A GENERALIZED CROSS VALIDATION METHOD FOR THE INVERSE PROBLEM OF 3-D MAXWELL'S EQUATION
地理加权回归模型介绍
第三章地理加权回归模型介绍3.1 基本模型在地学空间分析中,n组观测数据通常是在n个不同地理位置上获取的样本数据,全局空间回归模型就是假定回归参数与样本数据的地理位置无关,或者说在整个空间研究区域内保持稳定一致,那么在n个不同地理位置上获取的样本数据,就等同于在同一地理位置上获取的n个样本数据,其回归模型与最小二乘法回归模型相同,采用最小二乘估计得到的回归参数户既是该点的最优无偏估计,也是研究区域内所有点上的最优无偏估计。
而在实际问题研究中我们经常发现回归参数在不同地理位置上往往表现为不同,也就是说回归参数随地理位置变化,这时如果仍然采用全局空间回归模型,得到的回归参数估计将是回归参数在整个研究区域内的平均值,不能反映回归参数的真实空间特征。
为了解决这一问题,国外有些学者提出了空间变参数回归模型(Spatially Varying-Coeffi Cient Regression Model)(Fosterand Gorr,1986; Gorrand Olligschlaeger,1994),将数据的空间结构嵌入回归模型中,使回归参数变成观测点地理位置的函数。
Fortheringham等(Brunsdonetal,1996;Fortheringham et al,1997;Brunsdon et al,1998)在空间变系数回归模型基础上利用局部光滑思想,提出了地理加权回归模型(Geographieally Weighted Regression Model-GWR)。
地理加权回归模型(GWR)是对普通线性回归模型(OLR)的扩展,将样点数据的地理位置嵌入到回归参数之中,即:式中:(u i,v i)为第i个样点的坐标(如经纬度);βk(u i,v i)是第i个样点的第k个回归参数;εi是第i个样点的随机误差。
为了表述方便,我们将上式简写为:若β1k=β2k=⋯=βnk,则地理加权回归模型(GWR)就退变为普通线性回归模型(OLR)。
最优模型选择中的交叉验证(Crossvalidation)方法
最优模型选择中的交叉验证(Crossvalidation)方法很多时候,大家会利用各种方法建立不同的统计模型,诸如普通的cox回归,利用Lasso方法建立的cox回归,或者稳健的cox回归;或者说利用不同的变量建立不同的模型,诸如模型一只考虑了三个因素、模型二考虑了四个因素,最后对上述模型选择(评价)的时候,或者是参数择优的时候,通常传统统计学方法中会用AIC,BIC、拟合优度-2logL,或者预测误差最小等准则来选择最优模型;而最新的文献中都会提到一种叫交叉验证(Cross validation)的方法,或者会用到一种将原始数据按照样本量分为两部分三分之二用来建模,三分之一用来验证的思路(临床上有医生称为内部验证),再或者利用多中心数据,一个中心数据用来建模,另外一个中心数据用来验证(临床上称为外部验证),这些都是什么?总结一下自己最近看的文献和书籍,在这里简单介绍下,仅供参考。
一、交叉验证的概念交叉验证(Cross validation),有时亦称循环估计,是一种统计学上将数据样本切割成较小子集的实用方法。
于是可以先在一个子集上做建模分析,而其它子集则用来做后续对此分析的效果评价及验证。
一开始的子集被称为训练集(Train set)。
而其它的子集则被称为验证集(Validationset)或测试集(Test set)。
交叉验证是一种评估统计分析、机器学习算法对独立于训练数据的数据集的泛化(普遍适用性)能力(Generalize).例如下图文献中,原始数据集中449例观测,文献中将数据集分为了训练集(Primary Cohort)367例,验证集(Validation Cohort)82例。
二、交叉验证的原理及分类假设利用原始数据可以建立n个统计模型,这n 个模型的集合是M={M1,M2,…,Mn},比如我们想做回归,那么简单线性回归、logistic回归、随机森林、神经网络等模型都包含在M中。
Generalized cross-validation for large scale problems
GENE H. GOLUB AND URS VON MATT
Abstract. Although generalized cross-validation is a popular tool for calculating a regularization
parameter it has been rarely applied to large scale problems until recently. A major di culty lies in the evaluation of the cross-validation function which requires the calculation of the trace of an inverse matrix. In the last few years stochastic trace estimators have been proposed to alleviate this problem. In this paper numerical approximation techniques are used to further reduce the computational complexity. The new approach employs Gauss quadrature to compute lower and upper bounds on the cross-validation function. It only requires the operator form of the system matrix, i.e., a subroutine to evaluate matrix-vector products. Thus the factorization of large matrices can be avoided. The new approach has been implemented in MATLAB. Numerical experiments con rm the remarkable accuracy of the stochastic trace estimator. Regularization parameters are computed for ill-posed problems with 100, 1000, and 10000 unknowns.
