機械學習——類比學習.ppt

引言 機械學習是一種單純依靠記憶學習材料 而避免去理解其復雜內部和主題推論的學習方法 平時多稱為死記 死背或死記硬背 由美國心理學家奧蘇伯爾提出與機械學習相對的有意義學習概念 指符號所代表的新知識與學習者認知結構中已有的知識建立非實質性的和人為的聯(lián)系 這個理念也可以被描述為類比學習 這是一種很重要 很有效的學習方略 運用類比 可迅速地把新舊知識進行對比 聯(lián)系 可迅速發(fā)現(xiàn)同中的異 更加清晰地理解知識 找出異中的同 構建知識網絡 內容提要 一 什么是類比學習二 類比學習的泛化規(guī)則三 轉換類比學習四 派生類比學習五 聯(lián)想類比學習六 類比學習方法七 類比學習法種類八 類比創(chuàng)意設計碩果 一 類比學習 learningbyanalogy 一 類比學習 類比學習是把兩個或兩類事物或情形進行比較 找出它們在某一對象層上的相似關系 并以這種關系為依據(jù) 把某一事物或情形的有關知識加以適當整理 或變換 對應到另一事物或情況 從而獲得求解另一事物或情形的知識 類比 類比是人類應用過去的經驗來求解新問題的一種思維過程 二 類比的重要性 1 類比現(xiàn)象普遍存在 2 類比在人的思維中扮演著極為重要的角色 3 比喻的使用 4 在計算機上實現(xiàn)類比問題求解系統(tǒng)可以使計算機也具有創(chuàng)造性思維 三 類比學習的過程 1 聯(lián)想搜索匹配2 檢驗相似程度3 修正變換求解4 更新知識庫 四 類比學習在求解過程中要明確的問題 1 問題特征怎樣抽取2 相似性測度及計算方法如何確定3 如何搜索相似的問題4 怎樣找出對應關系 如何匹配5 老問題的解如何變換地到新問題的解6 如何更新知識庫 二 類比學習的泛化規(guī)則 獲取解的一般過程 插曲記憶組織與重構 T操作符的改善與獲取 獲取解的一般過程1 類比器產生一個新問題后 若經過測試 該解滿足新問題的要求 則該解加入正例集 2 若該解不滿足新問題 則記錄失敗原因 并將該解加入反例集 3 歸納正例集和反例集 產生一條規(guī)則 能指導所有正例集中的成功解 而不滿足反例集中任一不成功解 4 通過對反例容易與正例混淆的分析可以提出范化規(guī)則結構的正例 5 當類比器無法求解時獲得的信息可作為加強或產生相似性測度的正例或反例 作為反例去改進相似性測度 插曲記憶組織與重構目的是為了改進相似性 差異測度的精確性和對經驗 解的記憶的構造和檢索 采用的方法是以失敗驅動的方式進行差異測度調準 T 操作符的改善與獲取1 在T空間中比較失敗路徑解的T 操作符和成功路徑解的T 操作符 2 如果該T 操作符在差別表中有多個入口 一些入口僅對應于該操作的失敗例子 則刪除這些入口 3 若某個入口對應的失敗比成功多得多 說明要減小的差別描述可能太一般 必須分解為更特殊差別的不相交子集 三 轉換類比學習 實現(xiàn) 遇到新問題 將新問題映射到原先已經解決的問題中 如果部分映射 并且從已解決問題中可以引導出解決該問題的方法 則在該方法的基礎上通過匹配和轉換 得到新問題的解決方法 四 派生類比學習 實現(xiàn) 遇到新問題 將新問題映射到原問題中 在原有問題的基礎上 抽象出解決方法 同時 新問題又能重新引導出另一個原先已解決的問題 即派生出另一個問題 而又能從該問題中得出新的解決方法 此時便可以類比兩個已解決的問題的解決方法 找出相似之處 得出新問題的解決方法 五 聯(lián)想類比學習 聯(lián)想類比學習 是把已知領域 源系統(tǒng) 的知識聯(lián)想到未知領域 目標系統(tǒng) 的類比方法 是一種綜合的類比推理方法 1 