ 之间的随机数，$pbest_i$ 为粒子自身找到的最佳位置，$gbest$ 为整个种群找到的最佳位置。 2.2.3 粒子位置的更新规则： $$x_i(t+1) = x_i(t) + v_i(t+1)$$ 2.2.4 个体最优（$pbest$）与全局最优（$gbest$）的更新。 2.3 PSO算法的流程 2.3.1 初始化种群：随机生成粒子的位置和速度。 2.3.2 评估粒子适应度。 2.3.3 更新个体最优和全局最优。 2.3.4 更新粒子速度和位置。 2.3.5 循环迭代直到满足终止条件（如最大迭代次数、达到预设精度）。 2.4 算法参数的意义与选择 2.4.1 惯性权重 $w$：控制粒子的探索与利用能力。 2.4.2 加速度系数 $c_1, c_2$：控制粒子趋向个体最优和全局最优的程度。 2.4.3 种群规模：影响算法的全局搜索能力和收敛速度。 2.5 PSO算法的优缺点分析 2.5.1 优点：简单易实现，全局搜索能力强，收敛速度快（在某些问题上），无需梯度信息。 2.5.2 缺点：参数设置影响较大，可能陷入停滞（premature convergence），在高维复杂空间中搜索效率可能下降。 第三章：多维粒子群优化算法的改进策略 为了克服标准PSO在处理高维复杂问题时可能遇到的不足，本章将深入探讨一系列针对多维PSO的改进策略。这些改进主要集中在如何增强算法的探索能力、防止过早收敛、提高收敛速度以及适应不同问题的特性。 3.1 惯性权重策略的改进 3.1.1 动态惯性权重： 线性递减权重：从大值减小到小值，先全局探索后局部开发。 非线性递减权重：指数递减、S形递减等。 自适应惯性权重：根据种群的收敛状态动态调整。 3.1.2 随机惯性权重：引入随机性以增强探索。 3.2 加速度系数的动态调整 3.2.1 动态调整 $c_1, c_2$ 的值，以平衡个体和社会学习的影响。 3.3 粒子位置与速度的约束处理 3.3.1 速度限制（Velocity Clamping）：防止速度过大导致粒子飞出搜索空间。 3.3.2 位置边界处理：对超出范围的位置进行调整（如边界映射、反射）。 3.4 拓宽搜索空间与防止早熟收敛 3.4.1 引入混沌理论：利用混沌序列初始化粒子或扰动粒子位置，增加搜索的多样性。 3.4.2 策略选择的PSO：根据问题特点或算法状态，动态切换不同的搜索策略。 3.4.3 变异与交叉操作：借鉴遗传算法的思想，引入变异和交叉操作来增强种群的多样性。 3.4.4 局部搜索增强：在全局搜索的间歇，引入局部搜索算子以快速收敛到局部最优。 3.5 改进的PSO变种 3.5.1 线性递减惯性权重PSO (LDIW-PSO)。 3.5.2 混沌PSO (Chaos PSO)。 3.5.3 自适应PSO (Adaptive PSO)。 3.5.4 飞蛾扑火优化 (Moth-flame Optimization, MFO) 等受启发的其他群体智能算法与PSO的融合。 3.6 处理多模态与多目标优化问题 3.6.1 针对多模态问题的多群PSO。 3.6.2 多目标PSO (MOPSO) 的基本思想。 第四章：多维粒子群优化在机器学习模型参数优化中的应用 本章将聚焦于如何利用改进的多维PSO算法来优化机器学习模型的关键参数，以提升模型的性能和泛化能力。我们将深入剖析具体应用的场景和方法。 4.1 支持向量机 (SVM) 的优化 4.1.1 SVM的核函数参数（如 $gamma$）和惩罚因子（如 $C$）的寻优。 4.1.2 利用PSO优化SVM的分类性能。 4.2 神经网络 (NN) 的参数优化 4.2.1 优化神经网络的权重和偏置。 4.2.2 优化学习率、动量等超参数。 4.2.3 结合PSO与反向传播算法（BP）进行混合优化。 4.3 深度学习模型的优化 4.3.1 卷积神经网络（CNN）的层数、滤波器数量、学习率等参数优化。 