领域专家创建人工贝叶斯网络的细化算法的扩展(IJWMT-V8-N1-3)

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I.J. Wireless and Microwave Technologies, 2018, 1, 25-33

Published Online January 2018 in MECS(https://www.360docs.net/doc/da16528955.html,)

DOI: 10.5815/ijwmt.2018.01.03

Available online at https://www.360docs.net/doc/da16528955.html,/ijwmt

Extension of Refinement Algorithm for Manually Built Bayesian

Networks Created by Domain Experts

Naveen kumar bhimagavni a, Dr.PV Kumar b

a Osmania University, University College of Engineering, Hyderabad and 500001, India

b Osmania University, University College of Engineering, Hyderabad and 500001, India

Received: 10 March 2017; Accepted: 17 June 2017; Published: 08 January 2018

Abstract

Generally, Bayesian networks are constructed either from the available information or starting from a na?ve Bayes. In the medical domain, some systems refine Bayesian network manually created by domain experts. However, existing techniques verify the relation of a node with every other node in the network. In our previous work, we define a Refinement algorithm that verifies the relation of a node only with the set of its independent nodes using Markov Assumption. In this work, we did propose Extension of Refinement Algorithm that uses both Markov Blanket and Markov Assumption to find the list of independent nodes and adhere to the property of considering minimal updates to the original network and proves that less number of comparisons is needed to find the best network structure.

Index Terms: Bayesian network, Medical Domain, Markov Assumption, Markov Blanket, Refinement Algorithm.

? 2018 Published by MECS Publisher. Selection and/or peer review under responsibility of the Research Association of Modern Education and Computer Science

1.Introduction

A Bayesian network (BN) is a graph data structure that is composed of nodes and directed edges. It encodes conditional probability distributions among random variables. Nodes represent random variables and edge between them represents a statistical dependence of the child node on the parent node. Each node is associated with the conditional probability distribution of the variable given the values of its parent nodes, and this information can be used to infer the queries such as the most probable values of variables in the Bayesian Network given assignments to other variables in the Network.

* Corresponding author. Tel: +91-87 90 998 128

E-mail address: naveenkumar0206@https://www.360docs.net/doc/da16528955.html,

Let G be a BN graph over the variables X1,….,X n, each random variable X i in the network has an associated conditional probability distribution (CPD) or local probabilistic model denoted as P(X i|P a X i). It captures the conditional probability of the random variable, given its parents (P a X i ) in the graph. Probability distribution

P B over the same space factorizes according to G if P B can be represented using the chain rule for Bayesian networks as mentioned below

n

P B(X1,….,X n)=∏P(X i|P a X i)

i=1

The chain rule gives us a method for determining the probability of any complete assignment to the set of random variables; any entry in the joint can be computed as a product of factors, one for each variable. Each factor represents a conditional probability of the variable given its parents in the network.

1.1.Markov Assumption

The Bayesian network can also be viewed as a compact representation of a set of conditional independence assumptions about a distribution. These conditional independence assumptions are called the local Markov assumptions.

Given a BN network structure G over random variables X1,….,X n, let Non-Descendants X i denote the variables in the graph that are not descendants of X i. Then G encodes the following set of conditional independence assumptions, called the local Markov assumptions

For each variable X i, there exists a conditional independence relation in G and it is referred as local Markov Assumption (X i⊥Non?Descendants X i|P a X i)

The local Markov assumption states that each node X i is independent of its non-descendants given its parents.

1.2.Markov blanket

The Markov blanket for a node X i in a Bayesian network is the set of nodes composed of X i's parents P a( X i), its children C?(X i), and its children's other parents P a(Y i).

Markov blanket (X i) =P a( X i)∪C?(X i)∪ ?P a(Y i)

Y?C?(X i)

2.Related work

Generally, the network structure is learned from a dataset comprising various potentially predictive variables, some of which will be included in the network. Then the parameters of this network are trained by looking at the conditional probabilities of the variables within the dataset. Finally, an inference can be performed to predict the status of new data points that contain measurements of the same variables. As an alternate, initial Bayesian network structure can be developed by domain experts and will be refined using various techniques such as Refinement Algorithm and ExpertBayes.

Existing Refinement Algorithm considers only Markov Assumption to find the list of independent nodes. In this work, we propose Extension of Refinement Algorithm that considers the manually created Bayesian network and refines it to the best network structure with optimal time complexity while confining to the rule of making minimal updates to the initial network structure using Markov Blanket and Markov Assumption, thereby reducing the number of comparisons further.

3.New Refinement Algorithm

The updated Refinement algorithm is implemented with the set of functions developed in Octave mathematical Tool such as (i) FindDesendents–finds the list of dependent nodes for a given node (ii) Updated ComputeIndependentList–computes the list of independent nodes for a given node based on Markov Assumption and Markov Blanket (iii) Find Cycle– finds if there exists a cycle when an edge is added between two input nodes.

The new Refinement Algorithm extends insertion operator by prioritizing the consideration of a relation between source node S n and destination node D n, where D n is sequentially selected from the list of independent nodes for a given source node S n. First, Markov Assumption rule can be applied to a node in the network to find the list of its independent nodes. Markov Blanket rule than can be applied to a node in the network to reduce the list of its independent nodes further. Add an edge from S n to D n(S n→D n ) and proceed only if there will not exist any cycle; compute the present_score of the Bayesian network and compare it with the best_ score. If the present_score is greater than best score, mark present score as the best score else reverse the edge direction (D n→S n) and repeat the above steps. This procedure can be applied to all the Source nodes in the network. best_score can be initially computed by finding accuracy with original network structure.present_score is calculated with an accuracy of the Bayesian network structure capable of inferring the outcome of a random variable.

Data:

Source Bayesian Network // initial network structure

Result:

Refined Bayesian Network

Steps:

1. Read Source Bayesian Network;

2. Validate if the input Source Bayesian Network is empty;

3. for each node (S n ) in the Source Bayesian Network

4. L(D n)= ComputeIndependentList //Computes list of Independent nodes

5. for each node (D i) in the list L(D m)

6. Add an Edge (S i→D i)

7. If FindCycle (S i D i)=0 then

8. Compute the present_score

9. If present_score > best_score

10. best_score = present_score

else

11. Remove an Edge S i→D i

12. Add an Edge D i→S i

13. repeat the steps 7, 8, 9 and 10

14. end

Algorithm 1: New Refinement Algorithm

Data:

Source Bayesian Network // initial network structure

Source Node

Result:

List of descendants of Source Node

Steps:

1. Read Source Bayesian Network;

2. Read the source node;

3. Find the list of descendants to source node;

Algorithm 2: Find Descendants

Data:

Source Bayesian Network // initial network structure

Source Node

Result:

List of Independent Nodes of Source Node S n based on Markov Assumption Steps:

1. Read Source Bayesian Network;

2. Read the source node S n;

3. List = total nodes in BayesianNetwork;

4. Remove List = FindDescendants (S n);

5. List = List - Remove List;

Algorithm 3: Updated ComputeIndependentList

Data:

Source Bayesian Network // initial network structure

Source Node and Destination Node

Result:

Returns Cycle = 0 or 1 based on whether cycle exists or not

Steps:

1. Read Source Bayesian Network;

2. Read the source node S n and Destination node D n;

3. List = FindDesendents (Destination node D n);

4. If source node S n is member of List then

return 1;

else

return 0;