同構相似聯(lián)想2 同態(tài)相似聯(lián)想3 接近聯(lián)想4 對比聯(lián)想5 模糊聯(lián)想 聯(lián)想類比條件 六 類比學習方法 最典型的類比學習方法是K 最近鄰方法 它屬于懶散學習法 相比決策樹等急切學習法 具有訓練時間短 但分類時間長的特點 K 最近鄰算法可以用于分類和聚類中 而基于案例的類比學習方法則可以應用到數(shù)據(jù)挖掘的分類中 基于案例學習的分類計數(shù)的基本思想是 當對一個新案例進行分類時 通過檢查已有的訓練案例找出相同或者相近的案例 然后根據(jù)這些案例提出這個新案例的可能解 七 類比學習法種類 類比學習法按原理可分為直接類比 擬人類比 象征類比 幻想類比 仿生類比 因果類比 對稱類比和綜合類比等8種 1 直接類比 就是從自然界或者人為成果中直接尋找出與創(chuàng)意對象相類似的東西或事物 進行類比創(chuàng)意 如 魯班發(fā)明鋸子 是同帶齒的草葉把人手劃破和長有齒的蝗蟲板牙能咬斷青草獲得直接類比實現(xiàn)的 2 擬人類比 即使創(chuàng)意對象 擬人化 這種類比就是創(chuàng)意者使自己與創(chuàng)意對象的某種要素認同 一致 自我進入 角色 體現(xiàn)問題 產生共鳴 以獲得創(chuàng)意 如 凱庫勒夢見一條蛇咬住自己的尾巴 由此提出了苯分子環(huán)狀結構理論 3 象征類比 這是一種借助事物形象或象征符號 表示某種抽象概念或情感的類比 如 麥克斯韋用數(shù)學公式表示出了法拉第的電磁變化理論 4 幻想類比 這是在創(chuàng)意思維中用超現(xiàn)實的理想 夢幻或完美的事物類比創(chuàng)意對象的創(chuàng)意思維法 如 在凡爾納的小說中有霓虹燈 可移動的人行道 空調機 摩天大樓 坦克 電子操縱潛艇 導彈 在20世紀 這些東西都化為了現(xiàn)實 5 因果類比 兩個事物的各個事物之間可能存在著同一種因果關系 如 在合成樹脂中加入發(fā)泡劑 可得到質輕 隔熱和隔音性能良好的泡沫塑料 于是有人就用這種因果關系 在水泥中加入一種發(fā)泡劑 結果發(fā)明了既質輕又隔熱 隔音的氣泡混凝土 6 對稱類比 自然界和人造物中有許多事物或東西都有對稱的特點 如 物理學家狄拉克從描述自由電子運動的方程中 得出正負對稱的兩個能量解 知道了電荷正負的對稱性 狄拉克又從對稱類比中 提出了存在正電子的對稱解 結果被實踐證實了 7 仿生類比 人在創(chuàng)意 創(chuàng)造活動中 常將生物的某些特性運用到創(chuàng)意 創(chuàng)造上 如 仿鳥類展翅飛翔 造出了具有機翼的飛機 8 綜合類比 事物屬性之間的關系雖然很復雜 但可以綜合它們相似的特征進行類比 如 設計一架飛機 先做一個模型放在風洞中進行模擬飛行試驗 就是綜合了飛機飛行中的許多特征進行類比 八 類比創(chuàng)意設計碩果 歷史上 許多重大的科學發(fā)現(xiàn) 技術發(fā)明和文學藝術創(chuàng)作 都是運用類比創(chuàng)意技法的碩果 在科學領域 惠更斯提出的光的波動說 就是與水的波動 聲的波動類比而發(fā)的 歐姆將其對電的研究和傅里葉關于熱的研究加以類比 建立了歐姆定律 醫(yī)生詹納發(fā)現(xiàn) 種牛痘 可以預防天花 是受到擠牛奶女工感染牛痘而不患天花的啟示 技術領域 控制論創(chuàng)始人維納 通過類比把人的行為 目的等引入機器又把通信工程信息和自動控制工程的反饋概念引入活的有機體 從而創(chuàng)立了控制論 皮卡爾父子利用平流層理論先設計平流層氣球飛過15690米高空 又通過類比設計出世界上下潛深度