4.3.2 循环神经网络（RNN）及其变种（LSTM, GRU）的参数寻优。 4.3.3 自动化机器学习 (AutoML) 中利用PSO进行模型架构搜索与超参数优化。 4.4 集成学习模型的优化 4.4.1 优化基学习器的权重（如在 AdaBoost 中）。 4.4.2 优化堆叠式集成模型中的元学习器参数。 4.5 贝叶斯优化与PSO的结合 4.5.1 利用PSO进行更有效的贝叶斯优化区域搜索。 第五章：多维粒子群优化在模式识别中的应用 本章将详细阐述多维PSO在各类模式识别任务中的具体应用，包括特征提取、分类器设计、聚类分析等，并提供实际的案例分析。 5.1 特征选择与特征提取 5.1.1 利用PSO进行最优特征子集的搜索，提高分类器的准确性和效率。 5.1.2 PSO用于优化主成分分析 (PCA) 等降维方法的参数。 5.1.3 结合PSO与粒子图像的生成，进行特征表示学习。 5.2 分类器设计与优化 5.2.1 优化模糊逻辑系统 (FLS) 的隶属度函数和规则库。 5.2.2 优化决策树的结构和分裂准则。 5.2.3 优化基于规则的分类器。 5.3 聚类分析 5.3.1 将PSO应用于模糊 C-均值 (FCM) 聚类中的聚类中心和隶属度优化。 5.3.2 利用PSO进行无监督特征学习与聚类。 5.3.3 PSO在谱聚类中的谱图归一化参数优化。 5.4 图像处理与计算机视觉应用 5.4.1 图像分割中的阈值选择与区域合并。 5.4.2 目标检测中的边界框回归优化。 5.4.3 人脸识别与姿态估计中的关键点定位。 5.4.4 遥感图像分析中的地物分类。 5.5 文本与语音模式识别 5.5.1 文本分类中的特征权重优化。 5.5.2 语音识别中的声学模型参数调整。 5.5.3 自然语言处理中的词嵌入模型优化。 第六章：实验仿真与案例分析 本章将通过大量的实验仿真和实际案例分析，来验证和展示多维PSO算法在解决机器学习与模式识别问题中的有效性。我们将展示不同改进策略的性能对比，以及与其他优化算法的比较结果。 6.1 实验环境与数据集介绍 6.1.1 常用的机器学习与模式识别数据集。 6.1.2 实验配置与评估指标。 6.2 标准PSO与改进PSO的性能对比 6.2.1 在不同维度和复杂度问题上的收敛速度和解的质量对比。 6.2.2 针对特定问题的最优参数寻优实验。 6.3 PSO与其他优化算法的比较 6.3.1 与遗传算法 (GA)、差分进化 (DE) 等的对比。 6.3.2 与梯度类算法在特定场景下的性能比较。 6.4 实际应用案例详解 6.4.1 某个具体机器学习模型（如深度学习网络）的端到端优化过程。 6.4.2 某个典型模式识别任务（如图像分类、文本聚类）的完整解决方案。 6.4.3 工业界或科学研究中的实际应用案例。 6.5 实验结果的分析与讨论 6.5.1 影响实验结果的关键因素分析。 6.5.2 算法在不同场景下的适用性讨论。 第七章：未来展望与挑战 本章将对多维PSO在机器学习与模式识别领域的未来发展趋势进行展望，并指出当前仍然存在的挑战以及未来的研究方向。 7.1 理论研究的深化 7.1.1 PSO算法的收敛性理论分析。 7.1.2 针对更复杂函数空间的优化理论。 7.1.3 PSO与其他优化理论的融合。 7.2 算法的工程化与应用拓展 7.2.1 PSO算法的高效实现与并行化。 7.2.2 在实时系统中的应用。 7.2.3 与大数据处理框架的结合。 7.3 面临的挑战与机遇 7.3.1 处理超高维、大规模、动态变化数据的挑战。 7.3.2 解决黑箱优化问题。 7.3.3 与深度学习、强化学习等前沿技术的融合。 7.3.4 可解释性PSO的研究。 7.4 结论 本书旨在为读者提供一个全面、深入的学习平台，帮助理解和掌握多维粒子群优化算法在机器学习与模式识别领域中的强大潜力和广泛应用。我们希望本书能够激发更多研究者和工程师的思考，推动该领域的技术进步，并为解决实际问题提供有力的工具。