Algorithm 4: FindCycles

4.Result

Fig.1. Initial bayesian network

Fig.2. New refinement algorithm based Bayesian network

Table 1. Comparison table

Source node(S i) List of destination nodes(Dm) New Refinement Algorithm Refinement Algorithm

1 {10} 0 1

2 {3,4,5,6,7,8,9} 7 7

3 {4,5,6,7,8,9} 6 6

4 {5,6,7,8,9}

5 5

5 {6,7,8,9} 4 4

6 {7,8,9} 3 3

7 {8,9} 2 2

8 {9} 1 1

9 {} 0 0

10 {1} 0 1

Total number of comparisons(t) 28 30

Total number of times calculating score(2t) 56 60

When new refinement algorithm is applied to the initial Bayesian network structure as mentioned in Fig 1, the total number of comparisons (t) required to find the best network structure would be 28, while the existing techniques makes a total of 30 number of comparisons as mentioned in the comparison table (Table 1), another parameter the total number of times calculating score can be calculated by multiplying t with two, when considering edge direction. In addition, existing techniques calculate the score by removing and reversing edge between nodes, thereby increasing the latter parameter to 60, though the difference is small, it is considered to make a large impact on the number of nodes is increased. The resultant Bayesian network after applying new refinement algorithm is shown in Fig 2.

4.1.Result Analysis

Refinement algorithm extends existing work by pruning the number of permutations considerably to approximately less than O (n2)/2 based on Markov Assumption and New Refinement Algorithm further reduces the number of comparisons and outputs the best score network structure. The Time complexity of new Refinement Algorithm can be estimated as mentioned below.

The worst case time complexity can be derived from three cases

Case 1: For the root nodes (n/4), which don’t have any parents in Bayesian network – Worst case Time complexity T (C1)= O (n/4 + 3n/4)= O (n)

Case 2: For the leaf nodes (n/4), which don’t have any descendants in Bayesian network – Worst case Time complexity T (C2)= O (n/4 + 3n/4)= O (n)

Case 3: For the non-leaf nodes (n/2), which contains both parents and descendants in Bayesian network –Worst case Time complexity T (C3)= O (n)

Total Time Complexity

T(C)= T (C1) + T (C2) + T (C3)

= O (n) + O (n) + O (n)

= O (3n)< O (n2)/2

Recent research techniques refine the Bayesian network by considering all the possible permutations of nodes (considering the combinations of each pair of nodes in the network), which leads to the time complexity of O (n2)where n belongs to a number of nodes in the initial Bayesian network structure developed by domain experts.

4.2.Data and Validation

The manually built Bayesian Network is identified and collected for the widespread disease breast cancer in the medical domain;the source of data for the breast cancer was found from UCI Machine Learning Repository (Dataset Table 2). different parameters are represented as nodes in the Bayesian network such as 1.Clump Thickness, 2.Uniformity of Cell Size, 3.Uniformity of Cell Shape, 4.Marginal Adhesion, 5.Single Epithelial Cell Size, 6.Bare Nuclei, 7.Bland Chromatin, 8.Normal Nucleoli, 9.Mitoses and 10.Class: (1 for benign, 2 for malignant), the initial Bayesian network structure, manually created by domain experts was identified using the training set from the repository.

5-fold cross-validation is used to validate proposed Refinement Algorithm with consideration of dividing training set into 5 training samples being tested with test set and the results are analyzed using the Precision and Recall curve.

Table 2. Dataset

Data Number of records Number of Variables Positive Negative

Breast cancer1 400 10 140 260

Breast cancer2 299 10 71 228

5.Conclusions

When Precision and Recall analysis is performed for the 5 training samples along with test set, it is observed from the plotted graph (Fig 3) that for the same baseline Recall value, Precision values for the different training samples are in increasing order and it confirms that Refinement Algorithm reduces the probability of referring the healthy patients to the complex diagnostic tests. Table 3 describes the comparison of the proposed Refinement Algorithm with existing techniques in terms of number of comparison for the worst case scenario (naive Bayesian network structure); it can be derived from Comparison Graph (Fig 4) that number of comparisons is reduced considerably by refinement algorithm while maintaining the refinement capability intact with minor updates to the original network as mentioned in Fig 2; It is observed that time complexity is also decreased (Average reduced complexity c < 8.03%) for the various number of nodes in a given Bayesian network;

Fig.3. Precision and Recall Curves for the various thresholds

Fig.4. Comparison Graph of Refinement Algorithm with ExpertBayes

Table 3. Complexity comparison table

No of Nodes Refinement Algorithm New Refinement Algorithm Reduced Complexity (%)

15 60 55 8.33

20 86 80 6.98

25 110 100 9.09

30 164 150 8.54

6.Future Work

We did propose and implemented new Refinement Algorithm to refine manually built a Bayesian network with reduced time complexity as compared to existing refinement techniques while confirming to the rule of making minor updates to the original network structure created by experts. Our focus is to refine this approach further to reduce the number of comparisons and another aspect is to extend this method to the Bayesian network having continuous random variables without discretizing them, thereby improving performance and estimation of classification.

Reference

[1]Ezilda Almeida, Pedro Ferreira, Tiago T. V. Vinhoza, Inez Dutra, Paulo Borges, Yirong Wu and Elizabeth

Burnside. ExpertBayes: Automatically Refining Manually Built Bayesian Networks IEEE 2014 13th International Conference on Machine Learning and Applications. 2014; 362–366.

[2]Shu-bin SI1, Guan-min LIU1, Zhi-qiang CAI1, Peng XIA2. Using Bayesian Networks to Built A

iagnosisand Prognosis Model for Breast Cancer; 1795-1796.

[3]Dimitris,Mar,garitis. LearningBayesianNetworkModelStructure from Data, PhD Thesis 2003;57-67.

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https://www.360docs.net/doc/da16528955.html,/ml/datasets.html?sort=nameUp&view=list.

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Universityhttps://https://www.360docs.net/doc/da16528955.html,/learn/probabilistic-graphical-models.

[6]https://www.360docs.net/doc/da16528955.html,. An implementation of Bayesian Networks Model for pure C++;2 – 6.

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[8]Tomasz Ku laga, Master Thesis, Jagiellonian University. The Markov Blanket Concept in Bayesian

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[10]Nir Friedman , Joseph Y. Halpern. A Qualitative Markov Assumption and Its Implications for Belief

hange;263:1-3

[11]Henri Amuasi. Octave Programming Tutorial; 2016

[12]Daphne Koller, Nir Friedman. Probabilistic Graphical Models Principles and Techniques. The MIT Press

Cambridge, Massachusetts; 2009.

Authors’Profiles

Mr. Naveen Kumar Bhimagavni, is a Research Scholar in Osmania University, did

his .Tech in CSE from JNT University, Hyderabad. Completed M.Tech in CSE from

smania University, Hyderabad. Presently he is working in CSE department at overnment

Polytechnic as Lecturer.

Dr.P.V.Kumar, Professor of CSE in Osmania University Hyderabad, Completed M.Tech

(CSE) and Ph.D. (CSE) degree from Osmania University, Hyderabad. He has 30 years of

Teaching & R&D experience. Many students are working under him for Ph.D. He has to

his credits around 56 papers in various fields of Engineering, which includes Indian,

International journals, National and International conferences, He worked as Chairman

BOS in OUCE and conducted various staff development programs and workshops. He is

Life Member of ISTE and CSI societies.

