人工智能项目论文复现

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（一）技术学习任务

Ⅰ、机器学习之聚类

1、基本介绍概念

• 监督学习是利用标记数据进行训练，可以用于分类、回归等任务。
• 无监督学习则是利用未标记数据进行训练，可以用于聚类、异常检测等任务（没有对与错，寻找数据的共同特点）。
• 半监督学习则是介于监督学习和无监督学习之间的一种学习方式，利用一小部分已标记数据和大量未标记数据进行训练。
• 强化学习则是利用智能体与环境的交互进行学习，可以用于处理与环境交互的问题。

• 无监督学习 是机器学习的一种重要类型，它专注于从未标记或未分类的数据中发现隐藏的模式和结构。与监督学习不同，无监督学习的数据没有显式的标签或已知的结果变量，其核心目的是探索数据的内在结构和关系。

• 机器学习的二种方法，没有给定事先标记过的训练示例，自动对输入的数据进行分类或分群，
  优点：

  • ①算法不受监督信息（偏见）的约束，可能考虑到新的信息
  • ②不需要标签数据，极大程度扩大数据样本

主要应用：聚类分析、关联规则、维度缩减、聚类分析

无监督学习主要包括以下几种任务：

1. 聚类：将数据划分为多个群组或簇，使得同一簇内的数据点彼此相似，而不同簇的数据点相异。常见的聚类算法包括K-均值（K-means）、层次聚类（Hierarchical clustering）等。
2. 降维：减少数据中的变量数量，提取重要特征，同时保留数据的大部分重要信息。降维有助于提高计算效率、降噪和改进数据可视化。常见的降维算法包括主成分分析（PCA）、t-SNE等。
3. 关联规则学习：在大型数据集中发现变量之间的有意义的关系。这有助于市场篮子分析、交叉销售等应用。
4. 异常检测：识别数据集中的异常、奇异或不符合预期的数据点。这在欺诈检测、网络安全等领域有重要应用。
5. 生成模型：学习数据的分布，以生成新的、与训练数据类似的数据。这有助于数据增强、艺术创作等。

2、聚类分析基本介绍

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KMeans聚类：

①根据数据与中心点距离划分类别
②基于类别数据更新中心点
③重复过程直到收敛

特点：
1、实现简单，收敛快
2、需要指定类别数量

均值漂移聚类(Meanshift)：

①在中心点一定区域裣索薮据点
②更新中心
③重夏流程到中心点稳定

特点：
1、自动发现类别数量，不需要人工选择
2、需要选择区域半径

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DBSCAN算法（基于密度的空间聚类算法）

①基于区域点密度筛选有效数据
②基于有效数据向周边扩张，直到没有新点加入

特点：
1、过滤噪音数据
2、不需要人为选择类别数量
3、数据密度不同时影响结果

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3、K均值聚类

• K-均值算法：以空间K个点为中心进行聚类，对最靠近他们的对象归类，是聚类算法中最为基础但也最为重要的算法。

算法流程：
1、选择聚类的个数k
2、确定聚类中心
3、根据点到聚类中心聚类确定各个点所属类别
4、根据各个类别数据更新聚类中心
5、重复以上步骤直到收敛（中心点不再变化）

优点：
1、原理简单，实现容易，收敛速度快
2、参数少，方便使用
缺点：
1、必须设置簇的数量
2、随机选择初始聚类中心，结果可能缺乏一致性

4、K近邻分类模型(KNN)

• 给定一个训练数据集，对新的输入实例，在训练数据集中找到与该实例最邻近的K个实例，这K个实例的多数属于某个类，就把该输入实例分类到这个类中。

5、均值漂移聚类

• 均值漂移算法：一种基于密度梯度上升的聚类算法（沿着密度上升方向寻找聚类中心点）

算法流程：
1、随机选择未分类点作为中心点
2、找出离中心点距离在带宽之丙的点，记做集合S
3、计算从中心点到集合S中每个元素的偏移向量M
4、中心点以向量M移动
5、重复步骤2-4，直到收敛
6、重复1-5直到所有的点都被归类
7、分类：根据每个类，对每个点的访问频率，取访问频率最大的那个类，作为当前点集的所属类

