【论文阅读】Self-Paced Boost Learning for Classification

该论文提出了一种名为Self-PacedBoostLearning(SPBL)的新框架,旨在同时提升监督学习的有效性和鲁棒性。SPBL通过自适应的从易到难的学习节奏,在Boosting过程中引导模型关注未充分学习的样本。通过最大化边距的Boosting优化和自我节奏的样本选择,SPBL能够在确保样本可靠性的前提下捕捉内在的类别判别模式。实验证明,SPBL在效果和稳定性上均优于传统方法,尤其适用于多分类问题。

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bib:

@INPROCEEDINGS{
   
   PiLi2016SPBL,
  title		= {
   
   Self-Paced Boost Learning for Classification},
  author	= {
   
   Te Pi and Xi Li and Zhongfei Zhang and Deyu Meng and Fei Wu and Jun Xiao and Yueting Zhuang},
  booktitle	= {
   
   IJCAI},
  year		= {
   
   2016},
  pages     = {
   
   1932--1938}
}

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1. 摘要

Effectiveness and robustness are two essential aspects of supervised learning studies.

For effective learning, ensemble methods are developed to build a strong effective model from ensemble of weak models.

For robust learning, self-paced learning (SPL) is proposed to learn in a self-controlled pace from easy samples to complex ones.

Motivated by simultaneously enhancing the learning effectiveness and robustness, we propose a unified framework, Self-Paced Boost Learning (SPBL).

With an adaptive from-easy-to-hard pace in boosting process, SPBL asymptotically guides the model to focus more on the insufficiently learned samples with higher reliability.

Via a max-margin boosting optimization with self-paced sample selection, SPBL is capable of capturing the intrinsic inter-class discriminative patterns while ensuring the reliability of the samples involved in learning.

We formulate SPBL as a fully-corrective optimization for classification.

The experiments on several real-world datasets show the superiority of SPBL in terms of both effectiveness and robustness.

Note:

  1. Self-paced learning(自步学习,从容易到难的学习)和Boost(集成学习)融合在一起,同时保证有效性与鲁棒性。

2. 算法

问题:多分类问题
y ~ ( x ) = arg max ⁡ r ∈ { 1 , … , C } F r ( x ; Θ ) (1) \widetilde{y}(x) = \argmax_{r \in \{1, \dots, C\} }F_r(x; \Theta) \tag{1} y (x)=r{ 1,,C}argmaxFr(x;Θ)(1)

  • { ( x i , y i ) } i = 1 n \{(x_i, y_i)\}_{i=1}^n {(xi,yi)}i=1n 表示带标签的训练数据,其中又 n n n个带标签的样本。 x i ∈ R d x_i \in \mathbb{R}^d xiRd 是第 i i i个样本的特征, y i ∈ { 1 , … , C } y_i \in \{1, \dots, C\} yi{ 1,,C}表示第个样本的标签。
  • F r ( ⋅ ) : R d → R F_r(\cdot):\mathbb{R}^d \rightarrow \mathbb{R} Fr():RdR 表示将样本 x x x分类到类别 r r r的置信度得分。值得注意的是, 这里相当于将多分类问题转化为了 C C C个二分类问题,对应于OvA策略。优点是只用训练类别数目 C C
### 自适应学习算法的实现 自适应学习(Self-Paced Learning, SPL)是一种模仿人类认知过程的学习方法,其核心思想是从简单到复杂逐步训练模型。虽然提供的引用中未直接提及SPL的具体代码实现[^1],但可以根据已有的研究和框架来构建其实现。 以下是基于Python的一个简单的自适应学习算法实现示例: #### 基于难度加权的自适应学习伪代码 ```python import numpy as np def self_paced_learning(X_train, y_train, model, loss_function, lambda_min=0.1, lambda_max=1.0, rate=0.1): """ 实现一个基本的自适应学习算法 参数: X_train: 训练数据特征矩阵 y_train: 训练数据标签向量 model: 可训练的机器学习模型 loss_function: 损失函数计算方式 lambda_min: 难度参数下限 lambda_max: 难度参数上限 rate: 更新速率 返回: trained_model: 经过自适应学习调整后的模型 """ n_samples = len(y_train) lambdas = np.full(n_samples, lambda_min) # 初始化样本权重为最小值 while True: weighted_loss = [] for i in range(n_samples): prediction = model.predict([X_train[i]])[0] loss = loss_function(prediction, y_train[i]) weighted_loss.append(loss * lambdas[i]) # 加入权重调节 total_weighted_loss = sum(weighted_loss) if total_weighted_loss < threshold or all(lambdas >= lambda_max): # 收敛条件 break # 调整样本权重 for i in range(n_samples): if weighted_loss[i] > average_loss: lambdas[i] += rate # 提高困难样本权重 else: lambdas[i] -= rate # 减少容易样本权重 lambdas[i] = max(lambda_min, min(lambdas[i], lambda_max)) # 截断范围 # 使用更新后的权重重新训练模型 model.fit(X_train, y_train, sample_weights=lambdas) return model ``` 此代码片段展示了一个基础版本的自适应学习逻辑,其中通过动态调整样本权重来控制训练过程中不同样本的影响程度[^3]。 --- ### 关键概念解释 - **难度参数**:`lambda` 控制每个样本的重要性,在初始阶段赋予较低权重给较难样本,随着迭代逐渐增加这些样本的影响力。 - **损失函数**:用于衡量当前预测与真实值之间的差距,通常可以采用均方误差或交叉熵等标准形式。 - **收敛条件**:当总体加权损失低于设定阈值或者所有样本达到最大允许权重时停止训练循环。 上述实现仅为理论上的简化版,实际应用可能需要针对具体场景进一步优化并引入更多高级特性如正则化项或其他约束机制[^2]。 ---
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