Tikhonov吉洪诺夫正则化
正则化原理总结

正则化原理总结正则化理论(Regularization Theory)是 Tikhonov于1963年提出的⼀种⽤以解决逆问题的不适定性的⽅法。
不适定性通常由⼀组线性代数⽅程定义,这组⽅程组由于具有很⼤的系数⽽使得它的反问题(已知系统输出求输⼊)存在多解。
正则化理论就是⽤来对原始问题的最⼩化经验误差函数(损失函数)加上某种约束,这种约束可以看成是⼈为引⼊的某种先验知识(正则化参数等价于对参数引⼊先验分布),从⽽对原问题中参数的选择起到引导作⽤,因此缩⼩了解空间,也减⼩了噪声对结果的影响和求出错误解的可能,使得模型由多解变为更倾向其中⼀个解。
也就是说,正则化项本质上是⼀种先验信息,整个最优化问题从贝叶斯观点来看是⼀种贝叶斯最⼤后验估计,其中正则化项对应后验估计中的先验信息(不同的正则化项具有不同先验分布),损失函数对应后验估计中的似然函数,两者的乘积则对应贝叶斯最⼤后验估计的形式。
附加的先验信息强⾏地让系统学习到的模型具有⼈们想要的特性,例如稀疏、低秩、平滑等等,约束了梯度下降反向迫使最终解倾向于符合先验知识。
接下来的问题是我们应该引⼊什么样正则项作为先验知识,才能准确⾼效地缩⼩解空间?⼀切⽅法的动机来源于⼈们⼀直以来对科学的“简洁性”、“朴素性”和“美”的深刻认同,这⼀经典理念可以⽤14世纪逻辑学家Occam提出的“奥克姆剃⼑”原理表述,它长久以来被⼴泛运⽤在⼈们对⾃然科学、社会科学的探索和假设之中:Entities should not be multiplied unnecessarily,译作“若⽆必要,勿增实体”,即“简单有效原理”。
说到这⾥还想多说⼏句题外话。
其实⾄少从亚⾥⼠多德以来,在哲学界、科学界陆续有很多⼈针对不同的场景、以种种⽅式提出了类似的观点。
科学家们⽤这种⽅式,作为建⽴基本假设的原则、作为想象⼒的出发点和思考的⼤⽅向、作为模型选择和建⽴的依据,最终得到了被实验事实所验证的理论学说,⽐如:⽜顿经典⼒学、麦克斯韦⽅程中位移电流的假设、进化论中进化机制的构想、狭义相对论两个基本假设的建⽴、⼴义相对论场⽅程的推导等等,当然它在如今的管理学、经济学等领域同样被⼴泛运⽤。
【国家自然科学基金】_tikhonov正则化方法_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140729

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2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
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吉洪诺夫正则化方法

吉洪诺夫正则化方法
吉洪诺夫正则化方法是一种常用的数据处理方法,用于处理数据中存在的噪声和异常值。
该方法通过在损失函数中添加一个正则化项,来限制模型参数的大小,从而达到减少过拟合的效果。
吉洪诺夫正则化方法的基本思想是,在损失函数中添加一个正则化项,该正则化项包括模型参数的平方和,以及一个正则化系数。
该正则化系数越大,就越能限制模型参数的大小,从而减少过拟合的风险。
使用吉洪诺夫正则化方法可以避免模型在训练集上表现良好,但在测试集上表现不佳的情况。
因为该方法可以使得模型更加平滑,减少过拟合风险,从而提高模型的泛化能力。
吉洪诺夫正则化方法常用于线性回归、逻辑回归、支持向量机等模型的训练过程中,可以通过交叉验证等方法来确定正则化系数的大小。
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地球物理反演中的正则化技术分析

地球物理反演中的正则化技术分析地球物理反演是一种通过观测地球上各种现象和数据,来推断地球内部结构和物质分布的方法。
在地球物理反演中,由于观测数据的不完整性和不精确性,常常需要借助正则化技术来提高反演结果的可靠性和准确性。
正则化技术是一种以一定规则限制解的优化方法。
通过在反演过程中引入附加信息或者假设,正则化技术可以帮助减小反演问题的不确定性,提高解的稳定性和可靠性。
在地球物理反演中,正则化技术有多种应用。
下面将介绍几种常见的正则化技术,并对其进行分析和比较。
1. Tikhonov正则化Tikhonov正则化是一种基本的正则化技术,它通过在目标函数中加入一个范数约束来限制解的空间。
常见的约束可以是L1范数和L2范数。
L1范数可以使解具有稀疏性,即解中的大部分分量为零,适用于具有稀疏特性的反演问题。
而L2范数可以使解具有平滑性,适用于具有平滑特性的反演问题。
2. 主成分分析正则化主成分分析正则化是一种通过将反演问题映射到低维空间来减小问题的维度的正则化技术。
它可以通过选择重要的主成分来实现数据降维,从而减少反演问题的不确定性。
主成分分析正则化在处理高维数据时可以提高反演的效率和精度。
3. 奇异值正则化奇异值正则化是一种基于奇异值分解的正则化技术。
通过对反演问题进行奇异值分解,可以将问题分解为多个低维子问题,从而减小高维问题的不确定性。
奇异值正则化适用于非线性反演问题,可以提高反演结果的稳定性和可靠性。
4. 稀疏表示正则化稀疏表示正则化是一种基于稀疏表示理论的正则化技术。
它通过将反演问题转化为对系数矩阵的优化问题,并引入L1范数约束,使得解具有稀疏性。
稀疏表示正则化适用于信号重构和图像恢复等问题,并在地震勘探和地球成像中有广泛应用。
在选择正则化技术时,需要考虑问题的特性和数据的特点。
不同的正则化技术适用于不同的问题,并且各自具有一些优势和限制。
因此,根据问题的具体要求和数据的特征,选择合适的正则化技术可以提高反演结果的可靠性和准确性。
tikhonov正则化matlab程序

tikhonov正则化matlab程序Tikhonov正则化是机器学习和数据挖掘中常用的正则化方法之一,主要用于减少模型复杂度,提高模型的泛化能力。
在MATLAB中,我们可以使用Tikhonov正则化技术来训练模型,以提高其性能和准确性。
本文将介绍如何使用MATLAB编写Tikhonov正则化程序的步骤。
第一步:数据预处理在使用Tikhonov正则化进行模型训练之前,我们需要先对数据进行预处理。
这个步骤包括数据清洗、数据转换和特征选择等。
目的是为了得到一个干净、一致、有意义且具有代表性的数据集。
第二步:选择正则化参数Tikhonov正则化中的正则化参数λ决定了惩罚项的权重,我们需要选择一个合适的λ值才能达到最优的正则化效果。
在MATLAB中,我们可以使用交叉验证方法对不同的λ值进行评估,以选择最佳的λ值。
第三步:定义模型在MATLAB中,我们可以使用Tikhonov正则化方法定义线性回归模型。
