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简介
针对各学科数据信息的特点以及科学工作者对信息处理和数据挖掘技术的要求,本书既介绍了模式识别和智能计算的基础知识,又较为详细地介绍了现代模式识别和智能计算在科学研究中的应用方法和各算法的MATLAB源程序。本书可以帮助广大的科学工作者掌握模式识别和智能计算方法,并应用于实际的研究中,提高对海量数据信息的处理及挖掘能力,针对性和实用性强,具有较高的理论和实用价值。
本书可作为高等院校计算机工程、信息工程、生物医学工程、智能机器人、工业自动化、地质、水利、化学和环境等专业研究生、本科生的教材或教学参考书,亦可供有关工程技术人员参考。目录
第1章 绪 论…………………………………………………………………………………… 1
1.1 模式识别的基本概念…………………………………………………………………… 1
1.1.1 模式与模式识别的概念…………………………………………………………… 1
1.1.2 模式的特征………………………………………………………………………… 1
1.1.3 模式识别系统……………………………………………………………………… 2
1.2 模式识别的主要方法…………………………………………………………………… 2
1.3 模式识别的主要研究内容……………………………………………………………… 3
1.4 模式识别在科学研究中的应用………………………………………………………… 3
1.4.1 化合物的构效分析………………………………………………………………… 3
1.4.2 谱图解析…………………………………………………………………………… 4
1.4.3 材料研究…………………………………………………………………………… 4
1.4.4 催化剂研究………………………………………………………………………… 5
1.4.5 机械故障诊断与监测……………………………………………………………… 5
1.4.6 化学物质源产地判断……………………………………………………………… 6
1.4.7 疾病的诊断与预测………………………………………………………………… 6
1.4.8 矿藏勘探…………………………………………………………………………… 7
1.4.9 考古及食品工业中的应用………………………………………………………… 7
第2章 统计模式识别技术……………………………………………………………………… 8
2.1 基于概率统计的贝叶斯分类方法……………………………………………………… 8
2.1.1 最小错误率贝叶斯分类…………………………………………………………… 9
2.1.2 最小风险率贝叶斯分类…………………………………………………………… 10
2.2 线性分类器……………………………………………………………………………… 12
2.2.1 线性判别函数……………………………………………………………………… 12
2.2.2Fisher线性判别函数……………………………………………………………… 13
2.2.3 感知器算法………………………………………………………………………… 14
2.3 非线性分类器…………………………………………………………………………… '315
2.3.1 分段线性判别函数………………………………………………………………… 15
2.3.2 近邻法……………………………………………………………………………… 17
2.3.3 势函数法…………………………………………………………………………… 19
2.3.4SIMCA 方法……………………………………………………………………… 20
2.4 聚类分析………………………………………………………………………………… 22
2.4.1 模式相似度………………………………………………………………………… 22
2.4.2 聚类准则…………………………………………………………………………… 24
2.4.3 层次聚类法………………………………………………………………………… 25
2.4.4 动态聚类法………………………………………………………………………… 25
2.4.5 决策树分类器……………………………………………………………………… 28
2.5 统计模式识别在科学研究中的应用…………………………………………………… 29
第3章 人工神经网络及模式识别…………………………………………………………… 43
3.1 人工神经网络的基本概念……………………………………………………………… 43
3.1.1 人工神经元………………………………………………………………………… 43
3.1.2 传递函数…………………………………………………………………………… 43
3.1.3 人工神经网络分类和特点………………………………………………………… 44
3.2 BP人工神经网络……………………………………………………………………… 44
3.2.1BP人工神经网络学习算法……………………………………………………… 44
3.2.2BP人工神经网络MATLAB实现……………………………………………… 46
3.3 径向基函数神经网络RBF …………………………………………………………… 47
3.3.1RBF的结构与学习算法…………………………………………………………… 47
3.3.2RBF的MATLAB实现…………………………………………………………… 48
3.4 自组织竞争人工神经网络……………………………………………………………… 48
3.4.1 自组织竞争人工神经网络的基本概念…………………………………………… 48
3.4.2 自组织竞争神经网络的学习算法………………………………………………… 49
3.4.3 自组织竞争网络的MATLAB实现……………………………………………… 49
3.5 对向传播神经网络CPN ……………………………………………………………… 50
3.5.1CPN 的基本概念………………………………………………………………… 50
3.5.2CPN 网络的学习算法…………………………………………………………… 50
3.6 反馈型神经网络Hopfield …………………………………………………………… 51
3.6.1Hopfield网络的基本概念………………………………………………………… 51
3.6.2Hopfield网络的学习算法………………………………………………………… 52
3.6.3Hopfield网络的MATLAB实现………………………………………………… 53
3.7 人工神经网络技术在科学研究中的应用……………………………………………… 53
第4章 模糊系统理论及模式识别…………………………………………………………… 72
