← Zpět na přehledROZ / 03
VýkladS komentářem
ROZ 03 · Výklad

Rodina statistických klasifikátorů

Jedna rozhodovací teorie vede k různým klasifikátorům podle toho, jak modelujeme rozdělení a kovariance.

Projdeme Gaussovské modely, jejich výpočet, transformace, lineární učení, sousedy a kontext.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 1

ROZ 03 · Výklad

Normální hustota a geometrie

Střed μᵢ určuje polohu a kovariance Σᵢ tvar hladin stejné hustoty. Pro regulární hustotu je kovariance pozitivně definitní.

Mahalanobisova vzdálenost měří odchylku relativně k rozptylu a korelacím. Délky poloos hladiny jsou úměrné odmocninám vlastních čísel kovariance.

di2=(x−μi)⊤Σi−1(x−μi)
logpi(x)=−12di2−12log|Σi|−d2log(2π)
AB
Dvě konstruované hustoty; výška není pravděpodobnost bodu.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 1, 2

ROZ 03 · Výklad

Plný Gaussovský klasifikátor

Při různých kovariancích se v rozdílu logaritmických skóre obecně nezruší kvadratický člen. Rozhodovací hranice proto může být kvadratická.

Rovnoměrný prior odstraní pouze člen log πᵢ. Neodstraní rozdíly determinantů a tvarů rozdělení.

gi(x)=−12di2−12log|Σi|+logπi

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 2

ROZ 03 · Výklad

Eukleidovský klasifikátor

Společná sférická kovariance znamená stejné rozptyly ve všech směrech. Při stejných priorech vybíráme nejbližší střed.

Hranicí je osa dvojice středů. Nerovné priory hranici posunou; neudělají z ní za těchto předpokladů kvadratickou plochu.

Σi=σ2I
gi(x)=μi⊤xσ2−‖μi‖22σ2+logπi
x₁x₂
Konstruované body a směr/hranice; nejde o experimentální data.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 2, 3

ROZ 03 · Výklad

Společná kovariance a Mahalanobis

Při společné plné kovarianci mají všechny třídy stejný elipsoidální tvar. Vzniká lineární hranice, jejíž normála zahrnuje inverzi kovariance.

Eukleidovskou vzdálenost lze chápat jako zvláštní případ, nikoli jako univerzálně vhodnou metriku.

wij=Σ−1(μi−μj)
gi(x)=μi⊤Σ−1x−12μi⊤Σ−1μi+logπi

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 3, 4

ROZ 03 · Výklad

Zjednodušení není totéž co ekvivalence

Linearizovaný Bayesovský klasifikátor zjednodušuje obecné skóre; není obecně identický s plným kvadratickým pravidlem.

Diagonální kovariance dovoluje samostatně normalizovat jednotlivé příznaky. Při třídně odlišných diagonálách mohou zůstat kvadratické hranice.

di2=∑j(xj−μij)2σij2

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 4

ROZ 03 · Výklad

Naivní Bayes

Předpokládáme podmíněnou nezávislost příznaků při známé třídě. Každou jednorozměrnou složku pak odhadneme zvlášť.

Výpočet a počet parametrů jsou malé, ale závislé příznaky mohou tutéž informaci započítat opakovaně. Dobrá klasifikace ještě nezaručuje kalibrovaný posterior.

p(x∣ωi)=∏jp(xj∣ωi)
gi(x)=logπi+∑jlogp(xj∣ωi)

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 4, 5, 6

ROZ 03 · Výklad

Polonaivní modely

Podklad rozšiřuje naivní model o závislost na rodičovském příznaku, společného superrodiče nebo výběr méně závislých příznaků.

U superrodiče musí součin obsahovat také jeho vlastní pravděpodobnost. Závislosti je třeba popsat konzistentním rozkladem.

p(x∣ω)=p(xs∣ω)∏j≠sp(xj∣xs,ω)

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 6

ROZ 03 · Výklad

Kvadratická klasifikace bez změny rozhodnutí

Bezeztrátové zrychlení zachovává plné skóre. Choleského rozklad dovolí řešit trojúhelníkovou soustavu místo explicitního vytváření inverze.

Kvadratickou formu lze také omezit vlastními čísly. Jestliže se bezpečné intervaly skóre nepřekrývají, některé kandidáty lze vyřadit dříve.

Σ=LL⊤,Ly=x−μ
d2=‖y‖2
λmin‖v‖2≤v⊤Av≤λmax‖v‖2

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 7

ROZ 03 · Výklad

Regulární afinní transformace

Použijeme stejnou invertibilní transformaci na data, středy i kovariance. Mahalanobisova kvadratická forma zůstane stejná.