具体来说,我们可以使用正则化最小二乘法来求解模型参数:min||y-Xβ||^2+λ||β||^2因此,我们可以定义如下的模型函数:function [beta, fit_info] = my_tikhonov(X, y, lambda)[n,p] = size(X);beta = (X' * X + lambda * eye(p)) \ (X' * y);fit_info = struct('SSE',sum((y-X*beta).^2),'df', p,'reg',sum(beta.^2));在这里,X和y分别是输入和输出数据矩阵,lambda是正则化参数,beta是模型参数。
fit_info则是用于记录训练过程中的信息(如残差平方和、自由度和正则化项)的结构体。
第四步:训练模型并进行预测在定义好模型函数之后,我们可以使用MATLAB中的训练函数来训练模型,并使用测试函数进行预测。
迭代吉洪诺夫正则化的FCM聚类算法

迭代吉洪诺夫正则化的FCM聚类算法蒋莉芳;苏一丹;覃华【摘要】模糊C均值聚类算法(fuzzy C-means,FCM)存在不适定性问题,数据噪声会引起聚类失真.为此,提出一种迭代Tikhonov正则化模糊C均值聚类算法,对FCM的目标函数引入正则化罚项,推导最优正则化参数的迭代公式,用L曲线法在迭代过程中实现正则化参数的寻优,提高FCM的抗噪声能力,克服不适定问题.在UCI 数据集和人工数据集上的实验结果表明,所提算法的聚类精度较传统FCM高,迭代次数少10倍以上,抗噪声能力更强,用迭代Tikhonov正则化克服传统FCM的不适定问题是可行的.%FCM algorithm has the ill posed problem.Regularization method can improve the distortion of the model solution caused by the fluctuation of the data.And it can improve the precision and robustness of FCM through solving the error estimate of solution caused by ill posed problem.Iterative Tikhonov regularization function was introduced into the proposed problem (ITR-FCM),and L-curve method was used to select the optimal regularization parameter iteratively,and the convergence rate of the algorithm was further improved using the dynamic Tikhonov method.Five UCI datasets and five artificial datasets were chosen for the test.Results of tests show that iterative Tikhonov is an effective solution to the ill posed problem,and ITR-FCM has better convergence speed,accuracy and robustness.【期刊名称】《计算机工程与设计》【年(卷),期】2017(038)009【总页数】5页(P2391-2395)【关键词】模糊C均值聚类;不适定问题;Tikhonov正则化;正则化参数;L曲线【作者】蒋莉芳;苏一丹;覃华【作者单位】广西大学计算机与电子信息学院,广西南宁 530004;广西大学计算机与电子信息学院,广西南宁 530004;广西大学计算机与电子信息学院,广西南宁530004【正文语种】中文【中图分类】TP389.1模糊C均值算法已广泛地应用于图像分割、模式识别、故障诊断等领域[1-6]。
tikhonov正则化方法

tikhonov正则化方法Tikhonov正则化方法是一种用于解决线性反问题的数值稳定方法,也称为Tikhonov-Miller方法或Tikhonov-Phillips方法。
它由俄罗斯数学家Andrey Tikhonov在20世纪40年代提出,被广泛应用于信号处理、图像处理、机器学习、物理学等领域。
线性反问题指的是,给定一个线性方程组Ax=b,已知矩阵A和向量b,求解未知向量x。
然而,在实际应用中,往往存在多个解或无解的情况,而且解的稳定性和唯一性也很难保证。
这时候,就需要引入正则化方法来提高求解的稳定性和精度。
Tikhonov正则化方法的基本思想是,在原有的线性方程组中添加一个正则化项,使得求解的解更加平滑和稳定。
具体地说,Tikhonov 正则化方法可以用下面的形式表示:min ||Ax-b||^2 + λ||x||^2其中,第一项表示原有的误差项,第二项表示正则化项,λ是正则化参数,用来平衡两个项的重要性。
当λ越大时,正则化项的影响就越大,求解的解就越平滑和稳定;当λ越小时,误差项的影响就越大,求解的解就越接近原有的线性方程组的解。
Tikhonov正则化方法的求解可以通过最小二乘法来实现。
具体地说,可以将原有的线性方程组表示为Ax=b的形式,然后将其转化为最小二乘问题,即:min ||Ax-b||^2然后,再添加一个正则化项λ||x||^2,得到Tikhonov正则化问题。
由于这是一个二次最小化问题,可以通过求导等方法来求解。
Tikhonov正则化方法的优点在于,它可以有效地提高求解的稳定性和精度,减少过拟合和欠拟合的问题。
同时,它的求解也比较简单和直观,适用于各种线性反问题的求解。
然而,Tikhonov正则化方法也存在一些限制和局限性。
首先,正则化参数λ的选择比较困难,需要通过试错和经验来确定;其次,正则化项的形式也比较单一,往往不能很好地适应不同的问题和数据;最后,Tikhonov正则化方法只适用于线性反问题的求解,对于非线性问题和大规模问题的求解效果较差。
采用边界积分方程和tikhonov正则化方法延拓潜艇磁场

采用边界积分方程和tikhonov正则化方法延拓潜艇磁场边界积分方程和Tikhonov正则化方法是一种有效的手段,用于延拓潜艇磁场。
这种方法基于物理学原理和数学模型,可以通过计算潜艇表面的磁场分布,来推断潜艇内部的磁场分布。
本文将详细介绍这种方法的原理和应用。
一、边界积分方程边界积分方程是一种数学工具,用于描述物体表面的电磁场分布。
在潜艇磁场延拓中,我们可以将潜艇表面看作一个电磁场边界,通过边界积分方程来计算潜艇表面的磁场分布。