How to cite this paper:Naveen kumar bhimagavni, PV Kumar," Extension of Refinement Algorithm for Manually Built Bayesian Networks Created by Domain Experts", International Journal of Wireless and Microwave Technologies(IJWMT), Vol.8, No.1, pp. 25-33, 2018.DOI: 10.5815/ijwmt.2018.01.03

如何使用贝叶斯网络工具箱

如何使用贝叶斯网络工具箱 2004-1-7版 翻译:By 斑斑(QQ:23920620) 联系方式:banban23920620@https://www.360docs.net/doc/da16528955.html, 安装 安装Matlab源码 安装C源码 有用的Matlab提示 创建你的第一个贝叶斯网络 手工创建一个模型 从一个文件加载一个模型 使用GUI创建一个模型 推断 处理边缘分布 处理联合分布 虚拟证据 最或然率解释 条件概率分布 列表(多项式)节点 Noisy-or节点 其它(噪音)确定性节点 Softmax(多项式 分对数)节点 神经网络节点 根节点 高斯节点 广义线性模型节点 分类 / 回归树节点 其它连续分布 CPD类型摘要 模型举例 高斯混合模型 PCA、ICA等 专家系统的混合 专家系统的分等级混合 QMR 条件高斯模型 其它混合模型

参数学习 从一个文件里加载数据 从完整的数据中进行最大似然参数估计 先验参数 从完整的数据中(连续)更新贝叶斯参数 数据缺失情况下的最大似然参数估计(EM算法) 参数类型 结构学习 穷举搜索 K2算法 爬山算法 MCMC 主动学习 结构上的EM算法 肉眼观察学习好的图形结构 基于约束的方法 推断函数 联合树 消元法 全局推断方法 快速打分 置信传播 采样(蒙特卡洛法) 推断函数摘要 影响图 / 制定决策 DBNs、HMMs、Kalman滤波器等等

安装 安装Matlab代码 1.下载FullBNT.zip文件。 2.解压文件。 3.编辑"FullBNT/BNT/add_BNT_to_path.m"让它包含正确的工作路径。 4.BNT_HOME = 'FullBNT的工作路径'; 5.打开Matlab。 6.运行BNT需要Matlab版本在V5.2以上。 7.转到BNT的文件夹例如在windows下,键入 8.>> cd C:\kpmurphy\matlab\FullBNT\BNT 9.键入"add_BNT_to_path",执行这个命令。添加路径。添加所有的文件夹在Matlab的路 径下。 10.键入"test_BNT",看看运行是否正常,这时可能产生一些数字和一些警告信息。(你可 以忽视它)但是没有错误信息。 11.仍有问题?你是否编辑了文件?仔细检查上面的步骤。

matlab神经网络工具箱简介

MATLAB软件中包含MATLAB神经网络工具箱,工具箱以人工神经网络为基础,只要根据自己需要调用相关函数,就可以完成网络设计、权值初始化、网络训练等,MATLAB神经网络工具箱包括的网络有感知器、线性网络、BP神经网络、径向基网络、自组织网络和回归网络,BP神经网络工具箱主要包括newff,sim和train三个神经网络函数各函数的解释如下:1 newff::::BP神经网络参数设置函数神经网络参数设置函数神经网络参数设置函数神经网络参数设置函数 函数功能:构建一个BP神经网络。 函数形式:net = newff(P,T,S,TF,BTF,BLF,PF,IPF,OPF,DDF) P:输入数据矩阵 T:输出数据矩阵 S:隐含层节点数 TF:节点传递函数,包括硬限幅传递函数hardlim,对称硬限幅传递函数hardlims,线性传递函数purelin,正切S型传递函数tansig,对数S型传递函数logsig BTF:训练函数,包括梯度下降BP算法训练函数traingd,动量反传的梯度下降BP算法训练函数traingdm,动态自适应学习率的梯度下降BP算法训练函数traingda,动量反传和动态自适应学习率的梯度下降BP算法训练函数traingdx,Levenberg_Marquardt 的BP算法训练函数trainlm BLF:网络学习函数,包括BP学习规则learngd,带动量项的BP学习规则learngdm PF:性能分析函数,包括均值绝对误差性能分析函数mae,均方差性能分析函数mse IPF:输入处理函数 OPF:输出处理函数 DDF:验证数据划分函数 一般在使用过程中设置前六个参数,后四个参数采用系统默认参数。 2 train::::BP神经网络训练函数神经网络训练函数神经网络训练函数神经网络训练函数函数功能:用训练数据训练BP神经网络。 函数形式:[net,tr] = train(NET,X,T,Pi,Ai) NET:待训练网络 X:输入数据矩阵 T:输出数据矩阵 Pi:初始化输入层条件 Ai:初始化输出层条件 net:训练好的网络 tr:训练过程记录 一般在使用过程中设置前三个参数,后两个参数采用系统默认参数。 3 sim::::BP神经网络预测函数神经网络预测函数神经网络预测函数神经网络预测函数 函数功能:用训练好的BP神经网络预测函数输出 函数形式:y=sim(net,x) net:训练好的网络 x:输入数据 y:网络预测数据 只要我们能够熟练掌握上述三个函数,就可以完整的编写一个BP神经网络预测或者分类的程序。

贝叶斯网络构建算法

3.1 贝叶斯网络构建算法 算法3.1:构建完全连接图算法 输入:样本数据D ;一组n 个变量V={V l ,V 2,…,V n }变量。 输出:一个完全连接图S 算法: 1、 连接任意两个节点,即连接边 L ij=1,i ≠j 。 2、 为任一节点V i 邻接点集合赋值,B i= V\{V i }。 算法3.2:构建最小无向图算法 输入:样本数据D ;一组n 个变量V={V l ,V 2,…,V n }变量。及算法3.1中得到的邻接点集B i ,连接边集 L ij 先验知识:节点V i ,V j 间连接边是否存在 变量说明:L 为连接边,|L|=n(n –1)/2为连接边的数量,B i 表示变量V i 的直接邻近集,|B i |表示与变量B i 相邻的变量数。(V i ⊥V j |Z)表示V i 和V j 在Z 条件下条件独立,设∧(X ,Y)表示变量X 和Y 的最小d-分离集。 输出:最小无向图S 1、根据先验知识,如果V i 和V j 不相连接,则L ij =0 . 2、对任一相连接边,即L ij ≠0,根据式(3-12)计算互信息I (V i ,V j ) ),(Y X I =))()(|),((y p x P y x p D =????? ?)()(),(log ),(Y p X p Y X p E y x P (3-12) if I (V i ,V j )ε≤ then { L ij =0 //V i 和V j 不相连接 B i= V\{V j }, B j= V\{V i } //调整V i 和V j 邻接集 } else I ij = I (V i ,V j ) //节点V i 和V j 互信息值 3、对所有连接边,并按I ij 升序排序 4、如果连接边集L ij 不为空,那么按序选取连接边L ij ,否则 goto 10 if |B i |≥ |B j |,令Z= B i else Z= B j //为后面叙述方便,这里先假设|B i |≥ |B j | 5、逐一计算L ij 的一阶条件互信息I(V i ,V j |Z 1),Z 1={Y k }, Y k ∈Z, if I(V i ,V j |Z 1)ε≤ then { L ij =0 //V i 和V j 关于Z 1条件独立 B i= V\{V j }, B j= V\{V i } //调整V i 和V j 邻接集 d ij = Z 1 //L ij 最小d 分离集为Z 1 goto 4

matlab工具箱的使用_Toolbox

神经网络工具箱的使用 本章主要介绍神经网络工具箱的使用,使用nntool可以使得原本用编程来创建神经网络变得容易,而且不容易出错。 1 神经网络的创建与训练 神经网络的创建主要分为以下四步: 1)在命令窗口键入nntool命令打开神经网络工具箱。如图1: 图 1 2)点击Import按钮两次,分别把输入向量和目标输出加入到对应的窗口([Inputs]和[Targets])中,有两种可供选择的加入对象(点击Import后可以看见),一种是把当前工作区中的某个矩阵加入,另一种是通过.mat文件读入。如图2和图3:

图 2 图 3 3)点击[New Network]按钮,填入各参数:(以最常用的带一个隐层的3层神经网络为例说明,下面没有列出的参数表示使用默认值就可以了,例如Network Type为默认的BP神经网络);

i)Input Range——这个通过点击Get From Input下拉框选择你加入的输入向量便可自动完成,当然也可以自己手动添加。 ii) Training Function——最好使用TRAINSCG,即共轭梯度法,其好处是当训练不收敛时,它会自动停止训练,而且耗时较其他算法(TRAINLM,TRAINGD)少,也就是收敛很快(如果收敛的话),而且Train Parameters输入不多,也不用太多的技巧调整,一般指定迭代次数、结果显示频率和目标误差就可以了(详见下文)。 iii) Layer 1 Number of Neurons——隐层的神经元个数,这是需要经验慢慢尝试并调整的,大致上由输入向量的维数、样本的数量和输出层(Layer2)的神经元个数决定。一般来说,神经元越多,输出的数值与目标值越接近,但所花费的训练时间也越长,反之,神经元越少,输出值与目标值相差越大,但训练时间会相应地减少,这是由于神经元越多其算法越复杂造成的,所以需要自己慢慢尝试,找到一个合适的中间点。比如输入是3行5000列的0-9的随机整数矩阵,在一开始选择1000个神经元,虽然精度比较高,但是花费的训练时间较长,而且这样神经网络的结构与算法都非常复杂,不容易在实际应用中实现,尝试改为100个,再调整为50个,如果发现在50个以下时精度较差,则可最后定为50个神经元,等等。 iv)Layer 1 Transfer Function——一般用TANSIG(当然也可以LOGSIG),即表示隐层输出是[-1,1]之间的实数,与LOGSIG相比范围更大。 v) Layer 2 Number of Neurons——输出层的神经元个数,需要与输出的矩阵行数对应,比如设置为3,等等。 vi) Layer 2 Transfer Function——如果是模式识别的两类(或者多类)问题,一般用LOGSIG,即表示输出层的输出是[0,1]之间的实数;如果输出超过[0,1]则可选择PURELIN。如图4和图5。

神经网络工具箱操作

1. 打开MATLAB,在命令行输入nntool,将出现如下界面: 图1 神经网络工具箱主界面 其中最主要的分为6个部分:第1部分中显示的是系统的输入数据;第2部分是系统的期望输出;第3部分是网络的计算输出;第4部分是网络的误差,即2 和3之间的差异;第5部分呈现的是已经建立的神经网络实例;第6部分的两个按钮分别负责数据的导入和网络模型的建立。 2. 点击“Import”按钮,分别导入输入数据与目标输出数据(数据可从工作区导入,也可从文件导入): 图2 导入输入数据集

图3 导入期望输出数据集 导入数据后主界面的情况如下: 图4 导入数据后的情况 重要说明:神经网络的数据是以列为基本单位的,即输入与输出数据的列数必须相同,否则将报错!如果原先数据是以行为单位组织的话,可以先在MATLAB 中实现转置然后再导入,即B = A’。

3.现在需要的数据已经有了,下一步就是建立一个神经网络模型对数据集进行学习。以下步骤以BP网络为例,首先点击“New”按钮,出现如下界面: 几个重要部分已在上图中框出:1处用于定义该神经网络的名称;2处用于选择神经网络的类型;3处用于选择网络的输入数据;4处用于确定网络的期望输出数据;5、6、7处分别对神经网络的主要机制函数进行设置;8处设置网络层数;9处用于选择各网络层(需要说明的是:第1层指的是隐含层而不是输入层),从而在10和11处可以对该层的神经元个数和传递函数进行设置;12处按钮可以用于查看当前所设置的神经网络的结构图(下附图);点击13处按钮即可生成对应的神经网络模型。前面只是简单地介绍了各个部分的作用,具体参数应该如何设置就只有各位自行去学习相关的文献了,此处不再多言。

贝叶斯网络工具箱使用

matlab贝叶斯网络工具箱使用 2010-12-18 02:16:44| 分类:默认分类| 标签:bnet 节点叶斯matlab cpd |字号大中小订阅 生成上面的简单贝叶斯网络,需要设定以下几个指标:节点,有向边和CPT表。 给定节点序,则只需给定无向边,节点序自然给出方向。 以下是matlab命令: N = 4; %给出节点数 dag = false(N,N); %初始化邻接矩阵为全假,表示无边图C = 1; S = 2; R = 3; W = 4; %给出节点序 dag(C,[R,S])=true; %给出有向边C-R,C-S dag([R,S],W)=true; %给出有向边R-W,S-W discrete_nodes = 1:N; %给各节点标号 node_sizes = 2*ones(1,N); %设定每个节点只有两个值 bnet = mk_bnet(dag, node_sizes); %定义贝叶斯网络bnet %bnet结构定义之后,接下来需要设定其参数。 bnet.CPD{C} = tabular_CPD(bnet, C, [0.5 0.5]); bnet.CPD{R} = tabular_CPD(bnet, R, [0.8 0.2 0.2 0.8]); bnet.CPD{S} = tabular_CPD(bnet, S, [0.5 0.9 0.5 0.1]); bnet.CPD{W} = tabular_CPD(bnet, W, [1 0.1 0.1 0.01 0 0.9 0.9 0.99]); 至此完成了手工输入一个简单的贝叶斯网络的全过程。 要画结构图的话可以输入如下命令: G=bnet.dag; draw_graph(G); 得到:

不错的Matlab神经网络工具箱实用指南

Matlab的神经网络工具箱实用指南 文章摘要:第一章是神经网络的基本介绍,第二章包括了由工具箱指定的有关网络结构和符号的基本材料以及建立神经网络的一些基本函数,例如new、init、adapt和train。第三章以反向传播网络为例讲解了反向传播网络的原理和应用的基本过程。 第一章介绍 1.神经网络 神经网络是单个并行处理元素的集合,我们从生物学神经系统得到启发。在自然界,网络功能主要由神经节决定,我们可以通过改变连接点的权重来训练神经网络完成特定的功能。 一般的神经网络都是可调节的,或者说可训练的,这样一个特定的输入便可得到要求的输出。如下图所示。这里,网络根据输出和目标的比较而调整,直到网络输出和目标匹配。作为典型,许多输入/目标对应的方法已被用在有监督模式中来训练神经网络。 神经网络已经在各个领域中应用,以实现各种复杂的功能。这些领域包括:模式识别、鉴定、分类、语音、翻译和控制系统。 如今神经网络能够用来解决常规计算机和人难以解决的问题。我们主要通过这个工具箱来建立示范的神经网络系统,并应用到工程、金融和其他实际项目中去。 一般普遍使用有监督训练方法,但是也能够通过无监督的训练方法或者直接设计得到其他的神经网络。无监督网络可以被应用在数据组的辨别上。一些线形网络和Hopfield网络是直接设计的。总的来说,有各种各样的设计和学习方法来增强用户的选择。 神经网络领域已经有50年的历史了,但是实际的应用却是在最近15年里,如今神经网络仍快速发展着。因此,它显然不同与控制系统和最优化系统领域,它们的术语、数学理论和设计过程都已牢固的建立和应用了好多年。我们没有把神经网络工具箱仅看作一个能正常运行的建好的处理轮廓。我们宁愿希望它能成为一个有用的工业、教育和研究工具,一个能够帮助用户找到什么能够做什么不能做的工具,一个能够帮助发展和拓宽神经网络领域的工具。因为这个领域和它的材料是如此新,这个工具箱将给我们解释处理过程,讲述怎样运用它们,并且举例说明它们的成功和失败。我们相信要成功和满意的使用这个工具箱,对范例