评分☆☆☆☆☆

与其他侧重于理论证明的教材不同，这本书展现出一种对“工程可行性”的执着关注。作者非常务实地探讨了算法在实际计算资源限制下的表现，比如内存占用、并行化效率，以及收敛速度的实际测量结果。书中给出的性能比较图表非常详尽，并且明确指出了不同优化策略在特定硬件架构上的优劣势，这对于需要将算法部署到实际系统中的工程师来说，是不可或缺的信息。让我颇为惊喜的是，书中对“解释性”的强调。在许多优化问题的求解过程中，我们往往只关注结果的好坏，却忽略了“为什么是这个结果”。这本书则花费大量篇幅讨论了如何从优化轨迹中反向推导出模型决策的关键因素，这种对可解释性的重视，无疑是提升算法公信力的重要一步，尤其是在金融和医疗等高风险领域。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧和排版也体现出对读者体验的尊重。图表的清晰度和代码示例的规范性是教科书级别的典范。然而，真正让我印象深刻的是作者在讨论复杂算法结构时所采用的“分层递进”的叙述结构。它首先建立一个简洁、易于理解的基础模型，然后像剥洋葱一样，一层一层地加入新的约束、新的启发式信息，直到构建出完整、高效的解决方案。这种学习路径的设计非常符合人类的认知规律，使得学习曲线异常平滑。我特别欣赏其中对“自适应机制”的论述，它阐述了如何让优化器像一个有生命的系统一样，根据环境变化实时调整自身的搜索步长和策略权重，而不是采用一成不变的固定参数。这本书成功地将抽象的数学优化带入了生动的、可操作的工程实践之中，是一本跨越理论与应用鸿沟的优秀著作。

评分☆☆☆☆☆

这本书的文字风格与我以往接触的同类技术书籍大相径庭，它有一种近乎“叙事性”的流畅感。作者似乎非常擅长将复杂的理论包装在清晰的逻辑框架之下，使得即便是初次接触优化理论的读者也能逐步跟上节奏。我印象最深的是其中关于“超参数敏感性分析”的章节，它没有采用堆砌公式的方式，而是通过生动的比喻和精妙的图示，清晰地揭示了不同优化路径对最终模型性能的连锁反应。这种教学上的匠心，极大地降低了理论学习的门槛。此外，书中对算法鲁棒性的讨论非常到位，它不仅仅关注于找到一个“最优解”，更强调在噪声和不确定性环境下，算法能否保持稳定输出的能力，这在实际部署中是衡量一个算法价值的关键标准。翻阅这本书的过程，与其说是学习，不如说是一次智力上的对话，作者总能在恰当的地方提出富有启发性的疑问，引导读者进行更深层次的思考和批判性评估。

评分☆☆☆☆☆

最近读到一本关于优化算法在数据科学领域应用的专著，实在让人耳目一新。这本书的视角非常独特，它并没有仅仅停留在对经典算法的机械式介绍上，而是深入剖析了如何将这些强大的数学工具与复杂的实际问题——尤其是机器学习和模式识别中的挑战——进行深度融合。书中对算法的推导过程详略得当，既保证了严谨性，又没有让读者陷入无休止的数学符号迷宫。我特别欣赏作者在介绍新颖的改进策略时所展现出的洞察力，比如如何巧妙地平衡全局探索与局部收敛性，这对于解决高维、非凸优化难题至关重要。阅读过程中，我常常被书中的案例所启发，这些案例不再是教科书式的“玩具问题”，而是紧密贴合当前工业界和学术界热点，比如大规模图像分类中的特征选择，或者复杂时间序列预测中的模型参数寻优。整体来看，这本书更像是一份实践指南，它教会你“如何思考”优化问题，而不仅仅是“如何计算”结果，对于希望提升算法实战能力的读者来说，无疑是一笔宝贵的财富。

评分☆☆☆☆☆

我一直认为，好的技术书籍不应该只是知识的搬运工，更应该是思想的催化剂。这本关于优化方法论的书籍，恰恰做到了这一点。它在介绍核心算法框架后，迅速转向了对“局限性”的深刻反思。例如，书中对传统方法在处理多模态目标函数时遇到的陷阱进行了详尽的剖析，随后引出了一系列前沿的变体，这些变体并非简单的修补，而是从根本上重构了搜索策略。阅读这些内容时，我感到自己对“搜索空间”的理解被极大地拓宽了。书中还穿插了一些历史性的回顾，讲述了某个优化思想是如何在不同时代背景下被重新发现和应用的，这种历史的纵深感使得技术不再是孤立的，而是与整个科学发展史相连。对于那些渴望在现有技术基础上进行创新的研究人员来说，这种由内而外的启发远比一个现成的代码库更有价值，它点燃了对未知领域探索的热情。