4.1 模糊系统理论基础……………………………………………………………………… 72
4.1.1 模糊集合…………………………………………………………………………… 72
4.1.2 模糊关系…………………………………………………………………………… 75
4.1.3 模糊变换与模糊综合评判………………………………………………………… 77
4.1.4If…then规则……………………………………………………………………… 78
4.1.5 模糊推理…………………………………………………………………………… 78
4.2 模糊模式识别的基本方法……………………………………………………………… 79
4.2.1 最大隶属度原则…………………………………………………………………… 79
4.2.2 择近原则…………………………………………………………………………… 79
4.2.3 模糊聚类分析……………………………………………………………………… 81
4.3 模糊神经网络…………………………………………………………………………… 85
4.3.1 模糊神经网络……………………………………………………………………… 85
4.3.2 模糊BP神经网络………………………………………………………………… 86
4.4 模糊逻辑系统及其在科学研究中的应用……………………………………………… 86
第5章 核函数方法及应用…………………………………………………………………… 107
5.1 核函数方法…………………………………………………………………………… 107
5.2 基于核的主成分分析方法…………………………………………………………… 108
5.2.1 主成分分析……………………………………………………………………… 108
5.2.2 基于核的主成分分析…………………………………………………………… 110
5.3 基于核的Fisher判别方法…………………………………………………………… 112
5.3.1Fisher判别方法………………………………………………………………… 112
5.3.2 基于核的Fisher判别方法分析………………………………………………… 113
5.4 基于核的投影寻踪方法……………………………………………………………… 114
5.4.1 投影寻踪分析…………………………………………………………………… 114
5.4.2 基于核的投影寻踪分析………………………………………………………… 118
5.5 核函数方法在科学研究中的应用…………………………………………………… 119
第6章 支持向量机及其模式识别…………………………………………………………… 130
6.1 统计学习理论基本内容……………………………………………………………… 130
6.2 支持向量机…………………………………………………………………………… 131
6.2.1 最优分类面……………………………………………………………………… 131
6.2.2 支持向量机模型………………………………………………………………… 132
6.3 支持向量机在模式识别中的应用…………………………………………………… 134
第7章 可拓学及其模式识别………………………………………………………………… 142
7.1 可拓学概论…………………………………………………………………………… 142
7.1.1 可拓工程基本思想……………………………………………………………… 142
7.1.2 可拓工程使用的基本工具……………………………………………………… 143
7.2 可拓集合……………………………………………………………………………… 145
7.2.1 可拓集合含义…………………………………………………………………… 145
7.2.2 物元可拓集合…………………………………………………………………… 146
7.3 可拓聚类预测的物元模型…………………………………………………………… '3146
7.4 可拓学在科学研究中的应用………………………………………………………… 147
第8章 粗糙集理论及其模式识别…………………………………………………………… 154
8.1 粗糙集理论基础……………………………………………………………………… 154
8.1.1 分类规则的形成………………………………………………………………… 156
8.1.2 知识的约简……………………………………………………………………… 157
8.2 粗糙神经网络………………………………………………………………………… 158
8.3 系统评估粗糙集方法………………………………………………………………… 158
8.3.1 模型结构………………………………………………………………………… 159
8.3.2 综合评估方法…………………………………………………………………… 159
8.4 粗糙集聚类方法……………………………………………………………………… 160
8.5 粗糙集理论在科学研究中的应用…………………………………………………… 161
第9章 遗传算法及其模式识别……………………………………………………………… 170
9.1 遗传算法的基本原理………………………………………………………………… 170
9.2 遗传算法分析………………………………………………………………………… 173
9.2.1 染色体的编码…………………………………………………………………… 173
9.2.2 适应度函数……………………………………………………………………… 174
9.2.3 遗传算子…………………………………………………………………………175
9.3 控制参数的选择……………………………………………………………………… 177
9.4 模拟退火算法………………………………………………………………………… 178
9.4.1 模拟退火的基本概念…………………………………………………………… 178
9.4.2 模拟退火算法的基本过程……………………………………………………… 179
9.4.3 模拟退火算法中的控制参数…………………………………………………… 180
9.5 基于遗传算法的模式识别在科学研究中的应用…………………………………… 180
9.5.1 遗传算法的MATLAB实现…………………………………………………… 180
9.5.2 遗传算法在科学研究中的应用实例…………………………………………… 185
第10章 蚁群算法及其模式识别…………………………………………………………… 201
10.1 蚁群算法原理………………………………………………………………………… 201
10.1.1基本概念………………………………………………………………………… 201
