感知机——R实现

本文介绍了使用感知机学习算法的原始形式求解线性模型的过程。通过一个训练数据集,详细展示了迭代更新权重w和偏置b的方法,最终得出分离超平面。R代码实现了这一过程,指出了解的非唯一性与初始值和选取的误分类点有关。

感知机理论见博文:统计学习方法笔记(二)感知机学习


对于训练数据集,其中正例点是x1=(3,3)T,x2=(4,3)T,负例点为x3=(1,1)T,用感知机学习算法的原始形式求感知机模型f(x)=w·x+b。这里w=(w(1),w(2))T,x=(x(1),x(2))T


:构建最优化问题:


按照算法求解w, b。η=1

### 如何在MATLAB中实现感知机算法 感知机是一种简单的线性分类模型,在MATLAB中可以通过编写自定义函数来实现其核心功能。以下是详细的说明以及代码示例。 #### 感知机的核心概念 感知机的主要目标是找到一个超平面,用于区分两类数据点。它通过不断调整权重向量 \( \mathbf{w} \) 和偏置项 \( b \),使得误分类样本的数量逐渐减少直至收敛[^2]。感知机的学习过程通常包括以下几个部分: - **初始化**:设置初始权重和学习率。 - **计算输出**:根据当前权重计算网络的实际输出。 - **更新规则**:当存在误分类时,按照特定的梯度下降规则更新权重。 --- #### MATLAB中的感知机实现 下面是一个完整的MATLAB代码示例,展示了如何实现单层感知机并完成二分类任务: ```matlab function perceptron_example() close all; clc; %% 参数初始化 learn_rate = 0.2; % 学习率 max_iter = 20; % 最大迭代次数 w = [0, 0, 0]; % 初始权值向量 [bias, weight_x1, weight_x2] %% 数据准备 P = [-0.5 -0.5 0.3 0.0; ... % 输入特征矩阵 X1, X2 -0.5 0.5 -0.5 1.0]; T = [1, 1, 0, 0]; % 对应的目标标签 Y % 添加偏置项列(始终为1) P = [ones(1, size(P, 2)); P]; %% 迭代训练 iter_count = 0; while true v = w * P; % 网络输出 (未经过激活函数) y = hardlim(v); % 使用硬限幅函数得到最终输出 e = T - y; % 计算误差 mae = mean(abs(e)); % 平均绝对误差 if mae < 0.001 || iter_count >= max_iter fprintf('Training completed after %d iterations.\n', iter_count); break; end % 更新权重 w = w + learn_rate * e * P'; iter_count = iter_count + 1; end %% 结果可视化 figure; draw_Func(P, T); % 绘制决策边界 x_range = linspace(-1.5, 1.5, 100); y_boundary = -(w(2) / w(3)) * x_range - (w(1) / w(3)); plot(x_range, y_boundary, 'k-', 'LineWidth', 2); title('Perceptron Decision Boundary'); xlabel('X1'); ylabel('X2'); legend('Class 1', 'Class 0', 'Decision Boundary'); end %% 辅助函数:绘制散点图 function draw_Func(sample, label) idx_pos = find(label == 1); idx_neg = find(label ~= 1); scatter(sample(2, idx_pos), sample(3, idx_pos), [], 'b', 'filled'); hold on; scatter(sample(2, idx_neg), sample(3, idx_neg), [], 'r', 'filled'); xlim([-1.5, 1.5]); ylim([-1.5, 1.5]); grid on; end ``` --- #### 关键点解析 1. **输入数据扩展** 在原始二维输入基础上增加了一列表示偏置项的一列常数 `1`,从而简化了后续的矩阵运算[^2]。 2. **激活函数的选择** 此处采用了阶跃函数 (`hardlim`) 作为激活函数,这是感知机的经典配置之一[^3]。 3. **权重更新机制** 当前版本实现了最基础的形式化更新规则,即每次仅针对错误分类样例进行修正操作。 4. **终止条件设定** 循环结束的标准有两个选项——要么达到预设的最大循环轮次限制,或者直到所有样本都被正确划分为止[^2]。 --- #### 扩展思考 如果需要进一步提升该程序的功能,则可以从以下方面入手改进: - 支持更多类型的激活函数; - 增强鲁棒性和异常检测能力; - 提供图形界面交互支持以便于调试观察整个训练流程变化情况等特性增强用户体验效果[^3]。
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