具体来说,我们可以将潜艇表面划分成若干个小面元,对每个小面元上的磁场进行积分,得到整个表面上的磁场分布。
这种方法可以有效地避免对潜艇内部结构的复杂计算,从而简化了问题的求解。
二、Tikhonov正则化方法Tikhonov正则化方法是一种数学工具,用于处理反问题。
在潜艇磁场延拓中,我们需要通过已知的潜艇表面磁场分布,来推断潜艇内部的磁场分布。
这是一个反问题,通常会受到噪声和不确定性的影响。
Tikhonov正则化方法可以通过引入正则化项,来限制解的复杂度,从而提高解的稳定性和精度。
三、应用实例潜艇磁场延拓方法在实际应用中具有广泛的应用价值。
例如,在海洋探测和海底勘探中,可以通过潜艇磁场延拓方法来推断海底地形和地质构造。
在潜艇隐身技术中,可以通过潜艇磁场延拓方法来预测潜艇的磁场特征,从而减少被敌方探测的可能性。
此外,潜艇磁场延拓方法还可以应用于磁共振成像、地球物理勘探等领域。
总之,边界积分方程和Tikhonov正则化方法是一种有效的手段,用于延拓潜艇磁场。
这种方法基于物理学原理和数学模型,可以通过计算潜艇表面的磁场分布,来推断潜艇内部的磁场分布。
在实际应用中,潜艇磁场延拓方法具有广泛的应用价值,可以为海洋探测、潜艇隐身技术、磁共振成像、地球物理勘探等领域提供有力的支持。
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Tikhonov regularizationFrom Wikipedia, the free encyclopediaTikhonov regularization is the most commonly used method of regularization of ill-posed problems named for Andrey Tychonoff. In statistics, the method is also known as ridge regression . It is related to the Levenberg-Marquardt algorithm for non-linear least-squares problems.The standard approach to solve an underdetermined system of linear equations given as,b Ax = is known as linear least squares and seeks to minimize the residual 2b Ax - where •is the Euclidean norm. However, the matrix A may be ill-conditioned or singular yielding a non-unique solution. In order to give preference to a particular solution with desirable properties, the regularization term is included in this minimization:22x b Ax Γ+-for some suitably chosen Tikhonov matrix , Γ. In many cases, this matrix is chosen as the identity matrix Γ= I , giving preference to solutions with smaller norms. In other cases, highpass operators (e.g., a difference operator or aweighted Fourier operator) may be used to enforce smoothness if the underlying vector is believed to be mostly continuous. This regularization improves the conditioning of the problem, thus enabling a numerical solution. An explicit solution, denoted by , is given by:()b A A A x T T T 1ˆ-ΓΓ+=The effect of regularization may be varied via the scale of matrix Γ. For Γ= αI, when α = 0 this reduces to the unregularized least squares solution provided that (A T A)−1 exists.Contents• 1 Bayesian interpretation• 2 Generalized Tikhonov regularization• 3 Regularization in Hilbert space• 4 Relation to singular value decomposition and Wiener filter• 5 Determination of the Tikhonov factor• 6 Relation to probabilistic formulation•7 History•8 ReferencesBayesian interpretationAlthough at first the choice of the solution to this regularized problem may look artificial, and indeed the matrix Γseems rather arbitrary, the process can be justified from a Bayesian point of view. Note that for an ill-posed problem one must necessarily introduce some additional assumptions in order to get a stable solution. Statistically we might assume that a priori we know that x is a random variable with a multivariate normal distribution. For