6、代码实现

• KMeans算法实现聚类

import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# KMeans算法实现聚类
from sklearn.cluster import KMeans
from sklearn.metrics import accuracy_score

data = pd.read_csv('data.csv')

x = data.drop(['labels'], axis=1)
y = data.loc[:, 'labels']

# print(pd.value_counts(y))  # 查看各个类别的个数

# 数据可视化
plt.figure(figsize=(10, 10))
label0 = plt.scatter(x.loc[:, 'V1'][y == 0], x.loc[:, 'V2'][y == 0])
label1 = plt.scatter(x.loc[:, 'V1'][y == 1], x.loc[:, 'V2'][y == 1])
label2 = plt.scatter(x.loc[:, 'V1'][y == 2], x.loc[:, 'V2'][y == 2])
plt.title('title')
plt.xlabel('v1')
plt.ylabel('v2')
plt.legend((label0, label1, label2), ('label0', 'label1', 'label2'))
# plt.show()

km_model = KMeans(n_clusters=3, random_state=0)
km_model.fit(x)
center = km_model.cluster_centers_
# print("中心点", center)
# print(center[:,0],center[:,1])
plt.scatter(center[:, 0], center[:, 1], color='black')
plt.show()

# 计算准确率
y_predict = km_model.predict(x)
print(accuracy_score(y, y_predict))


# 可视化结果索引
plt.figure(figsize=(10, 10))
label0 = plt.scatter(x.loc[:, 'V1'][y_predict == 0], x.loc[:, 'V2'][y_predict == 0])
label1 = plt.scatter(x.loc[:, 'V1'][y_predict == 1], x.loc[:, 'V2'][y_predict == 1])
label2 = plt.scatter(x.loc[:, 'V1'][y_predict == 2], x.loc[:, 'V2'][y_predict == 2])
plt.title('title')
plt.xlabel('v1')
plt.ylabel('v2')
plt.legend((label0, label1, label2), ('label0', 'label1', 'label2'))
plt.show()

# 矫正数据
y_corrected = []
for i in y_predict:
    if i == 0:
        y_corrected.append(1)
    elif i == 1:
        y_corrected.append(2)
    else:
        y_corrected.append(0)

print(accuracy_score(y,y_corrected))

# 可视化结果索引

y_corrected = np.array(y_corrected)

plt.figure(figsize=(10, 10))
label0 = plt.scatter(x.loc[:, 'V1'][y_corrected == 0], x.loc[:, 'V2'][y_corrected == 0])
label1 = plt.scatter(x.loc[:, 'V1'][y_corrected == 1], x.loc[:, 'V2'][y_corrected == 1])
label2 = plt.scatter(x.loc[:, 'V1'][y_corrected == 2], x.loc[:, 'V2'][y_corrected == 2])
plt.title('title')
plt.xlabel('v1')
plt.ylabel('v2')
plt.legend((label0, label1, label2), ('label0', 'label1', 'label2'))
plt.show()

 x = data.drop(['labels'], axis=1)
y = data.loc[:, 'labels']

1. 第一行代码 x = data.drop(['labels'], axis=1) 的作用是从data中删除（或者说“丢弃”）名为labels的列，并将结果赋值给x。这里axis=1指定了操作是沿着列（columns）方向进行的，即删除列而不是行。因此，x将包含data中除了labels列之外的所有列。

2. 第二行代码 y = data.loc[:, 'labels'] 的作用是从data中选取名为labels的列，并将结果赋值给y。这里.loc[]是一个基于标签的索引器，用于通过行标签和列标签来选取数据。在这个例子中，:表示选取所有的行，'labels'表示选取名为labels的列。因此， y将只包含data中的labels列。

plt.figure(figsize=(10, 10))
label0 = plt.scatter(x.loc[:, 'V1'][y == 0], x.loc[:, 'V2'][y == 0])
label1 = plt.scatter(x.loc[:, 'V1'][y == 1], x.loc[:, 'V2'][y == 1])
label2 = plt.scatter(x.loc[:, 'V1'][y == 2], x.loc[:, 'V2'][y == 2])
plt.title('title')
plt.xlabel('v1')
plt.ylabel('v2')
plt.legend((label0, label1, label2), ('label0', 'label1', 'label2'))