回归分析中的广义加法模型应用技巧(五)
回归分析是统计学中常用的一种分析方法,用来探索自变量和因变量之间的关系。
在回归分析中,广义加法模型(Generalized Additive Model, GAM)是一种常用的非参数回归方法,它可以灵活地处理非线性关系,同时可以控制其他变量的影响,使得模型更加准确和可解释。
本文将介绍回归分析中的广义加法模型的应用技巧,以帮助读者更好地理解和运用这一方法。
回归分析是一种用来探索变量之间关系的方法。
在实际应用中,通常会有多个自变量同时影响因变量,而且它们之间的关系可能是非线性的。
传统的线性回归模型可以很好地处理线性关系,但对于非线性关系的拟合能力有限。
这时,广义加法模型就能够发挥其优势。
广义加法模型是一种非参数回归方法,它通过对自变量的非线性部分进行平滑处理,从而能够更好地拟合非线性关系。
在GAM中,每个自变量的作用被建模为一个非参数的平滑函数,这使得模型能够更好地适应非线性关系。
此外,GAM还可以对连续变量、离散变量和交互作用进行灵活建模,从而更好地控制其他变量的影响。
在实际应用中,广义加法模型有一些应用技巧需要注意。
首先,对于连续型自变量,可以选择不同的平滑函数来对其建模。
常用的平滑函数包括自然样条、样条平滑和 LOESS 等。
选择适当的平滑函数可以使模型更准确地拟合数据。
其次,对于离散型自变量和交互作用,可以使用适当的转换方法来进行建模,比如使用虚拟变量对离散型自变量进行编码,使用乘积项来建模交互作用。
这些方法可以帮助模型更好地捕捉变量之间的复杂关系。
此外,广义加法模型的参数估计通常使用的是广义交叉验证(Generalized Cross Validation, GCV)或最小二乘交叉验证(Least Squares Cross Validation, LSCV)等方法,以选择适当的平滑参数。
在实际应用中,需要根据数据情况选择合适的交叉验证方法,并结合模型的拟合效果来进行参数的选择。
在应用广义加法模型时,还需要注意模型的解释和诊断。
地理加权回归模型介绍
第三章地理加权回归模型介绍3.1 基本模型在地学空间分析中,n组观测数据通常是在n个不同地理位置上获取的样本数据,全局空间回归模型就是假定回归参数与样本数据的地理位置无关,或者说在整个空间研究区域内保持稳定一致,那么在n个不同地理位置上获取的样本数据,就等同于在同一地理位置上获取的n个样本数据,其回归模型与最小二乘法回归模型相同,采用最小二乘估计得到的回归参数户既是该点的最优无偏估计,也是研究区域内所有点上的最优无偏估计。
而在实际问题研究中我们经常发现回归参数在不同地理位置上往往表现为不同,也就是说回归参数随地理位置变化,这时如果仍然采用全局空间回归模型,得到的回归参数估计将是回归参数在整个研究区域内的平均值,不能反映回归参数的真实空间特征。
为了解决这一问题,国外有些学者提出了空间变参数回归模型(Spatially Varying-Coeffi Cient Regression Model)(Fosterand Gorr,1986;Gorrand Olligschlaeger,1994),将数据的空间结构嵌入回归模型中,使回归参数变成观测点地理位置的函数。
Fortheringham等(Brunsdonetal,1996;Fortheringham et al,1997;Brunsdon et al,1998)在空间变系数回归模型基础上利用局部光滑思想,提出了地理加权回归模型(Geographieally Weighted Regression Model-GWR)。
地理加权回归模型(GWR)是对普通线性回归模型(OLR)的扩展,将样点数据的地理位置嵌入到回归参数之中,即:式中:(u i,v i)为第i个样点的坐标(如经纬度);βk(u i,v i)是第i个样点的第k个回归参数;i是第i个样点的随机误差。
为了表述方便,我们将上式简写为:若,则地理加权回归模型(GWR)就退变为普通线性回归模型(OLR)。
反射型超声衍射CT迭代重建算法
的正则化目标函数:
min{||!"f- "F||+$2||"f||}
( 7)
!
其中 $ 为正则化参数, ! 为系数矩阵, 在超声衍射成
像中相应于非均匀傅立叶变换算子, "f= fk+1′- fk′, f0′ 为最初假设原始图像; "F=F′- F, F′是对 f′进行非均
匀傅立叶变换得到的矩阵; 根据傅立叶衍射定理, 由
rier transform, regularization
1引言
超声衍射成像是声学成像中的一个重要研究领 域, 除了在医学诊断中的潜在应用外, 还广泛应用于 海 洋 勘 探 、地 震 预 报 、国 防 军 事 、工 业 无 损 检 测 等 领 域。傅立叶衍射定理( Fourier diffraction theorem) 是 超声衍射成像的理论基础[1], 该 方 法 是 在 一 阶 Born 近似或者 Rytov 近似前提下, 利用快速傅立叶变换 ( FFT) 和反变换( IFFT) , 完成层析成像。傅立叶衍射
等。从实际应用角度来看, Tikhonov 正则化法和截断 奇异值法因为易于实现而应用广泛。
如前所述, Tikhonov 正则化是通过在正 则 化 目
标函数中增加一个限制条件, 参见式( 6) , 适当地选
择限制条件及其在目标函数中的权重, 得到适定解。
本文研究的是反射型超声衍射成像, 由傅立叶衍射
n1=- N1/2 n2=- N2/2
式中( !1, !2) 代表非均匀频率点的位置。上式用矩阵
表示为:
F="f
( 2)
Y 是非均匀傅立叶算子。通过 Y 的设定, 可以
得到任意频率点上的傅立叶变换值, 即得到目标物
地理加权回归模型介绍
第三章地理加权回归模型介绍3.1 基本模型在地学空间分析中,n组观测数据通常是在n个不同地理位置上获取的样本数据,全局空间回归模型就是假定回归参数与样本数据的地理位置无关,或者说在整个空间研究区域内保持稳定一致,那么在n个不同地理位置上获取的样本数据,就等同于在同一地理位置上获取的n个样本数据,其回归模型与最小二乘法回归模型相同,采用最小二乘估计得到的回归参数户既是该点的最优无偏估计,也是研究区域内所有点上的最优无偏估计。
而在实际问题研究中我们经常发现回归参数在不同地理位置上往往表现为不同,也就是说回归参数随地理位置变化,这时如果仍然采用全局空间回归模型,得到的回归参数估计将是回归参数在整个研究区域内的平均值,不能反映回归参数的真实空间特征。
为了解决这一问题,国外有些学者提出了空间变参数回归模型(Spatially Varying-Coeffi Cient Regression Model)(Fosterand Gorr,1986; Gorrand Olligschlaeger,1994),将数据的空间结构嵌入回归模型中,使回归参数变成观测点地理位置的函数。
Fortheringham等(Brunsdonetal,1996;Fortheringham et al,1997;Brunsdon et al,1998)在空间变系数回归模型基础上利用局部光滑思想,提出了地理加权回归模型(Geographieally Weighted Regression Model-GWR)。
