基于BP_Adaboost的分类器和RBF神经网络回归的实现方法

基于BP_Adaboost的分类器和RBF神经网络回归的实现方法。这两种方法分别针对分类和回归问题,在各自的领域都有很好的表现。

基于BP_Adaboost的分类器

算法原理

BP_Adaboost结合了BP神经网络的非线性映射能力和Adaboost的集成学习优势:

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classdef BP_Adaboost_Classifier < handle
    properties
        num_weak_classifiers   % 弱分类器数量
        bp_networks            % BP神经网络弱分类器集合
        alpha_weights          % 弱分类器权重
        sample_weights         % 样本权重
        max_epochs            % 最大训练轮数
        hidden_layer_size     % 隐藏层大小
    end
    
    methods
        function obj = BP_Adaboost_Classifier(num_classifiers, hidden_size, max_epochs)
            obj.num_weak_classifiers = num_classifiers;
            obj.hidden_layer_size = hidden_size;
            obj.max_epochs = max_epochs;
            obj.bp_networks = cell(num_classifiers, 1);
            obj.alpha_weights = zeros(num_classifiers, 1);
        end

完整的BP_Adaboost实现

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function [model, training_info] = train_bp_adaboost(X_train, y_train, params)
    % BP_Adaboost分类器训练
    % 输入:
    %   X_train: 训练特征 [N x D]
    %   y_train: 训练标签 [N x 1] (二分类: -1/+1 或 0/1)
    %   params: 参数结构体
    % 输出:
    %   model: 训练好的模型
    %   training_info: 训练过程信息
    
    [N, D] = size(X_train);
    
    % 默认参数
    if nargin < 3
        params.num_classifiers = 10;
        params.hidden_size = 10;
        params.max_epochs = 100;
        params.learning_rate = 0.1;
    end
    
    % 初始化模型
    model = struct();
    model.num_classifiers = params.num_classifiers;
    model.bp_networks = cell(params.num_classifiers, 1);
    model.alpha_weights = zeros(params.num_classifiers, 1);
    model.params = params;
    
    % 初始化样本权重
    sample_weights = ones(N, 1) / N;
    
    % 存储训练信息
    training_info = struct();
    training_info.errors = zeros(params.num_classifiers, 1);
    training_info.alphas = zeros(params.num_classifiers, 1);
    
    % Adaboost迭代训练
    for t = 1:params.num_classifiers
        fprintf('训练第 %d/%d 个弱分类器...\n', t, params.num_classifiers);
        
        % 1. 根据样本权重训练BP神经网络
        bp_net = train_bp_classifier(X_train, y_train, sample_weights, params);
        
        % 2. 计算当前分类器的加权错误率
        predictions = predict_bp_classifier(bp_net, X_train);
        incorrect = (predictions ~= y_train);
        weighted_error = sum(sample_weights .* incorrect);
        
        % 3. 计算当前分类器的权重
        if weighted_error >= 0.5
            fprintf('弱分类器 %d 错误率过高,跳过\n', t);
            continue;
        end
        
        alpha_t = 0.5 * log((1 - weighted_error) / (weighted_error + eps));
        
        % 4. 更新样本权重
        sample_weights = sample_weights .* exp(-alpha_t * y_train .* predictions);
        sample_weights = sample_weights / sum(sample_weights);
        
        % 5. 保存模型
        model.bp_networks{t} = bp_net;
        model.alpha_weights(t) = alpha_t;
        
        training_info.errors(t) = weighted_error;
        training_info.alphas(t) = alpha_t;
        
        fprintf('弱分类器 %d: 错误率=%.4f, 权重=%.4f\n', ...
            t, weighted_error, alpha_t);
    end
    
    % 移除未使用的分类器
    valid_indices = model.alpha_weights ~= 0;
    model.bp_networks = model.bp_networks(valid_indices);
    model.alpha_weights = model.alpha_weights(valid_indices);
    model.num_classifiers = sum(valid_indices);
    
    fprintf('训练完成,有效弱分类器数量: %d\n', model.num_classifiers);
end

function bp_net = train_bp_classifier(X, y, sample_weights, params)
    % 训练单个BP神经网络分类器
    