JAVA贝叶斯网络算法

贝叶斯网络 提纲: 最近工作: B-COURSE工具学习 BNT研究与学习 BNT相关实验及结果 手动建立贝叶斯网及简单推理 参数学习 结构学习 下一步工作安排 最近工作: 1. B-COURSE 工具学习 B-COURSE是一个供教育者和研究者免费使用的web贝叶斯网络工具。主要分为依赖关系建模和分类器模型设计。输入自己的研究数据,就可以利用该工具在线建立模型,并依据建立好的模型进行简单推理。 B-COURSE要求数据格式是ASCII txt格式的离散数据,其中第一行是各种数据属性变量,其余各行则是采集的样本,属性变量值可以是字符串也可以是数据,属性变量之间用制表符分割,缺失属性变量值用空格代替。读入数据后,在进行结构学习前,可以手动的选择需

要考虑的数据属性!生成过程中,可以手动确定模型,确定好模型后,可以选择JAVA playgroud,看到一个java applet程序,可以手动输入相应证据,从而进行简单推理。 B-COURSE的详细使用介绍,可详见 [url]http://b-course.cs.helsinki.fi/obc/[/url]。 B-COURSE工具隐藏了数据处理,算法实现等技术难点,所以对初学者来说,容易上手。但是却不能够针对不同的应用进行自主编程,缺乏灵活性。 2.贝叶斯网工具箱BNT的研究与学习 基于matlab的贝叶斯网络工具箱BNT是kevin p.murphy基于matlab语言开发的关于贝叶斯网络学习的开源软件包,提供了许多贝叶斯网络学习的底层基础函数库,支持多种类型的节点(概率分布)、精确推理和近似推理、参数学习及结构学习、静态模型和动态模型。 贝叶斯网络表示:BNT中使用矩阵方式表示贝叶斯网络,即若节点i到j有一条弧,则对应矩阵中(i,j)值为1,否则为0。 结构学习算法函数:BNT中提供了较为丰富的结构学习函数,都有: 1. 学习树扩展贝叶斯网络结构的TANC算法learn_struct_tan(). 2. 数据完整条件下学习一般贝叶斯网络结构的K2算法 learn_struct_k2()、贪婪搜索GS(greedy search)算法

如何用MATLAB的神经网络工具箱实现三层BP网络

如何用MA TLAB的神经网络工具箱实现三层BP网络? % 读入训练数据和测试数据 Input = []; Output = []; str = {'Test','Check'}; Data = textread([str{1},'.txt']); % 读训练数据 Input = Data(:,1:end-1); % 取数据表的前五列(主从成分) Output = Data(:,end); % 取数据表的最后一列(输出值) Data = textread([str{2},'.txt']); % 读测试数据 CheckIn = Data(:,1:end-1); % 取数据表的前五列(主从成分) CheckOut = Data(:,end); % 取数据表的最后一列(输出值) Input = Input'; Output = Output'; CheckIn = CheckIn'; CheckOut = CheckOut'; % 矩阵赚置 [Input,minp,maxp,Output,mint,maxt] = premnmx(Input,Output); % 标准化数据 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%% % 神经网络参数设置 %====可以修正处 Para.Goal = 0.0001; % 网络训练目标误差 Para.Epochs = 800; % 网络训练代数 Para.LearnRate = 0.1; % 网络学习速率 %==== Para.Show = 5; % 网络训练显示间隔 Para.InRange = repmat([-1 1],size(Input,1),1); % 网络的输入变量区间 Para.Neurons = [size(Input,1)*2+1 1]; % 网络后两层神经元配置

贝叶斯网络结构学习的发展与展望_贺炜

文章编号:100220411(2004)022******* 贝叶斯网络结构学习的发展与展望 贺 炜,潘 泉,张洪才 (西北工业大学自动控制系613信箱,陕西西安 710072) 摘 要:从最初的概率贝叶斯网络构建阶段到涌现大量研究成果的因果贝叶斯网络结构学习阶段,本文完整地回顾了贝叶斯网络结构学习的整个发展历程,并对该领域当前存在的问题及相关研究进行分析论述,给出了研究展望.值得一提的是,贝叶斯网络结构学习正在成为因果数据挖掘的主流. 关键词:概率贝叶斯网络;因果贝叶斯网络;贝叶斯网络结构学习;因果数据挖掘 中图分类号:TP18 文献标识码:A Development and Prospect of B ayesian N et w ork Structure Learning HE Wei,PAN Quan,ZHAN G Hong2cai (Depart ment of Cybernetics,Northwest Polytechnical U niversity,Xiπan 710072,Chi na) Abstract:From the initial stage of probabilistic Bayesian network construction to the flourishing stage of causal Bayesian network structure learning,this paper firstly reviews Bayesian network structure learning.Then its current problems,related researches and prospects are discussed.It is worth of pointing out that the research of Bayesian network structure learning is becoming the mainstream in the field of causal data mining. K eyw ords:probabilistic Bayesian network;causal Bayesian network;Bayesian network structure learning; causal data mining 1 基本概念(B asic concepts) 1.1 贝叶斯网络 贝叶斯网络[1~9]又称为信念网络,是一种图型化的模型,能够图形化地表示一组变量间的联合概率分布函数.一个贝叶斯网络包括了一个结构模型和与之相关的一组条件概率分布函数.结构模型是一个有向无环图,其中的节点表示了随机变量,是对于过程、事件、状态等实体的某特性的描述,边则表示变量间的概率依赖关系.图中的每个节点都有一个给定其父节点情况下该节点的条件概率分布函数.这样,一个贝叶斯网络就用图形化的形式表示了如何将与一系列节点相关的条件概率函数组合成为一个整体的联合概率分布函数.因果贝叶斯网络是指具有因果含义的贝叶斯网络,其中每个节点的父节点被解释为该节点相对于模型中其它节点的直接原因.为了与之区别,有时也将没有因果意义的贝叶斯网络称为概率贝叶斯网络. 贝叶斯网络作为一种图形化的建模工具,具有一系列的优点:(1)贝叶斯网络将有向无环图与概率理论有机结合,不但具有了正式的概率理论基础,同时也具有更加直观的知识表示形式.一方面,它可以将人类所拥有的因果知识直接用有向图自然直观地表示出来,另一方面,也可以将统计数据以条件概率的形式融入模型.这样贝叶斯网络就能将人类的先验知识和后验的数据无缝地结合,克服框架、语义网络等模型仅能表达处理定量信息的弱点和神经网络等方法不够直观的缺点;(2)贝叶斯网络与一般知识表示方法不同的是对于问题域的建模.因此当条件或行为等发生变化时,不用对模型进行修正;(3)贝叶斯网络可以图形化表示随机变量间的联合概率,因此能够处理各种不确定性信息;(4)贝叶斯网络中没有确定的输入或输出节点,节点之间是相互影响的,任何节点观测值的获得或者对于任何节点的干涉,都会对其他节点造成影响,并可以利用贝叶斯网络推理来进行估计预测;(5)贝叶斯网络的推理是以贝叶斯概率理论为基础的,不需要外界的任何推理机制,不但具有理论依据,而且将知识表示与知 第33卷第2期2004年4月 信息与控制 Information and Control Vol.33,No.2   Apr.,2004  收稿日期:2003-03-17  基金项目:国家自然科学基金资助项目(60172037);教育部“跨世纪优秀人才培养计划”基金资助项目(教技函[2001]1号)