地理加权回归模型(GWR)是对普通线性回归模型(OLR)的扩展,将样点数据的地理位置嵌入到回归参数之中,即:式中:(u i,v i)为第i个样点的坐标(如经纬度);βk(u i,v i)是第i个样点的第k个回归参数;εi是第i个样点的随机误差。
为了表述方便,我们将上式简写为:若β1k=β2k=⋯=βnk,则地理加权回归模型(GWR)就退变为普通线性回归模型(OLR)。
基于GAM_Tweedie模型的车险定价研究
基于GAM_Tweedie模型的车险定价研究摘要:广义线性模型作为车险费率厘定的主流方法,其假设协变量的影响为预测函数的线性形式,但在实际的情况下,许多对索賠频率、索賠强度或纯保费的影响因素不仅仅是表现成线性形式的,单纯地用线性估计会造成一些变量的不显著而丢失重要影响因素。
本文以一组汽车保险损失数据为样本,建立Tweedie广义加法模型,通过与Tweedie广义线性模型对比,表明Tweedie广义加法模型可以更好的解释各因素对索赔额的影响。
关键词:广义线性模型,车险费率厘定,Tweedie分布,广义加法模型一、引言车险定价实则是对索赔频率、索赔强度或纯保费进行预测。
在车险定价实务中,经常假设索赔频率与索赔强度相互独立,并分别建立索赔频率和索赔强度的广义线性模型。
在独立的假设下,可以把索赔频率与索赔强度的预测值相乘从而求得纯保费的预测值。
这种方法简单易行,在非寿险精算实务中得到广泛的应用,但其忽略了索赔频率与索赔强度之间可能存在的相依关系,从而造成预测的偏差。
而在纯保费的预测中,主要是应用Tweedie广义线性模型。
Tweedie广义线性模型,是假定保单的累积赔付额服从Tweedie分布,对赔付额的均值函数建立回归模型。
其要求协变量的影响为预测函数的线性形式,但在实际的情况下,许多对纯保费的影响因素不仅仅是表现成线性形式的,如空间协变量,大多数情况下其对响应变量均值函数的影响是非线性的,如果单纯地用线性估计会造成一些变量的不显著而丢失重要的影响因素。
为了更好的拟合数据,从而有必要对其进行优化推广,在广义线性模型中纳入平滑预测项,将其推广到广义加法模型。
从线性和非线性两个方面去分析各因素对预测函数不同的影响程度。
本文以一组汽车保险损失数据为样本,建立Tweedie广义加法模型,利用R软件对模型的参数进行估计检验。
通过与Tweedie广义线性模型对比,表明Tweedie 广义加法模型可以更好的解释各因素对索赔额的影响,从而改进了传统广义线性模型对纯保费的预测精度。
GCV广义交叉验证
Mårten Marcus
Generalized Cross Validation
Innehåll
Generals
What Regularization Parameter λ is Optimal?
Generalized Cross-Validation
Discussion
Regularization
λ
is Optimal?
λ
3
Generalized Cross-Validation Cross Validation Generalized Cross Validation (GCV) Convergence Result
4
Discussion
Mårten Marcus
Generalized Cross Validation
Innehåll
Generals
What Regularization Parameter λ is Optimal?
Generalized Cross-Validation
Discussion
Dening the Optimal λ
Plan
1 2
Generals What Regularization Parameter Examples Dening the Optimal
Innehåll
Generals
What Regularization Parameter λ is Optimal?
Generalized Cross-Validation
Discussion
References
Spline models for Observational Data (1990) Grace Wahba Optimal Estimation of Contour Properties by Cross-Validated Regularization (1989) - Behzad Shahraray, David Anderson Smoothing Noisy Data with Spline Function (1979) - Peter Craven, Grace Wahba
最全交叉验证实验_公开普及版
交叉验证--Cross validation交叉验证(Cross validation),有时亦称循环估计,是一种统计学上将数据样本切割成较小子集的实用方法。
于是可以先在一个子集上做分析,而其它子集则用来测试训练得到的模型(model),以此来做为评价分类器的性能指标。
一开始的子集被称为训练集。
而其它的子集则被称为验证集或测试集。
交叉验证是一种评估统计分析、机器学习算法对独立于训练数据的数据集的泛化能力(generalize)。
交叉验证一般要尽量满足:训练集的比例要足够多,一般大于一半训练集和测试集要均匀抽样其中第2点特别重要,均匀取样的目的是希望减少training/test set与完整集合之间的偏差(bias),但却也不易做到。
一般的作法是随机取样,当样本数量足够时,便可达到均匀取样的效果。
然而随机也正是此作法的盲点,也是经常是可以在数据上做手脚的地方。
举例来说,当辨识率不理想时,便重新取样一组training set与test set,直到test set的辨识率满意为止,但严格来说这样便算是作弊了交叉验证主要分成以下几类:1)Hold-Out Method将原始数据随机分为两组,一组做为训练集,一组做为验证集,利用训练集训练分类器,然后利用验证集验证模型,记录最后的分类准确率为此Hold-OutMethod下分类器的性能指标.此种方法的好处的处理简单,只需随机把原始数据分为两组即可,其实严格意义来说Hold-Out Method并不能算是CV,因为这种方法没有达到交叉的思想,由于是随机的将原始数据分组,所以最后验证集分类准确率的高低与原始数据的分组有很大的关系,所以这种方法得到的结果其实并不具有说服性.2)K-fold cross-validation:将原始数据分成K组(一般是均分),将每个子集数据分别做一次验证集,其余的K-1组子集数据作为训练集,这样会得到K个模型,用这K个模型最终的验证集的分类准确率的平均数作为此K-CV下分类器的性能指标。
泛化误差的各种交叉验证估计方法综述
练和测试集的角标集( 数据的划分方式) 。 a) 优点。Holdout 估计方法的提出打破了传统的基于相 同的数据进行训练和测试的分析, 避免了训练和测试数据重叠 引起的过拟合。 b) 缺点。Holdout 估计过分依赖于某一次数据划分, 数据 划分的好坏直接影响着估计的精度。 2. 2 基于多次 holdout 估计平均的交叉验证估计 注意到 holdout 估计依赖于数据的一次划分, 容易受到数
