特征离散化解决非线性特征问题

本文探讨了在使用线性分类器如LR时,通过将连续特征离散化为0/1特征来提高模型拟合能力的方法。通过实例分析,展示了离散化如何帮助线性模型更好地逼近复杂的非线性决策边界。

在实际工作中,需要使用譬如LR这种线性分类器的时候,往往需要将特征离散化成0/1特征,之后再进行模型训练。


下面举例说明原因:

我们假设决策面为y=x^2,且模型是只具有一维特征x的线性模型,即模型的表达形式为:y=kx+b,如下图所示:



显然,模型不能很好地拟合决策面,那么,假如将x离散化成多个0/1特征(one-hot编码):

0<x<=s1    x1=1,else=0

s1<x<=s2  x2=1,else=0

s2<x<=s3  x3=1,else=0

...

则新的模型表达形式如下:

y=k1x1+k2x2+k3x2+...+knxn+b


这时候新的决策面的表达形式为:

0<x<=s1    y=k1+b

s1<x<=s2  y=k2+b

s2<x<=s3  y=k3+b

...

那么,如下图所示:

     



经过离散化后的特征训练出来的模型可以更好地拟合决策面。

非线性系统的离散化处理是将连续时间域中的系统模型转换为离散时间域中的等效表示,以便于数字计算机上的数值计算和仿真。这种转换通常涉及对微分方程进行近似求解,并且可以采用多种方法来实现。 一种常见的做法是使用零阶保持法(Zero-Order Hold, ZOH),它假设输入信号在一个采样周期内保持不变[^3]。这种方法适用于线性时不变系统,但对于某些类型的非线性系统也可以应用。对于更复杂的非线性系统,可能需要采用更高阶的保持策略或者专门设计的方法来进行离散化。 欧拉方法是一种简单直接的离散化技术,包括前向欧拉法和后向欧拉法。前向欧拉法通过向前差分近似导数来更新状态变量,而后向欧拉法则利用了隐式积分,这通常会带来更好的稳定性特性,但需要求解非线性方程组。改进的欧拉法或称梯形法则提供了比基本欧拉法更高的精度,它是基于平均斜率的概念来更新状态。 Runge-Kutta 方法是一类更为高级的数值积分方法,其中最著名的是四阶 Runge-Kutta 法,它能够提供较高的准确度并且在实践中广泛应用于非线性系统的离散化。这类方法通过计算多个中间步骤来估计下一个时间点的状态值,从而提高了整体的逼近质量。 针对特定的应用场景,还可以考虑使用自适应步长控制算法,这些算法可以根据局部误差估计自动调整积分步长,以确保既有效率又保证精度。例如,RKF45 (Runge-Kutta-Fehlberg) 方法就结合了不同阶次的 Runge-Kutta 公式用于同时获得解决方案及其误差估计。 此外,在特征模型的研究中提到了递推最小二乘法与遗忘因子相结合的技术,这可能是为了在线辨识动态系统参数并据此构建离散化的模型。这样的方法允许随着时间推移不断修正模型参数,使得所得到的离散模型更加贴近实际过程的行为。 综上所述,选择合适的离散化方法取决于具体问题的需求、系统的性质以及预期达到的精度水平。每种方法都有其优势和局限性,因此在实践中往往需要根据具体情况做出权衡。 ```python # 示例:四阶Runge-Kutta方法实现一个简单的非线性微分方程dy/dt = -y^2 + t的离散化 def runge_kutta_step(f, y, t, dt): k1 = f(y, t) k2 = f(y + 0.5 * dt * k1, t + 0.5 * dt) k3 = f(y + 0.5 * dt * k2, t + 0.5 * dt) k4 = f(y + dt * k3, t + dt) return y + (dt / 6.0) * (k1 + 2*k2 + 2*k3 + k4) # 定义非线性微分方程 def nonlinear_ode(y, t): return -y**2 + t # 初始条件 y_initial = 1.0 t_initial = 0.0 time_step = 0.1 final_time = 5.0 # 执行RK4积分 current_y = y_initial current_t = t_initial while current_t < final_time: current_y = runge_kutta_step(nonlinear_ode, current_y, current_t, time_step) current_t += time_step ``` 在实施任何离散化方案时,重要的是要考虑到由此引入的截断误差及可能影响系统行为稳定性的因素。有时还需要对原始连续系统进行适当的变换,比如将平衡点移到原点处,以便简化分析和处理[^2]。
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