神经网络工具箱

神经网络工具箱 版本6.0.4(R2010a版本)25-JAN-2010 图形用户界面的功能。 nctool - 神经网络分类的工具。 nftool - 神经网络拟合工具。 nprtool - 神经网络模式识别工具。 nntool - 神经网络工具箱的图形用户界面。 nntraintool - 神经网络训练工具。 视图- 查看一个神经网络。 分析功能。 混乱- 分类混淆矩阵。 errsurf - 单输入神经元的误差表面。 maxlinlr - 最大的学习率的线性层。 鹏- 受试者工作特征。 距离函数。 boxdist - 箱距离函数。 DIST - 欧氏距离权重函数。 mandist - 曼哈顿距离权重函数。 linkdist - 链路距离函数。 格式化数据。 combvec - 创建载体的所有组合。 con2seq - 转换并行向量连续载体。 同意- 创建并发偏载体。 dividevec - 创建载体的所有组合。 ind2vec - 转换指数为载体。 最小最大- 矩阵行范围。 nncopy - 复印基质或细胞阵列。 normc - 规格化矩阵的列。 normr - 规格化行的矩阵的。 pnormc - 矩阵的伪规格化列。 定量- 值离散化作为数量的倍数。 seq2con - 转换顺序向量并发载体。 vec2ind - 将矢量转换成指数。 初始化网络功能。 initlay - 层- 层网络初始化函数。 初始化层功能。

initnw - 阮层的Widrow初始化函数。 initwb - 从重量和- 偏置层初始化函数。 初始化的重量和偏见的功能。 initcon - 良心的偏见初始化函数。 initzero - 零重量/偏置初始化函数。 initsompc - 初始化SOM的权重与主要成分。 中点- 中点重初始化函数。 randnc - 归一列重初始化函数。 randnr - 归行重初始化函数。 兰特- 对称随机重量/偏置初始化函数。 学习功能。 learncon - 良心的偏见学习功能。 learngd - 梯度下降重量/偏置学习功能。 learngdm - 梯度下降W /气势重量/偏置学习功能。 learnh - 赫布重学习功能。 learnhd - 赫布衰变重学习功能。 learnis - 重量龄学习功能。 learnk - Kohonen的重量学习功能。 learnlv1 - LVQ1重学习功能。 learnlv2 - LVQ2重学习功能。 learnos - Outstar重学习功能。 learnsomb - 批自组织映射权重学习功能。 learnp - 感知重量/偏置学习功能。 learnpn - 归感知重量/偏置学习功能。 learnsom - 自组织映射权重学习功能。 learnwh - 的Widrow - 霍夫重量/偏置学习规则。 在线搜索功能。 srchbac - 回溯搜索。 srchbre - 布伦特的结合黄金分割/二次插值。 srchcha - Charalambous“三次插值。 srchgol - 黄金分割。 srchhyb - 混合二分/立方搜索。 净输入功能。 netprod - 产品净输入功能。 netsum - 求和净输入功能。 网络创造的功能。 网络- 创建一个自定义的神经网络。 NEWC - 创建一个有竞争力的层。 newcf - 创建级联转发传播网络。

算法杂货铺——分类算法之贝叶斯网络(Bayesian networks)

算法杂货铺——分类算法之贝叶斯网络(Bayesian networks) 2010-09-18 22:50 by EricZhang(T2噬菌体), 2561 visits, 网摘, 收藏, 编辑 2.1、摘要 在上一篇文章中我们讨论了朴素贝叶斯分类。朴素贝叶斯分类有一个限制条件,就是特征属性必须有条件独立或基本独立(实际上在现实应用中几乎不可能做到完全独立)。当这个条件成立时,朴素贝叶斯分类法的准确率是最高的,但不幸的是,现实中各个特征属性间往往并不条件独立,而是具有较强的相关性,这样就限制了朴素贝叶斯分类的能力。这一篇文章中,我们接着上一篇文章的例子,讨论贝叶斯分类中更高级、应用范围更广的一种算法——贝叶斯网络(又称贝叶斯信念网络或信念网络)。 2.2、重新考虑上一篇的例子 上一篇文章我们使用朴素贝叶斯分类实现了SNS社区中不真实账号的检测。在那个解决方案中,我做了如下假设: i、真实账号比非真实账号平均具有更大的日志密度、各大的好友密度以及更多的使用真实头像。 ii、日志密度、好友密度和是否使用真实头像在账号真实性给定的条件下是独立的。 但是,上述第二条假设很可能并不成立。一般来说,好友密度除了与账号是否真实有关,还与是否有真实头像有关,因为真实的头像会吸引更多人加其为好友。因此,我们为了获取更准确的分类,可以将假设修改如下: i、真实账号比非真实账号平均具有更大的日志密度、各大的好友密度以及更多的使用真实头像。 ii、日志密度与好友密度、日志密度与是否使用真实头像在账号真实性给定的条件下是独立的。 iii、使用真实头像的用户比使用非真实头像的用户平均有更大的好友密度。

贝叶斯语义分析

基于语义特征关联的贝叶斯网络分类 孟宇龙,印桂生,徐东 哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院,哈尔滨(150001) E-mail:mengyulong@https://www.360docs.net/doc/da16528955.html, 摘要:为将数据的语义特征体现在数据分类过程中,提出语义特征关联的贝叶斯网络分类法。该方法在分析数据的多语义异构性基础上进行分类学习。与传统贝叶斯网络分类相比,可在不损失分类精度情况下将具有语义特征的数据进行分类。 关键词:语义特征;数据分类;贝叶斯网络 中图分类号:TP391 1.引言 对数据分类而言,数据分类标准以及数据分类精度满意度的评价与所选择的数据分类任务相关。分类后的数据应该具有子类内数据以及类间关系的高度凝聚性。朴素贝叶斯分类器[1](Naive Bayesian Classifier,NBC)是一种基于贝叶斯理论的简单分类方法[2][3]。独立关系是贝叶斯网络中最基本、最重要的理论关系,即在满足独立性的条件下,贝叶斯分类器才能有很好的表现。文献[4]的研究表明,当训练数据集属性间的独立性提高后,应用贝叶斯分类器并不能明显地提高分类效果。即贝叶斯分类模型的表现和独立性是否满足没有必然联系,通过策略降低属性关联关系,提高独立关系,可以降低分类的时间、空间复杂度,同时并不会影响贝叶斯分类器的分类满意度。所以朴素贝叶斯分类器仍然是一种非常实用的分类方法。例如对一个网络安全事件进行评估,显然忽略带宽、传输速率与攻击强度之间的相互关系是错误的。即使在这样一种人为假定下(假定彼此无关),朴素贝叶斯分类器仍然有很满意的分类表现[6][7]。大量研究和实验表明,在不满足条件独立性要求情况下,朴素贝叶斯分类器也能取得比较满意的分类结果。针对此特性,为将数据的语义特征体现在分类过程,本文在研究贝叶斯定理及朴素贝叶斯分类器基础上,引入贝叶斯网络[5],提出一种具有语义特征的基于贝叶斯网络的数据语义分类算法——语义特征关联的贝叶斯网络分类,利用网络节点间的关联表示语义,而其它非语义关联则全部忽略。在不损失分类精度情况下将具有多语义特征的数据进行分类。经仿真实验验证可获得满意的分类精度。 2.贝叶斯网络分类器 2.1朴素贝叶斯分类模型(小四号,宋体,加粗) 朴素贝叶斯分类模型将训练实例I分解为特征向量A和决策类别变量C,该模型根据类独立条件构造,朴素贝叶斯分类模型如图1所示。 图1 朴素贝叶斯分类模型 基金项目:水下机器人国家重点实验室基金

Matlab神经网络工具箱函数.