simplicity we take the mean to be zero and assume that each component is independent with standard deviation σx. Our data is also subject to errors, and we take the errors in b to bealso independent with zero mean and standard deviation σb. Under these assumptions the Tikhonov-regularized solution is the most probable solutiongiven the data and the a priori distribution of x, according to Bayes' theorem. The Tikhonov matrix is then Γ= αI for Tikhonov factor α = σb/ σx.If the assumption of normality is replaced by assumptions of homoskedasticity and uncorrelatedness of errors, and still assume zero mean, then theGauss-Markov theorem entails that the solution is minimal unbiased estimate.Generalized Tikhonov regularizationFor general multivariate normal distributions for x and the data error, one can apply a transformation of the variables to reduce to the case above. Equivalently, one can seek an x to minimize22Q P x x b Ax -+- where we have used 2P x to stand for the weighted norm x T Px (cf. theMahalanobis distance). In the Bayesian interpretation P is the inverse covariance matrix of b , x 0 is the expected value of x , and Q is the inverse covariance matrix of x . The Tikhonov matrix is then given as a factorization of the matrix Q = ΓT Γ(e.g. the cholesky factorization), and is considered a whitening filter. This generalized problem can be solved explicitly using the formula()()010Ax b P A Q PA A x T T -++-[edit] Regularization in Hilbert spaceTypically discrete linear ill-conditioned problems result as discretization of integral equations, and one can formulate Tikhonov regularization in the original infinite dimensional context. In the above we can interpret A as a compact operator on Hilbert spaces, and x and b as elements in the domain and range of A . The operator ΓΓ+T A A *is then a self-adjoint bounded invertible operator.Relation to singular value decomposition and Wiener filterWith Γ = αI , this least squares solution can be analyzed in a special way via the singular value decomposition. Given the singular value decomposition of AT V U A ∑=with singular values σi , the Tikhonov regularized solution can be expressed asb VDU xT =ˆ where D has diagonal values22ασσ+=i iii Dand is zero elsewhere. This demonstrates the effect of the Tikhonov parameter on the condition number of the regularized problem. For the generalized case a similar representation can be derived using a generalized singular value decomposition. Finally, it is related to the Wiener filter:∑==q i i i T i i v b u f x1ˆσ where the Wiener weights are 222ασσ+=i i i f and q is the rank of A . Determination of the Tikhonov factorThe optimal regularization parameter α is usually unknown and often in practical problems is determined by an ad hoc method. A possible approach relies on the Bayesian interpretation described above. Other approaches