现代信号处理9_正则化(CSDN_20240512)

正则化的引入

解线性方程组:

这项工作有很多种做法,下面介绍两种,如下图所示,有一些数据点需要拟合,拟合的方法有很多。

1) 构造线性函数①,这种函数比较简单,此时

2) 构造函数②,通过插值,实现对已有数据的完美拟合,模型比较复杂,得到一个多项式:

下面考虑模型选择(Model Selection)问题: 现在数据已经得到,但对它们有两种看法:

  1. 构造一个简单的模型:比如一条直线,只有两个参数,在这个模型下存在误差,由于N>n ,所以方程个数比未知数个数多,只能使用最小二乘法。
  2. 构造一个复杂的模型:非线性的多项式模型,且次数不低于N,将X从一个长矩阵变成一个方阵(N=n ),此时,对已有数据完美拟合,没有误差。

关于这里的误差,通常分为两类:训练误差(Training Error)和测试误差(Test Error),其中训练误差就是统计上的均方误差,测试误差就是预测误差。

训练误差:存在于现在已有的数据中,即用现有数据进行训练或学习时引入的误差。

测试误差:存在于新的数据中,当新的数据到来时,对其拟合时引入的误差。

上面的两个模型相比,第一个模型比较简单,而且保持了一种"弹性",使得新数据到来时,模型有较好的适应能力,那么我们选择哪个模型更好呢?这种模型选择问题,在统计上又叫做Bais-Variance Tradeoff:均方误差包括偏差和方差,其中偏差是指数据的期望和真值的偏差,方差是指估计的抖动和误差,那么估计一定要无偏吗?答案是不一定,因为在总体均方误差一定的条件下,由于偏差是系统误差,容易纠正,而均方误差是随机的,难以控制,所以适当牺牲一些无偏性,可以得到估计起伏的减小。

现有很多数据以及与其相配合的系数:

Tikhonov正则化

对于一个模型,试图做下面的优化:

希望得到的模型既满足约束条件,同时又是最简单的,这就是一个多(双)目标优化问题。这个优化问题可以等价为:

在优化过程中,不仅要减小误差,还要使模型尽可能简化,模型复杂度越高,惩罚项越大,目标函数就会自行降低复杂度。

正则,在数学上代表平滑,一个剧烈抖动的曲线于一条斜线相比,后者正则性更好,因此平滑后正则性变好。

拟合过程中不能过于相信数据,因为数据中不可避免地存在噪声,对每一个数据做毫无误差的拟合没有太大意义。

在模型中应避免剧烈起伏。模型复杂,意味着模型的多项式阶数高。多项式的系数大,意味着系统稍微有一点扰动,模型就会发生很大的变化,模型的稳定性就低。正则化能够惩罚模型的复杂度,进而提高其稳定性。

Tikhonov正则化用2-范数惩罚模型的复杂性,达到一边优化,一边选择模型的效果,而之前在做优化的时候,模型已经确定了。下面进行简单分析:


因为文档中公式较多,不方便编辑,所以本文使用截图的方式展现。如需电子版文档,可以通过下面的链接进行下载。

链接

相关推荐
五味香1 天前
C++学习,信号处理
android·c语言·开发语言·c++·学习·算法·信号处理
看山还是山,看水还是。3 天前
交换机如何开启FTP服务
网络协议·http·信息与通信·信号处理
王伯爵4 天前
TDD(时分双工 Time Division Duplexing)和FDD(频分双工 Frequency Division Duplexing)
5g·信息与通信·信号处理·tdd
nick98764 天前
信号处理之中值滤波
人工智能·算法·信号处理
行十万里人生4 天前
信号处理: Block Pending Handler 与 SIGKILL/SIGSTOP 实验
c++·后端·深度学习·ubuntu·serverless·信号处理·visual studio code
limingade5 天前
手机实时提取SIM卡打电话的信令声音-(题外、插播一条广告)
android·物联网·计算机外设·音视频·webrtc·信号处理
小鹿会议播报5 天前
【学术会议征稿】2024年遥感技术与图像处理国际学术会议(RSTIP 2024)
大数据·图像处理·人工智能·云计算·制造·信号处理
Crazy learner6 天前
深入了解 Ne10:优化 ARM 处理器的数字信号处理库
arm开发·信号处理
王伯爵7 天前
RSRP SNR SINR
5g·信息与通信·信号处理
一个通信老学姐9 天前
专业120+总分400+中国科学技术大学843信号与系统考研经验中科大电子信息通信工程,生物医学工程,苏医工,真题,大纲,参考书。
考研·信息与通信·信号处理