10.1.2蚁群算法的基本模型…………………………………………………………… 202
10.1.3蚁群算法的特点………………………………………………………………… 203
10.2 蚁群算法的改进……………………………………………………………………… 203
10.2.1自适应蚁群算法………………………………………………………………… 203
10.2.2遗传算法与蚁群算法的融合…………………………………………………… 204
10.2.3蚁群神经网络…………………………………………………………………… 204
10.3 聚类问题的蚁群算法………………………………………………………………… 205
10.3.1聚类数目已知的聚类问题的蚁群算法………………………………………… 205
10.3.2聚类数目未知的聚类问题的蚁群算法………………………………………… 206
10.4 蚁群算法在科学研究中的应用……………………………………………………… 207
第11章 粒子群算法及其模式识别………………………………………………………… 217
11.1 粒子群算法的基本原理……………………………………………………………… 217
11.2 全局模式与局部模式………………………………………………………………… 218
11.3 粒子群算法的特点…………………………………………………………………… 218
11.4 基于粒子群算法的聚类分析………………………………………………………… 219
11.4.1算法描述………………………………………………………………………… 219
11.4.2实现步骤………………………………………………………………………… 220
11.5 粒子群算法在科学研究中的应用…………………………………………………… 221
第12章 可视化模式识别技术……………………………………………………………… 229
12.1 高维数据的图形表示方法…………………………………………………………… 229
12.1.1轮廓图…………………………………………………………………………… 229
12.1.2雷达图…………………………………………………………………………… 230
12.1.3树形图…………………………………………………………………………… 230
12.1.4三角多项式图…………………………………………………………………… 231
12.1.5散点图…………………………………………………………………………… 231
12.1.6星座图…………………………………………………………………………… 232
12.1.7脸谱图…………………………………………………………………………… 233
12.2 图形特征参数计算…………………………………………………………………… 235
12.3 显示方法……………………………………………………………………………… 237
12.3.1线性映射………………………………………………………………………… 237
12.3.2非线性映射……………………………………………………………………… 237
第13章 灰色系统方法及应用……………………………………………………………… 241
13.1 灰色系统的基本概念………………………………………………………………… 241
13.1.1灰 数…………………………………………………………………………… 241
13.1.2灰数白化与灰度………………………………………………………………… 242
13.2 灰色序列生成算子…………………………………………………………………… 242
13.2.1均值生成算子…………………………………………………………………… 242
13.2.2累加生成算子…………………………………………………………………… 243
13.2.3累减生成算子…………………………………………………………………… 243
13.3 灰色分析……………………………………………………………………………… 244
13.3.1灰色关联度分析………………………………………………………………… 244
13.3.2无量纲化的关键算子…………………………………………………………… 244
13.3.3关联分析的主要步骤…………………………………………………………… 245
13.3.4其他几种灰色关联度…………………………………………………………… 246
13.4 灰色聚类……………………………………………………………………………… 247
13.5 灰色系统建模………………………………………………………………………… 247
13.5.1GM(1,1)模型…………………………………………………………………… 247
13.5.2GM(1,1)模型检验……………………………………………………………… 248
13.5.3残差GM(1,1)模型…………………………………………………………… 250
13.5.4GM(1,N )模型………………………………………………………………… 250
13.6 灰色灾变预测………………………………………………………………………… 251
13.7 灰色系统的应用……………………………………………………………………… 252
第14章 人工鱼群等群体智能算法………………………………………………………… 258
14.1 人工鱼群算法………………………………………………………………………… 259
14.1.1鱼群模式的提出………………………………………………………………… 259
14.1.2人工鱼的四种基本行为算法描述……………………………………………… 259
14.1.3人工鱼群算法概述……………………………………………………………… 261
14.1.4各种参数对算法收敛性能的影响……………………………………………… 263
14.1.5人工鱼群算法在科学研究中的应用…………………………………………… 264
14.2 人工免疫算法………………………………………………………………………… 270
14.2.1人工免疫算法的生物学基础…………………………………………………… 270
14.2.2人工免疫优化算法概述………………………………………………………… 272
14.2.3人工免疫算法与遗传算法的比较……………………………………………… 276
14.2.4人工免疫算法在科学研究中的应用…………………………………………… 277
14.3 进化计算……………………………………………………………………………… 281
14.3.1进化规划算法…………………………………………………………………… 283
14.3.2进化策略算法…………………………………………………………………… 284
14.3.3进化计算在科学研究中的应用………………………………………………… 286