1. plt.figure(figsize=(10, 10))： 创建了一个新的图形，其大小为10x10英寸。figsize参数用于设置图形的宽度和高度 。

2. 接下来的三行代码分别使用plt.scatter()函数根据y中的标签（0, 1, 2）将x中的点绘制成三种不同的颜色或标记。这里，x.loc[:, 'V1'][y == 0]表示选取x中所有行、'V1’列，并且这些行的标签（y的值）等于0的点的’V1’值。同理，'V2'和其他标签（1, 2）也是类似的逻辑。

3. plt.legend((label0, label1, label2), ('label0', 'label1', 'label2'))：添加图例。label0、label1、label2是之前通过plt.scatter()返回的散点图对象，它们分别代表三个不同标签的点的集合。

• Meanshift实现聚类

data = pd.read_csv('data.csv')
 
x = data.drop(['labels'], axis=1)
y = data.loc[:, 'labels']

r = estimate_bandwidth(x, n_samples=50000)
# print(r)

ms_model = MeanShift(bandwidth=r)
ms_model.fit(x)
y_pred = ms_model.predict(x)
print(pd.value_counts(y_pred))
print(pd.value_counts(y))

# 数据矫正（0->2，1->1,2->0）
y_corrected = []
for i in y_pred:
    if i == 0:
        y_corrected.append(2)
    elif i == 1:
        y_corrected.append(1)
    else:
        y_corrected.append(0)

print(accuracy_score(y, y_corrected))

• 首先使用了estimate_bandwidth函数来估计数据集x的带宽r，这个带宽随后被用作MeanShift聚类算法的参数。然后，使用估计得到的带宽r来初始化MeanShift模型，并对数据集x进行拟合，最后对同一数据集x进行预测以获取聚类标签y_pred

• KNN实现分类

knn_model = KNeighborsClassifier(n_neighbors=3)
knn_model.fit(x, y)
y_pred = knn_model.predict(x)

• 首先使用fit方法对训练数据集x和对应的标签y进行训练。然后，使用predict方法尝试对相同的数据集x进行预测。

7、上述三种算法总结

• KNN：是监督学习方法的一种，用于分类和回归。它依赖于已知标签的数据集来对新数据进行分类或预测。

• Kmeans：是无监督学习方法的一种，主要用于聚类分析。它不需要数据集的标签信息，而是根据数据之间的相似度将数据分为若干个簇。

• Meanshift：同样属于无监督学习方法，也是用于聚类分析。它通过迭代过程寻找数据的聚类中心，与Kmeans类似，但具有更强的自适应性和对噪声的鲁棒性。

  2. 算法原理

• KNN：通过计算待分类样本与训练集中各样本之间的距离，找出距离该样本最近的k个邻居，并根据这k个邻居的类别信息，采用多数投票或加权平均等方法来确定待分类样本的类别。

• Kmeans：随机选择k个数据点作为初始簇中心，然后根据数据点到簇中心的距离将数据点分配到最近的簇中，之后更新簇中心为簇内所有点的均值，重复此过程直到簇中心不再发生变化或达到预设的迭代次数。

• Meanshift：从一组数据点中随机选择一个点作为初始中心点，然后根据一定的带宽（或称为窗口大小）计算该中心点周围的数据点的密度，并更新中心点位置为密度加权的平均值，重复此过程直到中心点收敛或达到预设的迭代次数。

