MATLAB初学者入门（27）—— 无监督学习神经网络

无监督学习神经网络，如自组织映射（SOM）和自编码器，是处理没有显式标签的数据集的强大工具。这些网络可以学习数据的内部结构和模式，用于特征提取、数据可视化和降维。在MATLAB中，可以使用神经网络工具箱来实现这些无监督学习模型。

案例分析：使用MATLAB实现自组织映射（SOM）进行数据聚类和可视化

假设我们有一个包含多维特征的数据集，我们希望使用自组织映射（SOM）来探索数据中的模式和聚类。

步骤 1: 准备数据

首先，我们创建一些模拟数据以用于训练SOM。

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% 生成三个不同的高斯分布集群
rng('default');  % 为了可重复性
data1 = mvnrnd([2 2], [0.1 0; 0 0.1], 100);
data2 = mvnrnd([1 -1], [0.1 0; 0 0.1], 100);
data3 = mvnrnd([-1 0], [0.1 0; 0 0.1], 100);

% 合并数据
data = [data1; data2; data3];

% 随机打乱数据
data = data(randperm(size(data, 1)), :);

步骤 2: 创建和训练SOM

在MATLAB中，可以使用自组织映射网络来学习数据的特征和聚类。

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% 创建一个自组织映射网络
dimensions = [10 10];  % 网格大小
net = selforgmap(dimensions);

% 训练网络
net = train(net, data');

% 查看网络属性
view(net);

步骤 3: 使用SOM对数据进行可视化

一旦训练完成，我们可以使用SOM来可视化数据和其聚类。

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% 获取数据点在网络上的位置
outputs = net(data');
classes = vec2ind(outputs);

% 可视化结果
figure;
gscatter(data(:,1), data(:,2), classes);
title('Data Clusters Found by SOM');
xlabel('Feature 1');
ylabel('Feature 2');

步骤 4: 分析和解释结果

观察SOM如何将数据分类到不同的单元中，并分析这些聚类与原始数据分布的关系。

案例分析：使用MATLAB实现自编码器进行特征压缩和重构

假设我们有一个包含多维特征的大型数据集，并希望使用自编码器来提取这些数据的有效特征表示，同时降低数据的维度。

步骤 1: 准备数据

首先，准备和预处理数据以供自编码器使用。

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% 加载和准备数据
load fisheriris
data = meas;  % 使用鸢尾花数据集中的特征数据

% 数据归一化
data = normalize(data);

步骤 2: 创建和训练自编码器

在MATLAB中，可以使用深度学习工具箱来创建和训练自编码器。

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% 创建自编码器
hiddenSize = 10;  % 设置编码层的大小
autoenc = trainAutoencoder(data, hiddenSize, ...
    'L2WeightRegularization', 0.004, ...
    'SparsityRegularization', 4, ...
    'SparsityProportion', 0.15, ...
    'MaxEpochs', 1000);

% 查看自编码器结构
view(autoenc);

步骤 3: 使用自编码器进行特征变换

训练完自编码器后，使用它来转换数据，然后使用重构数据来评估学习到的特征表示的质量。

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% 编码数据
encodedData = encode(autoenc, data);

% 解码数据，即重构原始数据
decodedData = predict(autoenc, data);

% 比较原始数据和重构数据
figure;
subplot(1,2,1);
imagesc(data);
title('Original Data');
subplot(1,2,2);
imagesc(decodedData);
title('Reconstructed Data');

步骤 4: 评估重构误差

评估自编码器重构数据的误差，以确定学习到的特征表示的有效性。

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% 计算重构误差
reconstructionError = mse(data - decodedData);
disp(['Reconstruction Error: ', num2str(reconstructionError)]);

案例分析：使用MATLAB实现变分自编码器（VAE）和卷积自编码器

假设我们希望生成新的数据样本或处理高维图像数据，变分自编码器和卷积自编码器是解决这类问题的有效工具。

步骤 1: 准备图像数据

假设我们处理的是图像数据，可以使用MATLAB内置的图像数据集或导入自定义的图像数据。

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% 加载图像数据
data = digitTrain4DArrayData;