MATLAB 神经网络工具箱函数 说明:本文档中所列出的函数适用于 MATLAB5.3以上版本, 为了简明起见, 只列出了函数名, 若需要进一步的说明,请参阅 MATLAB 的帮助文档。 1. 网络创建函数 newp 创建感知器网络 newlind 设计一线性层 newlin 创建一线性层 newff 创建一前馈 BP 网络 newcf 创建一多层前馈 BP 网络 newfftd 创建一前馈输入延迟 BP 网络 newrb 设计一径向基网络 newrbe 设计一严格的径向基网络 newgrnn 设计一广义回归神经网络 newpnn 设计一概率神经网络 newc 创建一竞争层 newsom 创建一自组织特征映射 newhop 创建一 Hopfield 递归网络 newelm 创建一 Elman 递归网络 2. 网络应用函数

sim 仿真一个神经网络 init 初始化一个神经网络 adapt 神经网络的自适应化 train 训练一个神经网络 3. 权函数 dotprod 权函数的点积 ddotprod 权函数点积的导数 dist Euclidean 距离权函数normprod 规范点积权函数negdist Negative 距离权函数mandist Manhattan 距离权函数linkdist Link 距离权函数 4. 网络输入函数 netsum 网络输入函数的求和dnetsum 网络输入函数求和的导数5. 传递函数 hardlim 硬限幅传递函数hardlims 对称硬限幅传递函数purelin 线性传递函数

tansig 正切 S 型传递函数 logsig 对数 S 型传递函数 dpurelin 线性传递函数的导数 dtansig 正切 S 型传递函数的导数dlogsig 对数 S 型传递函数的导数compet 竞争传递函数 radbas 径向基传递函数 satlins 对称饱和线性传递函数 6. 初始化函数 initlay 层与层之间的网络初始化函数initwb 阈值与权值的初始化函数initzero 零权/阈值的初始化函数 initnw Nguyen_Widrow层的初始化函数initcon Conscience 阈值的初始化函数midpoint 中点权值初始化函数 7. 性能分析函数 mae 均值绝对误差性能分析函数 mse 均方差性能分析函数 msereg 均方差 w/reg性能分析函数

(翻译)嵌入式贝叶斯网络在人脸识别中的应用

嵌入式贝叶斯网络在人脸识别中的应用 Ara V Nefian 英特尔公司 微处理器研究实验室 Santa Clara ,CA 95052 ara.nefian @ https://www.360docs.net/doc/da16528955.html, 摘要:本文所介绍的嵌入式贝叶斯网络(EBN)是嵌入式隐马尔可夫模型的一种概括,嵌入式隐马尔可夫模型最初应用于人脸和字符识别。一个EBN 递归的被定义为一个层次结构,在这个结构里,“双亲”层节点在嵌入式贝叶斯网络或者描述“孩子”层各节点的观察序列的条件下是一个贝叶斯网络。在嵌入式贝叶斯网络下,可以建立复杂的N 维数据,在保护他们的灵活性和局部尺度不变性的同时避免复杂的贝叶斯网络。在本文中,我们提出了嵌入式贝叶斯网络在人脸识别上的一种应用,并且描述了该方法与特征脸方法以及嵌入式隐马尔可夫模型方法相比的完善之处。 1、 简介: 本文介绍的动机是需要实际的统计模型与n 维的依赖,特别是依赖使用二维图像分析。而隐马尔可夫模型(HMM)是非常成功的应用于语音识别或手势识别,在这个模型里,随着时间的推移数据依赖于一维,相当于一个N 维隐马尔可夫模型已被证明是不切实际的,由于其复杂性会随着数据的大小而成倍增长[1]。对于图像识别,特别是人脸识别[2],其数据本质上是二维的,基于采用主成分分析([3],[4]),线性判别分析([5]),神经网络([6],[7]),和匹配追踪方法的模板与早期的几何特征表现相比有了改进。然而,这些方法不能概括在尺度,方向,或面部表情方面的广泛差异。近年来,几种近似二维隐马尔可夫模型与实际计算模型的方法被研究了,诸如伪二维隐马尔可夫模型或嵌入式隐马尔可夫模型应用于字符识别[1]或人脸识别[10],[11]。这些模型在相当大的程度上降低了早期基于隐马尔可夫模型的人脸识别方法的错误率[11]。在文献[12]中,Jia 和 Gray 制定了一个有效的近似于隐马尔可夫模型的训练和识别的方法,并将其应用于文本图像分析。本文介绍了一个系列嵌入式贝叶斯网络(EBN )并研究它们的人脸识别性能。嵌入式贝叶斯网络通过允许每一个隐马尔可夫模型被任意的贝叶斯网络所代替来概括嵌入式隐马尔可夫模型。本文主要介绍在动态贝叶斯网络如HMM 或耦合HMMs 基础上建立的一系列嵌入式贝叶斯网络,并将他们的人脸识别性能与现有的一些方法相比较。 2、 耦合隐马尔可夫模型 耦合隐马尔可夫模型(CHMM )可以被视为一个HMMs 的集合,一个数据流集合,其中每个HMM 在时间t 时的离散型节点受所有相关HMMs 在时间t-1时的离散型节点的影响。图1显示了一个CHMM ,其中正方形代表隐藏的离散节点而环形代表连续观测节点。用C 表示一个CHMM 通道的数量,并用i =[il,..,,ic]表示状态向量,描述通道1处隐藏节点的状 态,…,在一个特定时间t 的实例。(C 是耦合隐马尔可夫模型(CHMM )的一个通道,i = [i l ,….,i c ]是描述在通道1……C 隐藏节点的状态的状态向量,1q [,...]C t t t q q 代表一个特定的时间例如t 时状态。)耦合隐马尔可夫模型的要素有 ,在通道c 里的状态i c 的初始状态概率;