include the discrepancy principle, cross-validation, L-curve method, restricted maximum likelihood and unbiased predictive risk estimator. Grace Wahba proved that the optimal parameter, in the sense of leave-one-out cross-validation minimizes: ()()[]21222ˆT T X I X X X I Tr y X RSSG -+--==αβτwhereis the residual sum of squares and τ is the effective number degreeof freedom. Using the previous SVD decomposition, we can simplify the above expression:()()21'22221'∑∑==++-=q i i i i qi i iu b u u b u y RSS ασα ()21'2220∑=++=qi i i i u b u RSS RSS ασαand ∑∑==++-=+-=q i i q i i i q m m 12221222ασαασστRelation to probabilistic formulationThe probabilistic formulation of an inverse problem introduces (when all uncertainties are Gaussian) a covariance matrix C M representing the a priori uncertainties on the model parameters, and a covariance matrix C D representing the uncertainties on the observed parameters (see, for instance, Tarantola, 2004[1]). In the special case when these two matrices are diagonal and isotropic,and , and, in this case, the equations of inverse theory reduce to the equations above, with α = σD/ σM.HistoryTikhonov regularization has been invented independently in many different contexts. It became widely known from its application to integral equations from the work of A. N. Tikhonov and D. L. Phillips. Some authors use the term Tikhonov-Phillips regularization. The finite dimensional case was expounded by A. E. Hoerl, who took a statistical approach, and by M. Foster, who interpreted this method as a Wiener-Kolmogorov filter. Following Hoerl, it is known in the statistical literature as ridge regression.[edit] References•Tychonoff, Andrey Nikolayevich (1943). "Об устойчивости обратных задач [On the stability of inverse problems]". Doklady Akademii NaukSSSR39 (5): 195–198.•Tychonoff, A. N. (1963). "О решении некорректно поставленных задач и методе регуляризации [Solution of incorrectly formulated problemsand the regularization method]". Doklady Akademii Nauk SSSR151:501–504.. Translated in Soviet Mathematics4: 1035–1038.•Tychonoff, A. N.; V. Y. Arsenin (1977). Solution of Ill-posed Problems.Washington: Winston & Sons. ISBN 0-470-99124-0.•Hansen, P.C., 1998, Rank-deficient and Discrete ill-posed problems, SIAM •Hoerl AE, 1962, Application of ridge analysis to regression problems, Chemical Engineering Progress, 58, 54-59.•Foster M, 1961, An application of the Wiener-Kolmogorov smoothing theory to matrix inversion, J. SIAM, 9, 387-392•Phillips DL, 1962, A technique for the numerical solution of certain integral equations of the first kind, J Assoc Comput Mach, 9, 84-97•Tarantola A, 2004, Inverse Problem Theory (free PDF version), Society for Industrial and Applied Mathematics, ISBN 0-89871-572-5 •Wahba, G, 1990, Spline Models for Observational Data, Society for Industrial and Applied Mathematics。