Hustota se změní společným faktorem daným determinantem. Při porovnání tříd se tento faktor zruší.

z=Qx+r,μi′=Qμi+r
Σi′=QΣiQ⊤
pz(z∣ωi)=px(x∣ωi)|detQ|
x₁x₂
Konstruované body a směr/hranice; nejde o experimentální data.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 8, 9

ROZ 03 · Výklad

Která zjednodušení přežijí transformaci

Plný Gaussovský i společnokovarianční model jsou při regulární afinní transformaci uzavřené rodiny. Eukleidovský model zachová svůj tvar při ortogonálním otočení, ale obecné škálování už může vyžadovat jinou metriku.

Diagonální kovariance obecné otočení nezachová. Korelační pravidlo závislé na normách středů vyžaduje další podmínky. Zmenšení rozměru není invertibilní a obecnou záruku ekvivalence nemá.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 9, 10, 11, 12

ROZ 03 · Výklad

Sekvence nezávislých měření

Pro více podmíněně nezávislých pozorování se logaritmy poměrů věrohodností sčítají. Opakování může stabilizovat rozhodnutí, pokud opravdu přináší novou informaci.

U nezávislých stejně rozdělených členů klesá rozptyl jejich průměru jako 1/m. U silně korelovaných snímků nelze tento přínos automaticky očekávat.

Λ=∑t=1mlogp(xt∣ω1)p(xt∣ω2)
Var(Z―)=Var(Z)m

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 12

ROZ 03 · Výklad

Fisherův směr

Hledáme projekci s velkou vzdáleností třídních středů a malým rozptylem uvnitř tříd. Směr je určen pouze do měřítka.

Prahování projekce je další krok: závisí na priorech, ztrátách či validačním kritériu.

J(w)=(w⊤(μ1−μ2))2w⊤SWw
w∝SW−1(μ1−μ2)
x₁x₂
Konstruované body a směr/hranice; nejde o experimentální data.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 13, 14

ROZ 03 · Výklad

Učení metodou nejmenších čtverců

Třídy zakódujeme cílovými vektory a minimalizujeme čtvercovou odchylku skóre od těchto cílů. Konstantu lze přidat jako další souřadnici.

Normální rovnice je vhodné řešit stabilní faktorizací, při singularitě pseudoinverzí nebo regularizací.

minW‖YW−U‖F2
Y⊤YW=Y⊤U

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 14

ROZ 03 · Výklad

Regresní klasifikátor

Lineární regrese může mapovat vstup do prostoru kódů tříd. Nový bod přiřadíme k nejbližšímu cílovému kódu nebo největšímu skóre.

Kvadratické rozšíření zvýší flexibilitu i počet parametrů. Nejmenší trénovací reziduum však samo o sobě nevybírá nejlepší klasifikátor.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 15

ROZ 03 · Výklad

Geometrické rozhodování

Lineární diskriminační funkce lze učit i bez předpokladu hustot. Pro dvojici tříd dává rozdíl vah normálu oddělující nadroviny.

Přednáška připomíná také iterativní Ho–Kashyapův postup. Zda lineární oddělení vůbec existuje, je vlastnost konkrétních dat.

hij: (wi−wj)⊤x+bi−bj=0
x₁x₂
Konstruované body a směr/hranice; nejde o experimentální data.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 16

ROZ 03 · Výklad

Nejbližší prototyp

Každá třída může mít několik reprezentantů. Bod přidělíme ke třídě nejbližšího prototypu.

Voroného oblasti jsou pro eukleidovskou metriku po částech lineární. Sloučením více oblastí stejné třídy může vzniknout složitější třídní oblast.

j*=argminj‖x−pj‖2
x₁x₂
Konstruované body a směr/hranice; nejde o experimentální data.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 17

ROZ 03 · Výklad

Nelinearita přes nové příznaky

Vektor φ(x) může obsahovat mocniny a součiny původních souřadnic. Skóre zůstává lineární v parametrech, ale hranice je nelineární v původním prostoru.

Počet členů rychle roste. Mapování také nevytvoří nezávislou novou informaci: jeho obraz může ležet na nízkorozměrné množině.

ϕ(x1,x2)=(x1,x2,x12,x1x2,x22)
g(x)=w⊤ϕ(x)+b

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 17, 18

ROZ 03 · Výklad

Pravoúhlé rozhodovací oblasti

Paralelopipedový klasifikátor omezuje přípustný interval každého příznaku. Test je levný a snadno interpretovatelný.