1 B 1 RLT t) ^ ( A( D) , ( I( = ∑ μ j ) 1 ≤j ≤B ) B j=1 n v
zi ∈D ( j v)
t) v) 其中: D( = ( zi ) , D( =( zi ) t) v)分别表示训练集和测试 i ∈I( i ∈I( t) ( 集; nt 、 n v 分别表示训练集和测试集的样本容量; I( 、 I v)是训
2 泛化误差的各种交叉验证估计方法
1 8] 早在 20 世纪 30 年代, Larson [ 就提出在相同的数据上训
交叉验证方法是其中最简单且被广泛使用的方法, 也因此 得到了更多学者的关注, 各种不同形式的交叉验证方法被提 出, 包括最早的留一交叉验证、 标准 K折交叉验证、 RLT ( repeated learning testing) 交叉验证、 蒙特卡罗( M onteCarlo ) 交叉 练算法和评价算法的性能将得到过于乐观的结果。交叉验证 就是基于这个问题而被提出, 它通过在新数据集上进行算法的
收稿日期:201 4071 0 ;修回日期:201 40905 基金项目:国家自然科学基金资助项目( 1 1 1 71 1 69 ) ; 山西省科技基础条件平台建设项目 ( 201 3091 00301 01 ) 作者简介: 杨柳( 1 979) , 女, 山西临汾人, 讲师, 硕士, 主要研究方向为统计机器学习、 概率统计( yang_ liu@sxu. edu. cn ) ; 王钰( 1 981 ) , 男, 讲 师, 硕士, 主要研究方向为机器学习.
gcv方法概述
gcv方法概述GCV方法,全称为广义交叉验证方法(Generalized Cross Validation),是一种常用于机器学习和统计学中的模型选择方法。
其主要目的是帮助选择最适合的模型参数,从而使得模型的预测结果更加准确和可靠。
在实际应用中,我们经常会遇到需要选择模型参数的问题。
例如,在训练一个神经网络时,我们需要选择网络的层数、每层的神经元个数、学习率等一系列参数。
在选择这些参数时,我们不能简单地将其设定为某个固定值,因为这样可能会导致模型过拟合或欠拟合,从而影响预测结果的准确性和可靠性。
为了解决这个问题,我们可以使用交叉验证方法。
交叉验证是一种将数据集划分为训练集和测试集的技术,通过在训练集上训练模型,再在测试集上评估模型性能来选择最佳模型参数的方法。
其中,最常用的交叉验证方法是K折交叉验证。
然而,K折交叉验证的一个缺点是需要手动指定K的值。
如果K的值过大,会导致训练时间增加,如果K的值过小,会导致模型的泛化能力不足。
为了解决这个问题,我们可以使用GCV方法。
GCV方法的基本原理是使用交叉验证方法来评估模型的性能,并在此基础上选择最佳的模型参数。
与K折交叉验证不同的是,GCV方法不需要指定K的值,而是自动选择最佳的K值。
具体来说,GCV方法是通过最小化广义交叉验证误差来选择最佳的模型参数。
广义交叉验证误差是交叉验证误差的修正,它考虑了训练数据的自由度,并可以更好地反映模型的泛化能力。
总的来说,GCV方法是一种有效的模型选择方法,可以帮助我们选择最佳的模型参数,从而提高模型的预测准确性和可靠性。
在实际应用中,我们可以结合其他的模型选择方法,如网格搜索等,来进一步提高模型性能。
迭代Tikhonov正则化位场向下延拓方法及其在尕林格铁矿的应用
迭代Tikhonov正则化位场向下延拓方法及其在尕林格铁矿的应用赵亚博;刘天佑【摘要】解析延拓是一种广泛应用的位场处理方法,向下延拓可以压制深部地质体的影响,突出浅部异常。
但是,向下延拓滤波因子是一个高通滤波器,会造成下延结果震荡,从而限制了该方法在实际资料中的应用。
文中详细介绍并实现了迭代Tikhonov正则化向下延拓方法,在理论模型上将该方法与传统频率域延拓方法进行对比,表明迭代Tikhonov正则化向下延拓方法的有效性;并将该方法应用于青海尕林格铁矿区磁测资料的处理解释中,下延结果与钻探情况相符,说明在厚覆盖层的勘查区中,运用迭代Tikhonov正则化向下延拓方法能够有效地提高资料处理解释的效果。
%Analytic continuation for potential field is a widely used method for processing and interpretation, because downwardcon⁃tinuation can suppress the influence of deep geological bodies and protrude the shallow layer anomaly. However, the downward con⁃tinuation filter factor is a high⁃pass filter, leading to unstableness of the result, and therefore it can not be used to process the real data. The authors systematically studied and implemented the iterative Tikhonov regularization method for downward continuation of potential fields. In contrast to the continuation of potential field on the theoretical model, the iterative Tikhonov regularization method indicates better effectiveness than frequency domain. The authors also applied this method to Galingeiron deposit's magnetic data pro⁃cessing, and the results indicate that the iteration Tikhonov regularization method for downwardcontinuation of potential fields is wor⁃thy to use in heavy overburden exploration areas.【期刊名称】《物探与化探》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】6页(P743-748)【关键词】重磁勘探;向下延拓;迭代Tikhonov正则化;尕林格铁矿【作者】赵亚博;刘天佑【作者单位】中国地质大学武汉地球物理与空间信息学院,湖北武汉 430074;中国地质大学武汉地球物理与空间信息学院,湖北武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】P631上世纪70年代初,我国开始将计算机应用于地球物理勘探资料的处理解释。
GCV广义交叉验证
Plan
1 2
Generals What Regularization Parameter Examples Dening the Optimal
λ
is Optimal?
