李宏毅机器学习(二十)无监督学习Neighbor Embedding近邻嵌入

Manifold Learning

我们有时候的特征其实是低维度的放到高纬度上去,比如地球表面是2维的,但是被放到了3维空间,比如左下的S曲面,其实可以展开到2维平面上去,接下来就方便我们进一步计算分类等等

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我们有如下几个降维方法

Locally Linear Emedding(LLE)局部线性嵌入

具体是是怎么做的呢,我们点x和周围的点xj,给xj每个点加权wij求和,使其和xi最接近,然后投影到向量zi,zj(已降维),使他们之间的关系系数还是wij。LLE我们并不一定明确其函数是如何实现降维。

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我们LLE就是找到维度低的zi,zj使得投影过去的线性表示zj和zi最接近

插图2

LLE最K选几有一定要求,K太小不好,K太大了没有很近才分布到一起,最终的点还是没有很好分类

插图3

Laplacian Eigemmaps拉普拉斯特征图

我们之前讲过smoothness,2个点是否一类不是计算距离而是通过是否平滑连接到一起

插图4

我们之前讲半监督学习的时候讲过如果x1,x2在高密度区域连接,那他们很可能是有一个标签,就有了平滑度的公式,等等

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我们同样可以对无监督学习采用smoothness公式,如果要求最小,但这有没有问题呢?我们让zi=zj=0不就都最小了吗,所以无监督学习我们还需要引入一些条件,如果z的维度是M维,我们希望取得N个点的空间是M维空间(即不希望N个点的空间比M维还小)。有人又会说我们半监督学习并没有这个要求啊,因为半监督学习我们引入了损失函数和平滑函数,不光由平滑函数自己决定。

我们把z求出来事实上和之前求L的特征向量一样,只不过是特征值比较小的特征向量,我们得到这样的向量再做聚类,就会叫做Spectral Clustering

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接下来我们讲TSNE,我们之前的方法的确实现了将距离近的靠在了一起,但是并么有让距离远的分开,比如下图左MNIST和下图右COIL-20图片,图中的像8字的环形是图片旋转的效果。

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TSNE我们计算xi,xj的相似度后除以xi和空间所有其他点相似度的和,就得到了一般化的分布,我们同样可以计算zi,zj我们就是需要他们的分布尽量一致,就需要梯度下降求,但是相似度计算量太大,我们往往开始需要先降维(比如PCA),然后再通过TSNE降维

插图8

我们知道xi,xj的相似度公式S(x_{i} ,x_{j} )=exp(-\vert x_{i} -x_{j}  \vert ^2 ),如果是SNE,那z的相似度公式和x一致,但是TSNE采用了新的相似度公式S(z_{i} ,z_{j} )=1/(1+\vert z_{i} -z_{j}  \vert^2  )这样有什么好处呢,我们看下图,我们x有一定的差异时,反应在z上就能很大,所以采用新的相似度公式

插图9

所以我们TSNE在MNIST和COIL-20就会有比较明显的分类效果,COIL-20有的圈圈就是图像不同旋转方向的结果

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