    [N, D] = size(X);
    
    % 创建前馈神经网络
    bp_net = feedforwardnet(params.hidden_size);
    bp_net.trainParam.epochs = params.max_epochs;
    bp_net.trainParam.lr = params.learning_rate;
    bp_net.trainParam.showWindow = false;
    
    % 准备训练数据 (MATLAB神经网络工具箱格式)
    inputs = X';
    targets = full(ind2vec((y > 0) + 1, 2))'; % 转换为one-hot编码
    
    % 使用样本权重进行训练(通过重复采样实现)
    effective_weights = sample_weights / min(sample_weights);
    replication_factors = round(effective_weights * 10); % 缩放因子
    
    % 创建加权的训练集
    weighted_inputs = [];
    weighted_targets = [];
    for i = 1:N
        replicated_input = repmat(inputs(:, i), 1, replication_factors(i));
        replicated_target = repmat(targets(i, :)', 1, replication_factors(i));
        weighted_inputs = [weighted_inputs, replicated_input];
        weighted_targets = [weighted_targets, replicated_target];
    end
    
    % 训练网络
    [bp_net, ~] = train(bp_net, weighted_inputs, weighted_targets);
end

function predictions = predict_bp_classifier(bp_net, X)
    % 使用BP神经网络进行分类预测
    
    outputs = bp_net(X');
    [~, predicted_classes] = max(outputs, [], 1);
    predictions = 2 * (predicted_classes' == 2) - 1; % 转换回 -1/+1
end

function final_predictions = predict_bp_adaboost(model, X_test)
    % BP_Adaboost集成预测
    
    [N, ~] = size(X_test);
    num_classifiers = model.num_classifiers;
    
    % 收集所有弱分类器的预测
    weak_predictions = zeros(N, num_classifiers);
    
    for t = 1:num_classifiers
        weak_predictions(:, t) = predict_bp_classifier(...
            model.bp_networks{t}, X_test);
    end
    
    % 加权投票
    weighted_votes = weak_predictions * model.alpha_weights;
    final_predictions = sign(weighted_votes);
end

BP_Adaboost应用示例

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% BP_Adaboost分类器示例
function bp_adaboost_example()
    % 生成分类数据
    rng(42);
    [X, y] = generate_moon_data(500, 0.1);
    
    % 划分训练测试集
    [X_train, X_test, y_train, y_test] = train_test_split(X, y, 0.7);
    
    % 设置参数
    params.num_classifiers = 15;
    params.hidden_size = 8;
    params.max_epochs = 200;
    params.learning_rate = 0.1;
    
    % 训练BP_Adaboost分类器
    tic;
    [model, info] = train_bp_adaboost(X_train, y_train, params);
    training_time = toc;
    
    % 预测
    y_pred = predict_bp_adaboost(model, X_test);
    
    % 评估性能
    accuracy = sum(y_pred == y_test) / length(y_test);
    precision = sum((y_pred == 1) & (y_test == 1)) / sum(y_pred == 1);
    recall = sum((y_pred == 1) & (y_test == 1)) / sum(y_test == 1);
    f1_score = 2 * (precision * recall) / (precision + recall);
    
    fprintf('BP_Adaboost 性能:\n');
    fprintf('准确率: %.4f\n', accuracy);
    fprintf('精确率: %.4f\n', precision);
    fprintf('召回率: %.4f\n', recall);
    fprintf('F1分数: %.4f\n', f1_score);
    fprintf('训练时间: %.2f 秒\n', training_time);
    
    % 可视化结果
    visualize_classification_results(X_train, y_train, X_test, y_test, y_pred, model, info);
end

function [X, y] = generate_moon_data(n_samples, noise)
    % 生成半月形数据
    theta = linspace(0, pi, n_samples)';
    X1 = [cos(theta) .* (1 + noise*randn(n_samples,1)), ...
          sin(theta) .* (1 + noise*randn(n_samples,1))];
    X2 = [1 - cos(theta) .* (1 + noise*randn(n_samples,1)), ...
          1 - sin(theta) .* (1 + noise*randn(n_samples,1)) - 0.5];
    