3. 应用场景

• KNN：适用于分类和回归问题，特别是当数据集较大且类别分布较为均匀时。由于其简单直观，KNN也常用于初步的数据分析和探索性学习中。
• Kmeans：广泛应用于聚类分析领域，如市场细分、图像处理、文本聚类等。Kmeans能够快速地将数据分为若干个簇，帮助人们理解数据的内在结构和分布规律。
• Meanshift：由于其自适应性和对噪声的鲁棒性，Meanshift算法在复杂数据集的聚类分析中表现出色。特别是在处理具有不规则形状或重叠簇的数据集时，Meanshift算法往往能够取得比Kmeans更好的聚类效果。

4. 优缺点

• KNN：优点包括简单易用、模型训练时间快、预测效果好等；缺点则包括对内存要求较高、预测阶段可能较慢、对不相关的功能和数据规模敏感等。
• Kmeans：优点在于实现简单、聚类效果好、计算复杂度低；缺点则包括需要事先指定簇的个数k、对初始簇中心的选择敏感、可能陷入局部最优解等。
• Meanshift：优点在于自适应性强、对噪声鲁棒性强、能够处理复杂形状和重叠簇的数据集；缺点则包括计算复杂度较高、对带宽的选择敏感等。

Ⅱ、机器学习其他常用技术

1、决策树基本知识

• 决策树 是一种常用的监督学习算法，用于分类和回归任务。它主要通过树状图的形式来表现数据分类的过程，每个内部节点表示一个属性上的判断，每个分支代表一个判断结果的输出，而每个叶节点代表一种分类结果。决策树模型易于理解和解释，同时能够处理具有不相关特征的数据。

构建决策树的过程通常包括以下几个步骤：

1. 特征选择：从给定的特征集中选择一个最优特征来分割数据集，使得分割后的数据集更加“纯净”或“一致”（即同一类别的数据尽可能在同一个子集中）。

2. 决策树生成：按照选择的特征，将数据集分割成若干个子集，并为每个子集递归地选择最优特征进行分割，直到满足停止条件（如子集纯度足够高、所有特征都已使用、子集中的样本数小于预设阈值等）。

3. 决策树剪枝：由于决策树容易过拟合，即模型在训练数据上表现很好，但在新数据上表现不佳，因此需要通过剪枝来简化决策树，提高模型的泛化能力。剪枝分为预剪枝和后剪枝，前者在决策树生成过程中进行，后者在决策树生成后进行。

决策树的优点

• 能够处理不相关特征：通过特征选择，决策树可以自动忽略不相关特征。
• 可以处理非线性关系：决策树模型能够捕获变量之间的非线性关系。
• 适合高维数据：决策树不需要对特征进行缩放或中心化处理，适用于高维数据。

决策树的缺点

• 容易过拟合：如果决策树过于复杂，可能会导致过拟合。
• 不稳定性：数据的小变化可能会导致生成的决策树结构发生显著变化。
• 不适合处理连续变量：虽然可以通过离散化连续变量来处理，但这会增加模型的复杂度。

首先引入常用分类方法

• 一种对实例进行分类的树形结构，通过多层判断区分目标所属类别
• 本质：通过多层判断，从训练数据集中归纳出一组分类规则

优点：

• 计算量小，运算速度快，易于理解，可清晰查看各属性的重要性

缺点：

• 忽略属性间的相关性，样本类别分布不时，容易影响模型表现

决策树 求解

Ent(D)的值越小，变量的不确定性越小。

目标：划分后样本分布不确定性尽可能小，即划分后信息熵小，信息增益大

2、异常检测概念

• 在基于高斯分布（也称为正态分布）的异常检测中，通常使用数据的均值($\mu$)和标准差($\sigma$)来评估数据点的正常性或异常性。一个常用的方法是计算数据点到其分布均值的距离，并将其与标准差进行比较，以此来判断该数据点是否异常。

高斯分布的概率密度函数

$$f(x|\mu ,{\sigma }^2)=\frac{1}{\sqrt{2\pi {\sigma }^2}}{e}^{-\frac{(x-\mu {)}^2}{2{\sigma }^2}}nini$$