λ
3
Generalized Cross-Validation Cross Validation Generalized Cross Validation (GCV) Convergence Result
References
Spline models for Observational Data (1990) Grace Wahba Optimal Estimation of Contour Properties by Cross-Validated Regularization (1989) - Behzad Shahraray, David Anderson Smoothing Noisy Data with Spline Function (1979) - Peter Craven, Grace Wahba
l????????????????
Innehåll
Generals
What Regularization Parameter λ is Optimal?
Generalized Cross-Validation
Discussion
Generalized Cross Validation
Mårten Marcus
Plan
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Generals What Regularization Parameter Examples Dening the Optimal
λ
is Optimal?
λ
正则化参数λ
正则化参数λ或者α如何选择?1Tikhonov (吉洪诺夫)正则化投影方程Ax=b (1)在多种正则化方法中,Tikhonov 正则化方法最为著名,该正则化方法所求解为线性方程组众多解中使残差范数和解的范数的加权组合为最小的解:(2)式中22. 表示向量的 2 范数平方;λ 称为正则参数,主要用于控制残差范数22Ax b与解的范数22Lx 之间的相对大小; L 为正则算子,与系统矩阵的具体形式有关。
Tikhonov 正则化所求解的质量与正则参数λ 密切相关,因此λ 的选择至关重要。
确定正则参数的方法主要有两种:广义交叉验证法和 L-曲线法。
(1)广义交叉验证法(GCV ,generalized cross-validation )广义交叉验证法由 Golub 等提出,基本原理是当式Ax=b 的测量值 b 中的任意一项i b 被移除时,所选择的正则参数应能预测到移除项所导致的变化。
经一系列复杂推导后,最终选取正则参数λ 的方法是使以下 GCV 函数取得最小值。
(3)式中T A 表示系统矩阵的转置; trace 表示矩阵的迹,即矩阵中主对角元素的和。
(2)L-曲线法(L-curve Method )L-曲线法是在对数坐标图上绘制各种可能的正则参数所求得解的残差范数和解的范数,如图1所示,所形成的曲线一般是 L 形。
图1 L 曲线示意图L 曲线以做图的方式显示了正则参数变化时残差范数与解的范数随之变化的情况。
从图中知道当正则参数λ 取值偏大时,对应较小的解范数和较大的残差范数;而当λ 取值偏小时,对应较大的解范数和较小的残差范数。
在 L 曲线的拐角(曲率最大)处,解的范数与残差范数得到很好的平衡,此时的正则参数即为最优正则参数。
另外一种方法Morozov 相容性原理是一种应用非常广泛的选取策略,它是通过求解非线性的Morozov 偏差方程来得到正则化参数。
投影方程Kx=y考虑有误差的右端观测数据 y Y δ∈ 满足y y δδ-≤,Tikhonov 正则化方法是通过极小化Tikhonov 泛函。
配对样本广义相加模型
配对样本广义相加模型一、广义相加模型有什么作用?讨论线性模型时,我们假设自变量x和因变量y之间为线性关系。
实际上,在线性模型中,我们也可以通过引入多项式的方法拟合x和y之间的非线性关系。
但我们只能在可以清楚地看到二者之间的关系时才能这样做,例如散点图显示y近似是x的二次函数。
然而,在许多情况下,我们从散点图中看到了非线性关系,但很难知晓它的形式。
此外,在线性模型中,多项式系数的解释变得非常困难,降低了其实用性。
广义相加模型提供了一种替代方法,它允许我们在预先不知晓因变量与自变量之间关系的情况下,使用非线性平滑项来拟合模型。
广义相加模型介绍1.假设x1与y之间为线性关系,而x2与y之间为复的曲线关系。
拟合广义相加模型为:y=β0+β1x1+f(x2)模型有两个部分:参数项β0+β1x1和非参数平滑项f(x2)。
其中,参数项等同于最小二乘回归模型以及广义线性模型中可以包含的所有参数项,例如线性项或多项式项。
另外,还包括了非参数平滑项,这是广义相加模型的关键部分。
模型的左侧与广义线性模型一样,可以是因变量本身,也可以是对因变量进行变换后的结果。
2. 非参数平滑项是什么?简单线性回归和多项式回归的拟合都是全局性的,即使用相同的回归方程来预测自变量的每一个值所对应的因变量。
然而,在自变量和因变量之间为形状不明确的非线性关系时,即,随着自变量取值的变化,其与因变量之间的关系也是在不断变化时,用一个回归方程来预测所有自变量所对应的因变量就不太合理了。
一种可行的改进方法是把该自变量划分成多个连续的区间,每一个区间都用单独的线性函数或非线性的低阶多项式函数来拟合。
这种方法被称为样条函数(Spline),其生成的回归线为平稳、光滑的曲线,因此经样条函数变化后的自变量也被称作非参数平滑项。
3. 由此可知,样条函数是非参数平滑项的关键,其具体内容包括:应该把数据分成几个连续区间?每个区间该如何确定拟合函数?1)首先来看应该把数据分成几个连续区间,也就是说在拟合样条函数时,我们该选择几个节点?推荐使用广义交叉验证(GCV:Generalized Cross Validation)的方法选择节点数。
交叉验证Cross-validation
交叉验证Cross-validation交叉验证(CrossValidation)⽅法思想简介以下简称交叉验证(Cross Validation)为CV.CV是⽤来验证分类器的性能⼀种统计分析⽅法,基本思想是把在某种意义下将原始数据(dataset)进⾏分组,⼀部分做为训练集(train set),另⼀部分做为验证集(validation set),⾸先⽤训练集对分类器进⾏训练,在利⽤验证集来测试训练得到的模型(model),以此来做为评价分类器的性能指标.常见CV的⽅法如下:1).Hold-Out Method将原始数据随机分为两组,⼀组做为训练集,⼀组做为验证集,利⽤训练集训练分类器,然后利⽤验证集验证模型,记录最后的分类准确率为此Hold-OutMethod下分类器的性能指标.此种⽅法的好处的处理简单,只需随机把原始数据分为两组即可,其实严格意义来说Hold-Out Method并不能算是CV,因为这种⽅法没有达到交叉的思想,由于是随机的将原始数据分组,所以最后验证集分类准确率的⾼低与原始数据的分组有很⼤的关系,所以这种⽅法得到的结果其实并不具有说服性.2).K-fold Cross Validation(记为K-CV)将原始数据分成K组(⼀般是均分),将每个⼦集数据分别做⼀次验证集,其余的K-1组⼦集数据作为训练集,这样会得到K个模型,⽤这K个模型最终的验证集的分类准确率的平均数作为此K-CV下分类器的性能指标.K⼀般⼤于等于2,实际操作时⼀般从3开始取,只有在原始数据集合数据量⼩的时候才会尝试取2.K-CV可以有效的避免过学习以及⽋学习状态的发⽣,最后得到的结果也⽐较具有说服性.3).Leave-One-Out Cross Validation(记为LOO-CV)如果设原始数据有N个样本,那么LOO-CV就是N-CV,即每个样本单独作为验证集,其余的N-1个样本作为训练集,所以LOO-CV会得到N个模型,⽤这N个模型最终的验证集的分类准确率的平均数作为此下LOO-CV分类器的性能指标.相⽐于前⾯的K-CV,LOO-CV有两个明显的优点:①a.每⼀回合中⼏乎所有的样本皆⽤于训练模型,因此最接近原始样本的分布,这样评估所得的结果⽐较可靠。
交叉验证(crossvalidation)
交叉验证(crossvalidation)1.交叉验证的⽬的在机器学习的相关研究中,如果是有监督的算法,需要将原始数据集分为训练集和测试集两个集合。
训练集中的数据带有标签,⽤这些数据来训练出⼀个模型,告诉机器什么样的数据可以分成哪⼀类,然后⽤这个模型来预测测试集中数据的标签。
然后⽤预测得到的标签跟真实的标签作⽐对,就可以得到这个模型的预测准确率,其实是考察这个模型的generalization ability(泛化能⼒),即,从训练集中总结出来的规律能不能⽤到别的数据上去。
那么,怎样分训练集和测试集呢?需要考虑两个问题:1. 训练集中的数据要⾜够多,⼀般要⼤于原始数据集的⼀般,否则总结出来的规律太⼩众2. 两组集合必须是原始集合的均匀取样,否则⽐如说,训练集选择都是1类数据,测试集都是2类数据,训练之后模型知道1类数据的特点,⽤它来分别2类数据,这好难。
于是,cross validation2.交叉验证的分类简单交叉验证、K-折交叉验证、留⼀交叉验证2.1 简单交叉验证将原始数据随机分为两组,⼀组做为训练集,⼀组做为验证集,利⽤训练集训练分类器,然后利⽤验证集验证模型,记录最后的分类准确率为此分类器的性能指标。
优点:处理简单,只需随机把原始数据分为两组即可缺点:但没有达到交叉的思想,由于是随机的将原始数据分组,所以最后验证集分类准确率的⾼低与原始数据的分组有很⼤的关系,得到的结果并不具有说服性。