    X = [X1; X2];
    y = [ones(n_samples,1); -ones(n_samples,1)];
    
    % 添加随机扰动
    X = X + noise * randn(size(X));
end

function [X_train, X_test, y_train, y_test] = train_test_split(X, y, train_ratio)
    % 划分训练测试集
    n = size(X, 1);
    n_train = round(train_ratio * n);
    indices = randperm(n);
    
    train_indices = indices(1:n_train);
    test_indices = indices(n_train+1:end);
    
    X_train = X(train_indices, :);
    X_test = X(test_indices, :);
    y_train = y(train_indices);
    y_test = y(test_indices);
end

RBF神经网络回归

算法原理

RBF神经网络通过径向基函数进行非线性映射,具有快速收敛和良好逼近能力:

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classdef RBF_Regressor < handle
    properties
        num_centers           % 隐藏层中心数量
        centers               % RBF中心点
        sigma                 % 径向基函数宽度参数
        weights               % 输出层权重
        beta                  % 正则化参数
        activation_function   % 激活函数类型
    end
    
    methods
        function obj = RBF_Regressor(num_centers, sigma, beta)
            obj.num_centers = num_centers;
            obj.sigma = sigma;
            obj.beta = beta;
            obj.activation_function = @(r) exp(-(r.^2) / (2 * sigma^2));
        end

完整的RBF回归实现

matlab 复制代码
function rbf_model = train_rbf_regression(X_train, y_train, params)
    % RBF神经网络回归训练
    % 输入:
    %   X_train: 训练特征 [N x D]
    %   y_train: 训练目标值 [N x 1]
    %   params: 参数结构体
    % 输出:
    %   rbf_model: 训练好的RBF模型
    
    [N, D] = size(X_train);
    
    % 默认参数
    if nargin < 3
        params.num_centers = min(50, floor(N/2));
        params.sigma_method = 'knn';
        params.knn_k = 5;
        params.beta = 1e-6; % 正则化参数
        params.center_method = 'kmeans';
    end
    
    % 初始化模型
    rbf_model = struct();
    rbf_model.params = params;
    rbf_model.D = D;
    
    % 步骤1: 选择RBF中心点
    fprintf('选择RBF中心点...\n');
    if params.num_centers >= N
        % 如果中心数量大于样本数,使用所有样本作为中心
        rbf_model.centers = X_train;
        rbf_model.num_centers = N;
    else
        switch params.center_method
            case 'kmeans'
                % 使用K-means聚类选择中心
                [~, centers] = kmeans(X_train, params.num_centers, ...
                    'MaxIter', 100, 'Replicates', 3);
                rbf_model.centers = centers;
                
            case 'random'
                % 随机选择中心
                indices = randperm(N, params.num_centers);
                rbf_model.centers = X_train(indices, :);
                
            otherwise
                error('不支持的中心选择方法');
        end
        rbf_model.num_centers = params.num_centers;
    end
    
    % 步骤2: 计算径向基函数宽度参数sigma
    fprintf('计算RBF宽度参数...\n');
    rbf_model.sigma = calculate_sigma(rbf_model.centers, params);
    
    % 步骤3: 计算隐藏层输出(设计矩阵)
    fprintf('计算隐藏层输出...\n');
    Phi = compute_rbf_activations(X_train, rbf_model.centers, rbf_model.sigma);
    