其中，$x$ 是随机变量，$\mu$ 是均值，${\sigma }^2$ 是方差，而 $\sigma$ 是标准差。

• 在异常检测中，我们可能会定义一个阈值（比如，基于标准差的数量），超过这个阈值的数据点被认为是异常的。例如，一个常用的方法是使用$3\sigma$规则，即认为距离均值超过$3\sigma$的数据点是异常的。这可以表达为：

$$|x-\mu |>3\sigma$$

如果$x$满足上述不等式，则$x$被视为异常值。

3、主成分分析

数据降维

一、定义

• 数据降维是通过保留数据的主要信息和结构，将高维数据转换为低维表示的过程。它旨在消除冗余和噪声，提炼出数据的最重要的方面，从而简化数据分析和可视化的任务。

二、目的

1. 减少计算复杂性：高维数据可能导致计算资源的浪费，数据降维可以减少计算的时间和空间复杂性，提高模型的训练和预测效率。
2. 消除冗余信息：高维数据中可能存在冗余特征，这些特征对模型的训练并没有太大的帮助，甚至可能引起过拟合。数据降维可以消除这些冗余信息，提高模型的泛化能力。
3. 可视化和解释性：降维后的数据可以更容易地进行可视化和解释，帮助我们更好地理解数据和模型的特征。

三、方法

数据降维的方法主要分为两类：特征选择和主成分分析（PCA）。

1. 特征选择

   • 定义：在所有特征中选择部分特征作为训练集特征，选择后特征的值不改变，但是选择后的特征维数会降低。

2. 主成分分析（PCA）

   • 定义：PCA是一种分析、简化数据集的技术，其核心在于数据维度压缩，尽可能降低原数据的维度，同时损失少量信息。
   • 原理：通过线性变换将原始数据映射到一个新的低维空间中，这个新空间是由原始数据的主成分（即方差最大的方向）构成的。
   • 步骤：
     1. 标准化数据：将原始数据进行标准化处理，使其满足正态分布。
     2. 计算协方差矩阵：计算数据矩阵的协方差矩阵。
     3. 计算特征值和特征向量：将协方差矩阵的特征值和特征向量进行排序，选择Top-k个特征值和对应的特征向量。
     4. 构建降维矩阵：将Top-k个特征向量构建成降维矩阵。
     5. 进行降维：将原始数据矩阵与降维矩阵进行乘积运算，得到降维后的数据矩阵。

如何保留主要信息：投影后的不同特征数据尽可能分得开（即不相关）

计算过程：

• 原始数据预处理（标准化：u=0 σ=1）
• 计算协方差矩阵特征向量、及数据在各特征向量投影后的方差
• 根据需求（任务指定或方差比例）确定降维维度k
• 选取k维特征向量，计算数据在其形成空间的投影

4、决策树代码实现

• 决策树官方文档

https://scikit-learn.org/stable/modules/generated/sklearn.tree.DecisionTreeClassifier.html#sklearn.tree.DecisionTreeClassifier

# 决策树模型
from sklearn import tree

from sklearn.metrics import accuracy_score

from matplotlib import pyplot as plt

# 加载数据
data = pd.read_csv('iris_data.csv')

x = data.drop(['target', 'label'], axis=1)
y = data.loc[:, 'label']
# print(x.shape, y.shape)

# 训练模型
dc_tree = tree.DecisionTreeClassifier(criterion='entropy', min_samples_leaf=1)
dc_tree.fit(x, y)

y_pred = dc_tree.predict(x)
print(accuracy_score(y, y_pred))

# 画图
plt.figure(figsize=(30, 30))
tree.plot_tree(dc_tree, filled=True,
               feature_names=['sepal length', 'sepal width', 'petal length', 'petal width']
               , class_names=['Iris-setosa', 'Iris-versicolor', 'Iris-virginica'])
# plt.show()
# 下载图片
plt.savefig('iris_tree2.png')

5、基于高斯分布的异常检测代码

 from scipy.stats import norm
x1_range = np.linspace(0,20,300)
x1_normal = norm.pdf(x1_range,x1_mean,x1_sigma)
x2_range = np.linspace(0,20,300)
x2_normal = norm.pdf(x2_range,x2_mean,x2_sigma)