步骤 2: 创建变分自编码器（VAE）

变分自编码器不仅学习数据的编码和解码，还学习数据的潜在分布，这使得它能生成新的、与训练数据相似的数据实例。

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% 设定网络架构
inputSize = [28, 28, 1];
filterSize = [3 3];
numFilters = 32;
latentDim = 20; % 潜在空间的维数

layers = [
    imageInputLayer(inputSize, 'Name', 'input', 'Normalization', 'none')
    convolution2dLayer(filterSize, numFilters, 'Padding', 'same', 'Name', 'conv1')
    reluLayer('Name', 'relu1')
    fullyConnectedLayer(latentDim, 'Name', 'fc_encoder')
    fullyConnectedLayer(latentDim, 'Name', 'fc_decoder')
    convolution2dLayer(filterSize, numFilters, 'Padding', 'same', 'Name', 'conv2')
    reluLayer('Name', 'relu2')
    convolution2dLayer(filterSize, numFilters, 'Padding', 'same', 'Name', 'conv3')
    reluLayer('Name', 'relu3')
    convolution2dLayer(1, 1, 'Name', 'finalConv')
    regressionLayer('Name', 'output')
];

% 设定训练选项
options = trainingOptions('adam', ...
    'MaxEpochs', 30, ...
    'MiniBatchSize', 128, ...
    'Shuffle', 'every-epoch', ...
    'Verbose', true);

% 训练网络
net = trainNetwork(data, data, layers, options);

步骤 3: 使用卷积自编码器处理图像

卷积自编码器利用卷积网络的优势，特别适合处理图像数据。

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% 创建卷积自编码器
layers = [
    imageInputLayer(inputSize)
    convolution2dLayer(3, 16, 'Padding', 'same')
    reluLayer
    maxPooling2dLayer(2, 'Stride', 2)
    convolution2dLayer(3, 32, 'Padding', 'same')
    reluLayer
    transposedConv2dLayer(3, 32, 'Stride', 2, 'Cropping', 'same')
    reluLayer
    transposedConv2dLayer(3, 16, 'Cropping', 'same')
    reluLayer
    convolution2dLayer(3, 1, 'Padding', 'same')
    regressionLayer
];

% 训练卷积自编码器
netConv = trainNetwork(data, data, layers, options);

步骤 4: 评估模型性能和生成新图像

评估模型性能并使用训练好的VAE或卷积自编码器生成新的图像样本。

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% 使用VAE生成新图像
newImages = predict(net, randn([1,1,latentDim,10]));

% 显示图像
figure;
montage(newImages);
title('Generated Images with VAE');

结论

（1）自组织映射（SOM）是一种有效的无监督学习技术，能够将高维数据映射到通常为二维的离散映射上，保持输入数据的拓扑特性。这使得SOM特别适合于数据可视化和探索性数据分析，尤其是在数据的内在结构复杂或未知时。通过MATLAB的神经网络工具箱，我们可以方便地实现和利用SOM进行复杂数据集的模式识别和特征学习。在实际应用中，调整网络参数（如网格尺寸、学习率和邻域函数）对SOM的性能有显著影响。因此，适当的参数调整和实验是实现最佳性能的关键。此外，对于特别大的数据集，SOM的训练可能会相对耗时，使用并行处理或优化的训练算法可以改善这一点。

（2）自编码器是一种强大的无监督学习工具，适用于特征提取和数据降维。在MATLAB中，通过深度学习工具箱提供的功能，可以轻松地实现和训练自编码器。自编码器特别适用于那些需要在减少数据复杂性的同时保留关键信息的应用场景。在实际应用中，自编码器的性能大量依赖于网络架构、正则化策略和训练过程的调整。选择适当的隐藏层大小、正则化权重和稀疏性参数对于优化性能至关重要。此外，对于大规模数据集或更复杂的数据类型（如图像或音频），可能需要更深的网络或特殊的网络架构，如卷积自编码器，以更有效地处理这些数据。

（3）变分自编码器和卷积自编码器通过学习数据的高级特征和分布，提供了强大的功能，特别是在图像处理和生成新数据方面。这些技术在解决实际问题，如图像重建、异常检测、数据增强等方面显示出极大的潜力。在MATLAB中，借助深度学习工具箱，可以有效地实现和训练这些复杂的神经网络模型，尽管它们的设计和训练可能需要较高的计算资源。