    % 步骤4: 计算输出层权重(正则化最小二乘)
    fprintf('计算输出层权重...\n');
    if params.beta > 0
        % 带正则化的权重计算
        rbf_model.weights = (Phi' * Phi + params.beta * eye(rbf_model.num_centers)) \ (Phi' * y_train);
    else
        % 普通最小二乘
        rbf_model.weights = Phi \ y_train;
    end
    
    fprintf('RBF回归训练完成。中心数量: %d, Sigma: %.4f\n', ...
        rbf_model.num_centers, rbf_model.sigma);
end

function sigma = calculate_sigma(centers, params)
    % 计算RBF宽度参数sigma
    
    num_centers = size(centers, 1);
    
    switch params.sigma_method
        case 'fixed'
            sigma = params.fixed_sigma;
            
        case 'knn'
            % 基于K最近邻距离计算sigma
            if num_centers > 1
                % 计算所有中心点两两之间的距离
                distances = pdist2(centers, centers);
                % 将对角线元素设为无穷大,避免选择自身
                distances(logical(eye(num_centers))) = inf;
                % 取每个点的k个最近邻距离的平均值
                knn_distances = zeros(num_centers, 1);
                for i = 1:num_centers
                    sorted_dists = sort(distances(i, :));
                    knn_distances(i) = mean(sorted_dists(1:min(params.knn_k, num_centers-1)));
                end
                sigma = mean(knn_distances);
            else
                sigma = 1.0;
            end
            
        case 'global'
            % 使用全局平均距离
            if num_centers > 1
                all_distances = pdist(centers);
                sigma = mean(all_distances) / sqrt(2 * num_centers);
            else
                sigma = 1.0;
            end
            
        otherwise
            sigma = 1.0;
    end
    
    % 确保sigma不为零
    sigma = max(sigma, 1e-6);
end

function Phi = compute_rbf_activations(X, centers, sigma)
    % 计算RBF隐藏层激活值
    
    [N, ~] = size(X);
    num_centers = size(centers, 1);
    Phi = zeros(N, num_centers);
    
    for i = 1:N
        for j = 1:num_centers
            % 计算欧氏距离
            r = norm(X(i, :) - centers(j, :));
            % 高斯径向基函数
            Phi(i, j) = exp(-(r^2) / (2 * sigma^2));
        end
    end
end

function y_pred = predict_rbf_regression(rbf_model, X_test)
    % RBF神经网络回归预测
    
    % 计算隐藏层输出
    Phi_test = compute_rbf_activations(X_test, rbf_model.centers, rbf_model.sigma);
    
    % 计算预测值
    y_pred = Phi_test * rbf_model.weights;
end

RBF回归应用示例

matlab 复制代码
% RBF神经网络回归示例
function rbf_regression_example()
    % 生成回归数据
    rng(42);
    [X, y] = generate_sinc_data(500, 0.1);
    
    % 划分训练测试集
    [X_train, X_test, y_train, y_test] = train_test_split(X, y, 0.7);
    
    % 设置RBF参数
    params.num_centers = 30;
    params.sigma_method = 'knn';
    params.knn_k = 5;
    params.beta = 1e-8;
    params.center_method = 'kmeans';
    
    % 训练RBF回归模型
    tic;
    rbf_model = train_rbf_regression(X_train, y_train, params);
    training_time = toc;
    
    % 预测
    y_pred = predict_rbf_regression(rbf_model, X_test);
    
    % 评估性能
    mse = mean((y_pred - y_test).^2);
    rmse = sqrt(mse);
    mae = mean(abs(y_pred - y_test));
    r2 = 1 - sum((y_test - y_pred).^2) / sum((y_test - mean(y_test)).^2);
    
    fprintf('RBF回归性能:\n');
    fprintf('均方误差 (MSE): %.6f\n', mse);
    fprintf('均方根误差 (RMSE): %.6f\n', rmse);
    fprintf('平均绝对误差 (MAE): %.6f\n', mae);
    fprintf('决定系数 (R²): %.4f\n', r2);
    fprintf('训练时间: %.2f 秒\n', training_time);
    
    % 可视化结果
    visualize_regression_results(X_train, y_train, X_test, y_test, y_pred, rbf_model);
end

function [X, y] = generate_sinc_data(n_samples, noise)
    % 生成Sinc函数数据
    X = linspace(-10, 10, n_samples)';
    y = sin(pi * X) ./ (pi * X);
    y(X == 0) = 1; % 处理除零情况
    
