Python32 极限学习机ELM

news2024/10/8 12:47:58

极限学习机（ELM）是一种简单的单层前馈神经网络（SLFN）学习算法。理论上，极限学习机算法（ELM）往往以极快的学习速度提供良好的性能（属于机器学习算法），由Huang等人提出。ELM的主要特点是它的学习速度非常快，相比传统的梯度下降方法（如BP神经网络），ELM不需要迭代过程。其基本原理是随机选择隐藏层的权重和偏置，然后通过最小化输出层的误差来学习输出权重。

img

ELM算法的主要步骤

随机初始化输入到隐藏层的权重和偏置：
- 隐藏层的权重和偏置是随机生成的，并且在训练过程中保持不变。
计算隐藏层的输出矩阵（即激活函数的输出）：
- 使用激活函数（如sigmoid、ReLU等）计算隐藏层的输出。
计算输出权重：
- 通过最小二乘法计算隐藏层到输出层的权重。

ELM的数学公式如下：

给定一个训练数据集，其中 ,
隐藏层的输出矩阵的计算公式为：
- 其中，是输入矩阵，是输入到隐藏层的权重矩阵，是偏置向量，是激活函数。
输出权重的计算公式为：
- 其中，是隐藏层输出矩阵的广义逆，是输出矩阵。

ELM算法的应用场景

大规模数据集处理：ELM 在处理大规模数据集时表现良好，因为它的训练速度很快，适用于需要快速训练模型的场景，比如大规模图像分类、自然语言处理等任务。
工业预测：ELM 在工业预测领域有广泛的应用，比如工业生产过程中的质量控制、设备故障预测等。它可以快速训练预测模型，并对实时数据做出快速响应。
金融领域：ELM 可以用于金融数据分析和预测，比如股票价格预测、风险管理、信用评分等。由于金融数据通常是高维度的，ELM 的快速训练速度对处理这些数据很有优势。
医学诊断：在医学领域，ELM 可以用于疾病预测、医学影像分析等任务。它可以快速训练模型，并对患者数据进行分类或回归，帮助医生做出更快速和准确的诊断。
智能控制系统：ELM 可以用于智能控制系统中，比如智能家居、智能交通系统等。通过学习环境的特征和规律，ELM 可以帮助系统做出智能决策，提高系统的效率和性能。

Python实现ELM算法

我们使用 make_moons 数据集，这是一个常用于机器学习和深度学习分类任务的玩具数据集。它生成的点分布成两个相交的半月形状，非常适合用于展示分类算法的性能和决策边界。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.datasets import make_moons
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.neural_network import MLPClassifier
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.metrics import accuracy_score

# 定义极限学习机（ELM）类
class ELM:
    def __init__(self, n_hidden_units):
        # 初始化隐藏层神经元数量
        self.n_hidden_units = n_hidden_units

    def _sigmoid(self, x):
        # 定义Sigmoid激活函数
        return 1 / (1 + np.exp(-x))

    def fit(self, X, y):
        # 随机初始化输入权重
        self.input_weights = np.random.randn(X.shape[1], self.n_hidden_units)
        # 随机初始化偏置
        self.biases = np.random.randn(self.n_hidden_units)
        # 计算隐藏层输出矩阵H
        H = self._sigmoid(np.dot(X, self.input_weights) + self.biases)
        # 计算输出权重
        self.output_weights = np.dot(np.linalg.pinv(H), y)

    def predict(self, X):
        # 计算隐藏层输出矩阵H
        H = self._sigmoid(np.dot(X, self.input_weights) + self.biases)
        # 返回预测结果
        return np.dot(H, self.output_weights)

# 创建数据集并进行预处理
X, y = make_moons(n_samples=1000, noise=0.2, random_state=42)
# 将标签转换为二维数组（ELM需要二维数组作为标签）
y = y.reshape(-1, 1)

# 标准化数据
scaler = StandardScaler()
X_scaled = scaler.fit_transform(X)

# 拆分训练集和测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X_scaled, y, test_size=0.3, random_state=42)

# 训练和比较ELM与MLP

# 训练ELM
elm = ELM(n_hidden_units=10)
elm.fit(X_train, y_train)
y_pred_elm = elm.predict(X_test)
# 将预测结果转换为类别标签
y_pred_elm_class = (y_pred_elm > 0.5).astype(int)
# 计算ELM的准确率
accuracy_elm = accuracy_score(y_test, y_pred_elm_class)

# 训练MLP
mlp = MLPClassifier(hidden_layer_sizes=(10,), max_iter=1000, random_state=42)
mlp.fit(X_train, y_train.ravel())
# 预测测试集结果
y_pred_mlp = mlp.predict(X_test)
# 计算MLP的准确率
accuracy_mlp = accuracy_score(y_test, y_pred_mlp)

# 打印ELM和MLP的准确率
print(f"ELM Accuracy: {accuracy_elm}")
print(f"MLP Accuracy: {accuracy_mlp}")

# 可视化结果
def plot_decision_boundary(model, X, y, ax, title):
    # 设置绘图范围
    x_min, x_max = X[:, 0].min() - 1, X[:, 0].max() + 1
    y_min, y_max = X[:, 1].min() - 1, X[:, 1].max() + 1
    # 创建网格
    xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, 0.01),
                         np.arange(y_min, y_max, 0.01))
    # 预测网格中的所有点
    Z = model(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])
    Z = (Z > 0.5).astype(int)
    Z = Z.reshape(xx.shape)
    # 画出决策边界
    ax.contourf(xx, yy, Z, alpha=0.8)
    # 画出数据点
    ax.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c=y.ravel(), edgecolors='k', marker='o')
    ax.set_title(title)

# 创建图形
fig, axs = plt.subplots(1, 2, figsize=(12, 5))

# 画出ELM的决策边界
plot_decision_boundary(lambda x: elm.predict(x), X_test, y_test, axs[0], "ELM Decision Boundary")
# 画出MLP的决策边界
plot_decision_boundary(lambda x: mlp.predict(x), X_test, y_test, axs[1], "MLP Decision Boundary")

# 显示图形
plt.show()

# 输出：
'''
ELM Accuracy: 0.9666666666666667
MLP Accuracy: 0.9766666666666667
'''

可视化输出：