2.2 K-折交叉验证将原始数据分成K组(⼀般是均分),将每个⼦集数据分别做⼀次验证集,其余的K-1组⼦集数据作为训练集,这样会得到K个模型,⽤这K 个模型最终的验证集的分类准确率的平均数作为此K-CV下分类器的性能指标。
K⼀般⼤于等于2,实际操作时⼀般从3开始取,只有在原始数据集合数据量⼩的时候才会尝试取2。
应⽤最多,K-CV可以有效的避免过拟合与⽋拟合的发⽣,最后得到的结果也⽐较具有说服性。
Eg:⼗折交叉验证1. 将数据集分成⼗份,轮流将其中9份作为训练数据,1份作为测试数据,进⾏试验。
excel表里的gcv公式
excel表里的gcv公式GCV(Generalized Cross Validation)是一种用于模型选择和参数调优的常用方法。
它是在统计学和机器学习中广泛应用的一种技术,可以帮助我们评估不同模型的性能并选择最优的模型。
GCV的核心思想是通过交叉验证来估计模型的误差。
交叉验证是一种将数据集划分为训练集和验证集的技术。
在GCV中,我们使用一种特定的算法来将数据集划分为K个子集,其中一个子集作为验证集,剩余的K-1个子集作为训练集。
然后,我们将模型应用于训练集,并使用验证集来评估模型的性能。
这个过程会重复K次,每次选择不同的验证集,最后将K次的结果求平均,得到一个对模型性能的估计。
通过使用GCV,我们可以避免过拟合或欠拟合的问题,选择最优的模型和参数。
例如,在回归问题中,我们可以使用不同的模型(如线性回归、多项式回归、岭回归等)和参数(如正则化参数、多项式阶数等)来训练数据,并通过GCV来评估它们的性能。
最终,我们可以选择具有最小GCV值的模型作为最优模型。
除了模型选择和参数调优,GCV还可以用于模型评估和比较。
通过比较不同模型的GCV值,我们可以选择最优的模型。
在实际应用中,我们可以使用GCV来评估机器学习模型的性能,如分类模型、聚类模型等。
然而,需要注意的是,GCV并不是万能的。
它的结果受到多个因素的影响,如数据集的大小、样本分布的不均衡、特征选择的准确性等。
因此,在使用GCV时,我们需要谨慎选择合适的参数和模型,并结合领域知识和经验来进行综合评估。
GCV是一种用于模型选择和参数调优的有效方法。
通过使用交叉验证来估计模型的误差,我们可以选择最优的模型和参数,避免过拟合或欠拟合的问题。
在实际应用中,我们可以使用GCV来评估和比较不同模型的性能,提高模型的准确性和泛化能力。
然而,需要注意的是,GCV的结果受到多个因素的影响,需要结合领域知识和经验来进行综合评估。
希望本文能为读者对GCV的理解提供帮助。
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Mathematical and Computational Applications, Vol. 15, No. 5, pp. 784-789, 2010.© Association for Scientific ResearchA GENERALIZED CROSS VALIDATION METHOD FOR THE INVERSEPROBLEM OF 3-D MAXWELL’S EQUATIONLiang Ding, Bo Han, Jiaqi LiuDepartment of Mathematics, Harbin Institute of Technology, 150001Harbin, P. R. China, iamashen@Abstract- The inverse problem of estimation of the electrical conductivity in the Maxwell’s equation is considered, which is reformulated as a nonlinear equation. The Generalized Cross Validation is used to estimate the global regularization parameter and the damped Gauss-Newton is applied to impose local regularization. The damped Gauss-Newton method requires no calculation of the Hessian matrix which is expensive for traditional Newton method. GCV method decreases the computational expense and overcomes the influence of nonlinearity and ill-posedness. The results of numerical simulation testify that this method is efficient.Key Words- Maxwell’s Equation, Nonlinear, Ill-posed, Inversion, Damped Gauss-Newton, GCV1. INTRODUCTIONIn this paper, we consider the estimation of the electrical conductivity in Maxwell’s equations. This problem can be reformulated as a nonlinear equation, which is ill-posed. Our work is devoted to a new numerical method for the inverse problem. There are two main computational difficulties in the solution of the inverse problem. Firstly, the regularization parameter is unknown, and secondly, a nonlinear functional has to be minimized. These impose special difficulties if the problem is large.There have been many new methods applied to this domain [1,2]. The first pioneering solution of the fully 3-D Maxwell’s equation inverse problem was presented by Eaton[3] more than 15 years ago. Yet in spite of this, until recently, the trial-and-error forward modeling was almost the only available tool to interpret the fully 3-D EM dataset. Today the situation has slightly been improved, and the methods of unconstrained nonlinear optimization [4] are gaining popularity to address the problem. In spite of these successes and the relatively high level of modern computing possibilities, the proper numerical solution of the 3-D inverse problem still remains a very difficult and computationally intense task for the following reasons. (1)It requires a fast, accurate and reliable forward 3-D problem solution. Approximate forward solutions [5,6,7,8,9] may deliver a rapid solution of the inverse problem (especially, for models with low conductivity contrasts), but the general reliability and accuracy of this solution are still open to question.