    % 添加噪声
    y = y + noise * randn(size(y));
    X = X + 0.1 * randn(size(X));
end

性能比较与可视化

matlab 复制代码
function compare_performance()
    % 比较BP_Adaboost和RBF的性能
    
    % 分类任务比较
    fprintf('=== 分类任务比较 ===\n');
    [X_class, y_class] = generate_moon_data(800, 0.15);
    [Xc_train, Xc_test, yc_train, yc_test] = train_test_split(X_class, y_class, 0.7);
    
    % BP_Adaboost
    tic;
    bp_params.num_classifiers = 10;
    bp_params.hidden_size = 8;
    bp_model = train_bp_adaboost(Xc_train, yc_train, bp_params);
    bp_time = toc;
    bp_pred = predict_bp_adaboost(bp_model, Xc_test);
    bp_accuracy = sum(bp_pred == yc_test) / length(yc_test);
    
    fprintf('BP_Adaboost - 准确率: %.4f, 时间: %.2fs\n', bp_accuracy, bp_time);
    
    % 回归任务比较
    fprintf('\n=== 回归任务比较 ===\n');
    [X_reg, y_reg] = generate_sinc_data(600, 0.1);
    [Xr_train, Xr_test, yr_train, yr_test] = train_test_split(X_reg, y_reg, 0.7);
    
    % RBF回归
    tic;
    rbf_params.num_centers = 25;
    rbf_model = train_rbf_regression(Xr_train, yr_train, rbf_params);
    rbf_time = toc;
    rbf_pred = predict_rbf_regression(rbf_model, Xr_test);
    rbf_rmse = sqrt(mean((rbf_pred - yr_test).^2));
    
    fprintf('RBF回归 - RMSE: %.6f, 时间: %.2fs\n', rbf_rmse, rbf_time);
    
    % 与传统方法比较
    compare_with_traditional_methods(Xc_train, yc_train, Xc_test, yc_test, ...
                                   Xr_train, yr_train, Xr_test, yr_test);
end

function visualize_classification_results(X_train, y_train, X_test, y_test, y_pred, model, info)
    % 可视化分类结果
    
    figure('Position', [100, 100, 1200, 400]);
    
    % 子图1: 分类边界
    subplot(1, 3, 1);
    h1 = gscatter(X_train(:,1), X_train(:,2), y_train, 'rb', 'o', 8, 'on');
    hold on;
    h2 = gscatter(X_test(:,1), X_test(:,2), y_pred, 'rb', 'x', 10, 'on');
    title('BP-Adaboost分类结果');
    xlabel('特征1');
    ylabel('特征2');
    legend([h1; h2], {'训练-类1', '训练-类2', '测试-类1', '测试-类2'});
    
    % 子图2: 弱分类器错误率
    subplot(1, 3, 2);
    plot(1:length(info.errors), info.errors, 'bo-', 'LineWidth', 2, 'MarkerSize', 6);
    xlabel('弱分类器序号');
    ylabel('加权错误率');
    title('弱分类器错误率演化');
    grid on;
    
    % 子图3: 弱分类器权重
    subplot(1, 3, 3);
    bar(info.alphas, 'FaceColor', [0.3, 0.6, 0.9], 'EdgeColor', 'black');
    xlabel('弱分类器序号');
    ylabel('权重系数');
    title('弱分类器权重分布');
    grid on;
end

参考代码 基于BP_Adaboost的分类器,RBF神经网络的回归 www.3dddown.com/csa/82310.html

关键优势与应用场景

BP_Adaboost优势:

  1. 高精度:集成学习提升分类准确率
  2. 鲁棒性:对噪声数据和异常值不敏感
  3. 自适应:自动调整样本权重关注难分类样本

RBF回归优势:

  1. 快速收敛:比传统BP网络训练更快
  2. 全局逼近:理论上可以逼近任何连续函数
  3. 数值稳定性:基于最小二乘的权重计算

典型应用场景:

  • BP_Adaboost:图像分类、故障诊断、信用评分
  • RBF回归:时间序列预测、函数逼近、系统建模

这两种方法在实际应用中可以根据具体问题特点进行选择和调优,通常能够获得比单一模型更好的性能表现。

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