贝叶斯网络结构学习总结

贝叶斯网络结构学习总结 一、 贝叶斯网络结构学习的原理 从数据中学习贝叶斯网络结构就是对给定的数据集,找到一个与数据集拟合最好的网络。 首先定义一个随机变量h S ,表示网络结构的不确定性,并赋予先验概率分布()h p S 。然后计算后验概率分布(|)h p S D 。根据Bayesian 定理有 (|)(,)/()()(|)/()h h h h p S D p S D p D p S p D S p D == 其中()p D 是一个与结构无关的正规化常数,(|)h p D S 是边界似然。 于是确定网络结构的后验分布只需要为每一个可能的结构计算数据的边界似然。在无约束多项分布、参数独立、采用Dirichlet 先验和数据完整的前提下,数据的边界似然正好等于每一个(i ,j )对的边界似然的乘积,即 1 1 1 () ()(|)()() i i q r n ij ijk ijk h i j k ij ij ijk N p D S N ===Γ?Γ?+=Γ?+Γ?∏∏ ∏ 二、 贝叶斯网络完整数据集下结构学习方法 贝叶斯网络建模一般有三种方法:1)依靠专家建模;2)从数据中学习;3)从知识库中创建。在实际建模过程中常常综合运用这些方法,以专家知识为主导,以数据库和知识库为辅助手段,扬长避短,发挥各自优势,来保证建模的效率和准确性。但是,在不具备专家知识或知识库的前提下,从数据中学习贝叶斯网络模型结构的研究显得尤为重要。 常用的结构学习方法主要有两类,分别是基于依赖性测试的学习和基于搜索评分的学习。 第一类方法是基于依赖性测试的方法,它是在给定数据集D 中评估变量之间的条件独立性关系,构建网络结构。基于条件独立测试方法学习效率最好,典型的算法包括三阶段分析算法(TPDA )。基于依赖性测试的方法比较直观,贴近贝叶斯网络的语义,把条件独立性测试和网络结构的搜索分离开,不足之处是对条件独立性测试产生的误差非常敏感。且在某些情况下条件独立性测试的次数相对于变量的数目成指数级增长。 第二类方法是基于评分搜索的方法,其原理是在所有节点的结构空间内按照一定的搜索策略及评分准则构建贝叶斯网络结构,这种算法虽然能够搜索到精确的网络结构,但是由于结构空间很大,从所有可能的网络结构空间搜索最佳的贝叶斯网络结构被证明为NP-hard 问题,所以一般需要使用启发式算法,代表性算法有K2算法等。基于搜索评分的方法是一种统计驱动的方法,试图在准确性、稀疏性、鲁棒性等多个因素之间找个平衡点。但由于搜索方法的先天弱点,导致用搜索评分的方法不一定能找到最好的结构,但是应用范围很广。 当观察到的数据足够充分且计算次数足够多时,基于搜索评分的方法和基于依赖性测试的方法都可以学到“正确”的网络结构。 此外,有人结合上述两种方法,提出了一些混合算法,这类算法首先利用独立性测试降

Promedas—贝叶斯网络在医学诊断中的应用

Promedas—贝叶斯网络在医学诊断中的应用1. 综述 现代的医学诊断是一个非常复杂的过程,要求具备患者准确的资料,以及对医学著作深刻的理解,还有多年的临床经验。这样的情况尤其适用在内科诊断中,因为它涵盖了一个巨大范围的诊断门类。而且也因此使得内科诊断成为了一个需要专攻的学科。 诊断是一个过程。通过这个过程,医生为病人的症状寻找拥有最佳解释的病因。这个研究的过程是一个连续的过程,即病人的症状会指示医生对其进行一些初步的检查。基于这些初步检查的结果,一个关于可能的病因的试探性的假设形成了。这个过程可能会在若干个循环中推进,直到病人被以充分的确定性来做了诊断,而且其症状的病因也被建立起来。 诊断过程的一个很重要的部分是标准化诊断的形式。这里有若干的规则来限制:依据病人的症状以及检验的结果,什么样的检查应该被执行,它们的顺序应该是什么样的。这些规则形成了一个决策树,其节点是诊断的中间过程;依据当前诊断的结果,其枝干指向额外的检查。这些规则是由每个国家的一个医学专家委员会制定的。 在平时遇到的大部分诊断里,上面提到的指南已经足以准确的指导我们做出正确的诊断。对于这种“一般”的情形,一个“决策支持系统”是没有必要的。在10%~20%的案例中,进行诊断的过程是很困难的。因为对于正确的诊断结果的不确定性,以及对下一步进行什么检查的不确定性,不同的医生在不同的诊断过程中做出的决策是不一样的,而且缺乏“推理”。在这些案例中,通常一个专攻此类疾病的专家或者详细描述此类疾病的著作将会被咨询。对于这种困难的情形,基于计算机的决策支持系统可以作为一个可供选择的信息来源。而且,这样一个由计算机提供帮助的决策支持系统在指出其他一些原来可能被忽略的疾病方面是有帮助的。它可能就此导致一个被提高的,更加理性的诊断过程,并且更见高效和廉价。

贝叶斯网络

摘要 常用的数据挖掘方法有很多,贝叶斯网络方法在数据挖掘中的应用是当前研究的热点问题,具有广阔的应用前景。数据挖掘的主要任务就是对数据进行分析处理,从而获得其中隐含的、实现未知的而又有用的知识。他的最终目的就是发现隐藏在数据内部的规律和数据之间的特征,从而服务于管理和决策。贝叶斯网络作为在上个世纪末提出的一种崭新的数据处理工具,在进行不确定性推理和知识表示等方面已经表现出来它的独到之处,特别是当它与统计方法结合使用时,显示出许多关于数据处理优势。 本文致力于贝叶斯网络在数据挖掘中的应用研究,首先介绍了贝叶斯网络相关理论,贝叶斯网络的学习是数据挖掘中非常重要的一个环节,本文比较详细的讨论了网络图结构问题,为利用贝叶斯网络解决实际问题,建立样本数据结构和依赖关系奠定了基础。其次介绍了数据挖掘的相关问题以及主流的数据挖掘算法,并分析了各类算法的优缺点。针对目前还没有一种完整的在数据挖掘中构建贝叶斯网络的算法步骤,本文探讨性的提出了一种启发式的在数据挖掘中利用样本数据构建贝叶斯网络的算法思想。最后进行了实验分析,利用本文提出的算法,建立了大学生考研模型和农户信用等级评定模型,进行了较为详细的实验,并分别与决策树方法和传统的信用评分方法进行了比较,实验结果表明文本提出的算法设计简单、方法实用、应用有效,与其他算法相比还有精度比较高的特点,同时也表现出了该算法在数据挖掘方面的优势,利于实际中的管理、分析、预测和决策等。 贝叶斯网络的相关理论 本章对贝叶斯网络的相关理论进行了系统的论述与分析,并用一个简单的疾病诊断模型对贝叶斯网络的定义以及网络构成进行了介绍。结合信息论的有关知识,讨论了贝叶斯网络中重要的条件独立研究,并学习和研究了贝叶斯网络在完备数据和不完备数据两种情况下的结构学习和参数学习方法。结构学习是利用训练样本集,尽可能的结合先验知识,确定贝叶斯网络的拓扑结构;参数学习是在给定的网络结构的情况下,确定贝叶斯网络中各变量的条件概率表。其中结构学习是贝叶斯网络学习的核心,有效的结构学习方法是构建最优贝叶斯网络结构的前提。 预备知识 贝叶斯网络是一种关于变量集合中概率性联系的图解模型,接近于概率和统计,它的理论依据是概率统计,并以图论的形式来表达和描述数据实例中的关联和因果关系。 条件概率:条件概率是概率论中一个重要而实用的概念。所考虑的是事件A已经发生的条件下事件B发生的概率。 定义:设A、B是两个事件,且P(A)>0,称: 为在事件A发生的条件下事件B发生的概率。 显然条件概率符合概率定义中的三个条件,即:

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