Oblasti se mohou překrývat nebo mezi nimi mohou být mezery. Implementace musí určit volbu při překryvu i zacházení s bodem mimo všechny intervaly.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 18

ROZ 03 · Výklad

Parzenův klasifikátor

Hustotu třídy odhadneme jako průměr jader soustředěných do trénovacích bodů. Potom použijeme stejné Bayesovské porovnání jako dříve.

Šířka jádra ovládá vyhlazení: malé jádro dává špičatý odhad, příliš velké rozmaže strukturu. Cena vyhodnocení roste s počtem prototypů.

p^i(x)=1nihd∑j=1niK(x−xijh)

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 18

ROZ 03 · Výklad

Jeden a k nejbližších sousedů

Pravidlo 1-NN přebírá třídu nejbližšího trénovacího bodu. k-NN hlasuje mezi k nejbližšími.

Je třeba určit metriku, škálování, řešení remíz a případné vážení vzdáleností. Větší k vyhlazuje hranici, ale může potlačit malé oblasti.

y^=majority{yj:j∈Nk(x)}
x₁x₂
Konstruované body a směr/hranice; nejde o experimentální data.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 19, 20

ROZ 03 · Výklad

Co sousedé nezaručují

S rostoucím vzorkem se blízcí sousedé přibližují dotazu za odpovídajících předpokladů. To samo neříká, že každý konečný k-NN dosáhne Bayesovy chyby.

Nadbytečné a špatně škálované příznaky mohou znehodnotit vzdálenost. Velký trénink také zvyšuje paměťovou a výpočetní cenu.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 20

ROZ 03 · Výklad

Kontext mění rozhodnutí

Třídu pixelu nebo prvku může ovlivňovat sousedství, topologie i externí mapa. Kontext lze použít při klasifikaci i při následné reklasifikaci.

Globální posterior nad všemi prvky bývá příliš složitý. Proto potřebujeme explicitní lokální předpoklady.

PozorováníSousední značkySpolečné skóre
Nově kreslené schéma GRAFIT · ilustrační konstrukce.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 20, 21

ROZ 03 · Výklad

Markovské zjednodušení

Markovský model omezuje závislosti na lokální okolí. Podmíněná nezávislost měření při známých třídách dovolí rozdělit část pravděpodobnostního modelu na lokální členy.

Původní odvození porovnává několik kombinací těchto předpokladů. Odhad pravděpodobnosti okolních tříd není totéž co znalost jejich skutečných hodnot.

P(yr∣y−r)=P(yr∣yN(r))

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 21, 22, 23

ROZ 03 · Interaktivní doplněk GRAFIT

Dvě Gaussovské třídy

Vyzkoušejte · doplněk GRAFIT

Konstruovaný didaktický model. Měňte vstupy a sledujte výpočet; nejde o naměřený výkon ani plný učící algoritmus.

ROZ 03 · Řešený příklad · doplněk GRAFIT

Kdy rozhoduje prostředek

Dvě jednorozměrné normální třídy se stejnou variancí a stejnými apriorními pravděpodobnostmi mají při stejné ceně chyb hranici v polovině mezi různými středy. Změna priorů nebo variancí tuto jednoduchou konstrukci obecně ruší.

Nezaměňujte malé skóre vzdálenosti za posteriorní pravděpodobnost. Samotná vzdálenost neobsahuje všechny normalizační a apriorní členy.

ROZ 03 · Ověření porozumění · doplněk GRAFIT

Zkuste si odpovědět

Zaručuje Gaussovský model vždy lineární hranici?

Zobrazit vysvětlení

Ne. Lineární hranice plyne ze společné kovariance; rozdílné kovariance obecně vytvářejí kvadratické hranice.

ROZ 03 · Provenience

Podklady a způsob zpracování

Autor původních podkladů: Michal Haindl, FIT ČVUT / ÚTIA AV ČR, 2023–2024. Český tematický přepis, vysázení a didaktické doplňky: GRAFIT, 2026.

Tato verze slučuje postupná odhalení a vysvětluje témata vlastními větami. Není doslovnou reprodukcí každé původní tabulky ani náhradou aktuálních organizačních pokynů. Zdrojové PDF zůstává beze změny; žádný původní snímek zde není vložen jako obrázek.

Stáhnout původní PDFAutorský zdrojMapa témat a SHA-256

Obsah přednášky

Moje poznámky

Ukládají se jen v tomto prohlížeči.