• 1、通过计算数据各维度对应的高斯分布概率密度函数，可用于寻找到数据中的异常点；
• 2、通过修改概率密度阈值contamination，可调整异常点检测的灵敏度;

6、主成分分析代码实现

实现步骤

• 1、基于iris_data.csv数据，建立KNN模型实现数据分类（n_neighbors=3）
• 2、对数据进行标准化处理，选取一个维度可视化处理后的效果
• 3、进行与原数据等维度PCA，查看各主成分的方差比例
• 4、保留合适的主成分，可视化降维后的数据
• 5、基于降维后数据建立KNN模型，与原数据表现进行对比

# 建立KNN模型
KNN_MODE = KNeighborsClassifier(n_neighbors=3)
KNN_MODE.fit(X, Y)
y_pred = KNN_MODE.predict(X)
print(accuracy_score(Y, y_pred))

# 标准化处理
x_norm = StandardScaler().fit_transform(X)
# 计算处理后的数据的均值和标准差
x_mean = x_norm.mean()
x_std = x_norm.std()
# 打印均值和标准差
print(X.loc[:, 'sepal length'].mean(), x_mean)
print(X.loc[:, 'sepal length'].std(), x_std)

# 可视化处理
plt.figure(figsize=(10, 10))
plt.subplot(121)
plt.hist(X.loc[:, 'sepal length'], bins=100)
plt.title('sepal length')
plt.subplot(122)
plt.hist(x_norm[:, 0], bins=100)
plt.title('sepal length')
plt.show()

# PCA
pca = PCA(n_components=4)
x_pca = pca.fit_transform(x_norm)
# 打印方差
print(pca.explained_variance_ratio_)
# 可视化操作
plt.figure(figsize=(20, 10))
plt.bar([1, 2, 3, 4], pca.explained_variance_ratio_)
plt.xticks([1, 2, 3, 4], ['pca1', 'pca2', 'pca3', 'pca4'])
plt.show()
# 只保留2个维度
pca = PCA(n_components=2)
x_pca = pca.fit_transform(x_norm)
# print(x_pca.shape)

（二）论文复现工作

Ⅰ、项目准备运行工作

1、配置项目环境

• 从以往的本地环境迁移至服务器环境，注意包的版本号
  

2、连接4090运行项目

3、进行映射至服务器

Ⅱ、复现过程中问题及其解决方案

1、dtensor问题及其解决方案

解决方案：

pip install keras==2.6

2、np.object问题及其解决方案

解决方案：
AttributeError: module numpy has no attribute object . np.object

pip install -U numpy==1.20.3

3、protocol问题及其解决方案

解决方案：

pip install protocol==3.19.0

或更新torchvision

这个更新好久哇

4、num_samples 问题及其解决方案

• 本质是路径问题，找不到文件当然没有num_samples
  
  
  通过层层发现 实际是路径的问题
  
  开始上传路径缺失的文件
  
• 关于文件大上传服务器技巧： 可以进行压缩上传 突然想到

unzip test.zip

5、torch.cuda.FloatTensor问题及其解决方案

• 输入的数据类型为torch.cuda.FloatTensor，说明输入数据在GPU中模型参数的数据类型为torch.FloatTensor，说明模型还在CPU
  问题原因搞清楚了，模型没加载到CPU，在代码中加一行语句就可以了

model = model.cuda()
model = model.to('cuda')
model.cuda()
model.to('cuda')

上面四行任选一，还有其他未列出的表述方法，都可以将模型加载到GPU。

• 反之Input type (torch.FloatTensor) and weight type (torch.cuda.FloatTensor) should be the问题来源是输入数据没有加载到GPU，解决方法为任选其一

tensor = tensor.cuda()
tensor = tensor.to('cuda')

Ⅲ、折腾了好久终于开始炼丹

1、训练过程

• 性能确实不错，我自己电脑本地运行一两天都不一定训练完成，4090一两小时就训练好了

2、预测过程

• 看一下运行完成后所占的空间