(2)The problem is ill-posed in nature with nonlinear and extremely sensitive solutions. This means that due to the fact that data are limited and contaminated by noise there are many models that can equally fit the data within a given tolerance threshold. (3)We need to solve a new nonlinear problem for every new regularization parameter and therefore the algorithm is computationally expensive. The algorithm is substantially cheaper if we estimate βto be close to the optimal*β.L. Ding, B. Han and J. Liu785Therefore, the shortages of the above mentioned motive us to design a highly efficient, numerically stable and globally convergent algorithm.As mentioned above, the goal of this paper is to apply the damped Gauss-Newton method coupled with GCV (Generalized Cross-Validation) method to choose an adaptive regularization parameter. The paper is built as follows. We start with a review of the damped Gauss–Newton method as applied to a minimization problem with a constant regularization parameter. We then present the major ideas of our algorithm. Our algorithm uses the Generalized Cross Validation and we review it in section 3. Section 4 gives an example of inverting inductivity from Maxwell’s equations.2. DAMPED GAUSS-NEWTON METHODIn this section we present damped Gauss-Newton method. Our forward problem time-dependent Maxwell equations can be written asH E+0tμ∂∇×=∂ (1) E H E (r s t tσε)∂∇×−−=∂ (2) over a domain ,where and are the electric and magnetic fields, [0,]T Ω×E H σ is the conductivity, ε is the permittivity, μ is the permeability and is a source. Theequations are given with boundary and initial conditions:r s n H=0H(x,0)=0E(x,0)=0×⎧⎪⎨⎪⎩(3)By [10], we know an inverse electromagnetic problem can be formulated as the following nonlinear operator equation:()F d δσ=, (4)where is a nonlinear operator, d F δis the observed data. The goal of this paper is to reconstruct the inductivity from the observed data with noise. The optimal distribution of conductivity minimized the functional ()()22ref F d W δφσβσσ=−+−, (5) where ⋅ denotes 2-norm, W is positive weight function, ref σis reference model, β isregularization parameter. If β is fixed, we must solve the unconstrained optimization problem (5). This leads to the Euler-Lagrange system()()()()(0T T ref g W W J F d δ)φσβσσσσσ∂==−+−∂= (6) ()g σis the gradient of (5), ()J σis sensitive matrix ()F J σσ∂=∂. (7) In order to avoid the difficulty of calculating Hessian matrix, which is second derivative of , we linearize the operatorF FA Generalized Cross Validation Method for the Inverse Problem of 3-DMaxwell’s Equation786 ()()()(),F F J R σδσσσδσσδσ+=++ (8)where ()()2,R σδσοδσ=. From (6) and (8), we can obtain Gauss-Newton equation()()()()()0TT ref W W J F J d δβσδσσσσσδσ+−++−= (9) The minimization problem is solved by the iterative format as follows, at the k th step ()()()()()()()T TT T k k k k k r J J W W J d F W W δσσβδσσσβσσ+=−−−ef (10) Denoted 1k k σσδσ+=+, (10) can be written as ()()()()()()()1T T T T k k k k k k k J J W W J d F J W W δref σσβσσσσσβσ++=−+− (11) The iterative solution at k th step is the minimum norm solution of Tikhonov functional ()()()()221k k k k k ref F J d W δφσσσσβσσ+=+−−+−1+. (12) If the initial value is close to true inductivity, the algorithm is fast convergent. If the initial value is undesirable, the search step must become bigger. Consequently, the (),R σδσwhat we removed in the linear process became larger, this will affect accuracy. In order to keep the Gauss-Newton iteration in the descent direction and the iterative step is small enough, we adopt armijo method to amend the iterative step. If the iterative direction is no longer descent, we amend the step δσ to ωδσ, where 0.10.5ω<<. As discussed above, with small enough step, the nonlinear functional is always in the descent direction()()1,k ,k φβσφβσ+< (13)What we discussed above is in the case of regularization fixed. Next we introduce how to adaptively select regularization parameter, stopping criteria for iteration and general sketch of algorithm.3. GCV FUNCTION AND INVERSION ALGORITHMGeneralized Cross Validation (GCV) method is a deformation of Unbiased Predictive Risk Estimator (UPRE) method [11]. Even if we don’t know the variance of noise, this method can give the adaptive regularization parameter and distinguish the noise and nonlinearity. We denote 1k ref (σσσ+)k r r r