14.4 混合蛙跳算法………………………………………………………………………… 291
14.4.1基本原理………………………………………………………………………… 291
14.4.2基本术语………………………………………………………………………… 291
14.4.3算法的基本流程及算子………………………………………………………… 292
14.4.4算法控制参数的选择…………………………………………………………… 294
14.4.5混合蛙跳算法在科学研究中的应用…………………………………………… 294
14.5 猫群算法……………………………………………………………………………… 296
14.5.1基本术语………………………………………………………………………… 296
14.5.2基本流程………………………………………………………………………… 297
14.5.3控制参数选择…………………………………………………………………… 299
14.5.4猫群算法在科学研究中的应用………………………………………………… 299
14.6 细菌觅食算法………………………………………………………………………… 300
14.6.1细菌觅食算法基本原理………………………………………………………… 301
14.6.2算法主要步骤与流程…………………………………………………………… 303
14.6.3算法参数选取…………………………………………………………………… 304
14.6.4细菌觅食算法在科学研究中的应用…………………………………………… 306
14.7 人工蜂群算法………………………………………………………………………… 307
14.7.1人工蜂群算法的基本原理……………………………………………………… 308
14.7.2人工蜂群算法的流程…………………………………………………………… 309
14.7.3控制参数选择…………………………………………………………………… 311
14.7.4人工蜂群算法在科学研究中的应用…………………………………………… 311
14.8 量子遗传算法………………………………………………………………………… 312
14.8.1量子计算的基础知识…………………………………………………………… 312
14.8.2量子计算………………………………………………………………………… 313
14.8.3量子遗传算法流程……………………………………………………………… 316
14.8.4控制参数………………………………………………………………………… 318
14.8.5量子遗传算法在科学研究中的应用…………………………………………… 320
14.9Memetic算法…………………………………………………………………………321
14.9.1Memetic算法的构成要素……………………………………………………… 321
14.9.2Memetic算法的基本流程……………………………………………………… 322
14.9.3控制参数选择…………………………………………………………………… 322
14.9.4Memetic算法在科学研究中的应用…………………………………………… 323
第15章 仿生模式识别……………………………………………………………………… 328
15.1 仿生模式识别基本理论……………………………………………………………… 328
15.1.1仿生模式识别的连续性规律…………………………………………………… 328
15.1.2多自由度神经元………………………………………………………………… 329
15.2 仿生模式识别的数学工具…………………………………………………………… 331
15.2.1高维空间几何分析基本概念…………………………………………………… 332
15.2.2高维空间中点、线、超平面的关系………………………………………………333
15.2.3高维空间几何覆盖理论………………………………………………………… 334
15.3 仿生模式识别的实现方式…………………………………………………………… 335
15.3.1高维空间复杂几何形体覆盖…………………………………………………… 335
15.3.2多权值神经元的构造…………………………………………………………… 338
15.4 仿生模式识别与传统模式识别的区别……………………………………………… 338
15.4.1认知理论的差别………………………………………………………………… 338
15.4.2数学模式的差异………………………………………………………………… 339
15.5 仿生模式识别在科学研究中的应用………………………………………………… 340
第16章 模式识别的特征及确定…………………………………………………………… 348
16.1 基本概念……………………………………………………………………………… 348
16.1.1特征的特点……………………………………………………………………… 348
16.1.2特征的类别……………………………………………………………………… 348
16.1.3特征的形成……………………………………………………………………… 352
16.1.4特征选择与提取………………………………………………………………… 353
16.2 样本特征的初步分析………………………………………………………………… 353
16.3 特征筛选处理………………………………………………………………………… 357
16.4 特征提取……………………………………………………………………………… 357
16.4.1特征提取的依据………………………………………………………………… 357
16.4.2特征提取的方法………………………………………………………………… 359
16.5 基于K L变换的特征提取………………………………………………………… 362
16.5.1离散K L变换………………………………………………………………… 362
16.5.2离散K L变换的特征提取…………………………………………………… 363
16.5.3吸收类均值向量信息的特征提取……………………………………………… 363
16.5.4利用总体熵吸收方差信息的特征提取………………………………………… 364
16.6 因子分析………………………………………………………………………………3365
16.6.1因子分析的一般数学模型……………………………………………………… 365
16.6.2Q 型和R型因子分析…………………………………………………………… 366
参考文献………………………………………………………………………………………… 372
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