J ef σσ=−()k J J , σ=, −,=()22J r W φσβ=−+σ . (14)And let ()()r J βσβ=, ()σβ is the solution of (number), the GCV function()()()()2GCV trace r r I C βββ−=− (15) where C J , ()()T 1T T J J W W J ββ−=+I is unit matrix. With regularization parameter βwhich minimizes the GCV function, we denote the regularization parameter k βof the k th iteration. Next we introduce some necessary condition and stopping criteria of damped Gauss-Newton method with adaptive regularization parameter. If we got k βandL. Ding, B. Han and J. Liu787k σat the k th iteration, we can obtain 1k σ+by(number). In the case of βfixed,()(1,k ),k φβσφβσ+< at every iterative step. But with the parameter changing, we demand()()111,k k k k ,φβσφβσ+++<, (16)namely ()()()()22221111k k k ref k k k ref F dW F d W δδσβσσσβσσ++++−+−<−+− (17) We select ()11max ,k kk k σσδσσ++−< (18)as stopping criteria.The damped Gauss-Newton algorithm on basis of GCV function:Select initial value 0σ and reference model ref σ, as 1,2k ="i) Calculate (k J )σand ()k r σ.ii) Calculate 1k σ+by (11) and evaluate k βby GCV function.iii) Use the regularization parameter to calculate 1k k δσσσ+=−,, ()11,k k m φβ++()1,k k m φβ+.iv) If , let m ()()111,,k k k k m m φβφβ+++≤1k k m += and go to i).v) If , let ()()111,,k k k k m m φβφβ+++>1k k m m m ωδ++ and go to iii).=vi) If stopping criteria()11max ,k k k k m m m m δ++−< is satisfied, stop iteration.4. NUMERICAL SINMULATIONSIn this section, we compare the efficiency of traditional damped Gauss-Newton method and GCV method which is based on the damped Gauss-Newton method in two experiments.The physical domain is Ω. For simplicity the inverse problem is considered on a uniform,grid. The source function is 343516××()(20sin t )f t t e t αω−=, where α=,002f ωπ=, is the centre frequency.0100MHz f =4.1. Experiment 1In this section we suppose there is a cavity in the homogeneous background, where permittivity , permeability 1256.6410F/m ε−=×0μ=. The relative conductivity of cavity and background are -3.2775 and -5.2983 respectively. Both methods select the same relative initial value 1.5σ=−. The inversion took approximately 20 minutes by GCV method against to 30 minutes by traditional damped Gauss-Newton method run on a 3.0 Ghz Pentium Dual-Core with 2Gb of RAM. The relative errorA Generalized Cross Validation Method for the Inverse Problem of 3-DMaxwell’s Equation 788 /inv true true σσσ−of a and b in Fig.1 is 35.76%, a and c is 36.75%, where inv σisiterative solution, true σis the true model.Fig.1 a)True model; b)Results of damped Gauss-Newton method; c)Results of GCV method; d)Cross-section of a at x=0; e) Cross-section of b at x=0; f) Cross-section of c at x=04.2. Experiment 2This model has two cavities in the homogeneous background, the relative conductivity of cavity and background are -3.2775 and -5.2983 respectively, other parameters are same as the experiment 1. The observed data were generated using the forward modeling algorithm (Finite Difference in Time Domain), these data were corrupted with 5% uniformly distributed random noise. The relative error of a and b in Fig.2 is 157.76%, a and c is 45.75%.Fig.2 a)True model; b)Results of damped Gauss-Newton method; c)Results of GCV method; d)Cross-section of a at Z=8; e) Cross-section of b at Z=8; f) Cross-section of c at Z=8L. Ding, B. Han and J. Liu 7895. CONCLUDING REMARKSThis paper has addressed the GCV method for solving inverse Maxwell’s equations. GCV method coupled with traditional damped Gauss-Newton methods have been used in the experiments. Results show that this new method is more available than damped Gauss-Newton method. It is a widely and fast convergent method even if the initial guess value is far away from the true coefficient.6. REFERENCES1. G. A. Newman, S. Recher, B. Tezkan and F. M.Neubauer, 3D inversion of a scalar radio magnetotelluric field data set, Geophysics68, 782-790, 2003.2. E. Haber, Quasi-Newton methods for large-scale electromagnetic inverse problems, Inverse Problem21, 305-323, 2005.3. P. A. 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