半监督学习研究的述评

监督学习需要利用大量的标记样本训练模型,但实际应用中,标记样本的采集费时费力。无监督学习不使用先验信息,但模型准确性难以保证。半监督学习突破了传统方法只考虑一种样本类型的局限,能够挖掘大量无标签数据隐藏的信息,辅助少量的标记样本进行训练,成为机器学习的研究热点。通过对半监督学习研究的总趋势以及具体研究内容进行详细的梳理与总结,分别从半监督聚类、分类、回归与降维以及非平衡数据分类和减少噪声数据共六个方面进行综述,发现半监督方法众多,但存在以下不足：（1）部分新提出的方法虽然有效,但仅通过特定数据集进行了实证,缺少一定的理论证明;（2）复杂数据下构建的半监督模型参数较多,结果不稳定且缺乏参数选取的指导经验;（3）监督信息多采用样本标签或成对约束形式,对混合约束的半监督学习需要进一步研究;（4）对半监督回归的研究匮乏,对如何利用连续变量的监督信息研究甚少。     

一种用于处理高维稀疏数据的半监督聚类算法

半监督聚类是近年来研究的热点,传统的方法是在无监督算法的基础上加入有限的背景知识来提高聚类性能.然而大多数半监督聚类技术都基于邻近或密度,难以处理高维数据,因此必须将约减的特征加入到半监督聚类过程中.为解决此问题,提出了一种新的半监督聚类算法框架.该算法利用样本约束传递性进行预处理,然后将特征投影到低维空间实现降维,最终用半监督算法对约减后的样本进行聚类.通过实验同现行主要降维方法进行了比较,说明此方法能有效地处理高维数据,聚类效果良好.     

MFASSC:基于间隔Fisher分析的半监督聚类方法

针对高维数据的聚类问题,提出一种基于间隔Fisher分析(MFA)的半监督聚类算法。该算法首先使用已标记样本进行MFA映射,得到投影矩阵W后,再利用求得的投影方法对未标记样本进行降维;然后在低维空间引入基于约束的球形K-means(PCSKM)算法对降维后的数据进行半监督聚类,根据第一次的聚类结果,交替进行降维与聚类操作,直到算法收敛为止。该算法利用监督信息有效地集成了数据降维和半监督聚类。实验结果表明,该方法能够有效处理高维数据,同时能提高聚类性能。     

文档聚类综述

聚类作为一种自动化程度较高的无监督机器学习方法,近年来在信息检索、多文档自动文摘等领域获得了广泛的应用。本文首先讨论了文档聚类的应用背景和体系结构,然后对文档聚类算法、聚类空间的构造和降维方法、文档聚类中的语义问题进行了综述。最后还介绍了聚类质量评测问题。     

基于PCA降维的成对约束半监督聚类集成

针对现有的聚类集成算法大都是无监督聚类集成算法且不能很好地处理高维数据的问题,设计一种基于PCA降维技术的成对约束半监督聚类集成算法（SSCEDR）。SSCEDR方法使用PCA主成分分析对原始数据进行降维,结合半监督聚类集成技术,在降维后的空间中将成对约束等先验知识代入到聚类集成过程中。本文通过在多组数据集上实验来验证算法的有效性。     

半监督图核降维方法

基于图结构的数据表示和分析,在机器学习领域正得到越来越广泛的关注。以往研究主要集中在为图数据定义一个度量其相似性关系的核函数即图核,一旦定义出图核,就可以用标准的支持向量机(SVM)来对图数据进行分类。将图核方法进行扩充,先利用核主成分分析(kPCA)对图核诱导的高维特征空间中的数据进行降维,得到与原始图数据相对应的低维向量表示的数据,然后对这些新得到的数据用传统机器学习方法进行分析;通过在kPCA中利用图数据中的成对约束形式的监督信息,得到基于图核的半监督降维方法。在MUTAG和PTC等标准图数据集上的实验结果验证了所提方法的有效性。     

局部敏感的半监督鉴别分析方法

为解决图像处理中的高维特征在模式分类中带来的问题,提出一种基于半监督学习理论的数据降维方法,称为局部敏感的半监督鉴别分析算法.为能够发现局部的流形结构,算法寻找一个能够最小化类内距离的同时最大化类间距离的投影,并且在最优化过程中充分利用无标签数据,控制局部邻域的散度.在人脸识别数据库和行为数据库中的测试结果表明了该算法是有效的.     

基于成对约束半监督降维的高光谱遥感影像特征提取

半监督降维(Semi\|Supervised Dimensionality Reduction,SSDR)框架下,基于成对约束提出一种半监督降维算法SCSSDR。利用成对样本进行构图,在保持局部结构的同时顾及数据的全局结构。通过最优化目标函数,使得同类样本更加紧凑\,异类样本更加离散。采用UCI数据集对算法进行定量分析,发现该方法优于PCA及传统流形学习算法,进一步的UCI数据集和高光谱数据集分类实验表明:该方法适合于进行分类目的特征提取。     

基于多视图的半监督集成学习方法

针对集成学习方法中分类器差异性不足以及已标记样本少的问题,提出了一种新的半监督集成学习算法,将半监督方法引入到集成学习中,利用大量未标记样本的信息来细化每个基分类器,并且构造差异性更大的基分类器,首先通过多视图方法选取合适的未标记样本,并使用多视图方法将大量繁杂的特征属性分类,使用不同的特征降维方法对不同的视图进行降维,便与输入到学习模型中,同时采用相互独立的学习模型来增加集成的多样性。在UCI数据集上的实验结果表明,与使用单视图数据相比,使用多视图数据可以实现更准确的分类,并且与现有的诸如Boosting、三重训练算法比较,使用差异性更高的基学习器以及引入半监督方法能够有效提升集成学习的性能效果。     

半监督的稀疏保持二维边界Fisher分析降维算法

针对样本集中类别标签样本不足的问题,提出一种半监督的稀疏保持二维边界fisher分析降维算法.首先利用图像像素间的空间结构信息,基于图像矩阵进行降维;然后设计类内散度矩阵和类间散度矩阵,以保持样本间的类内紧凑性和类间分离性;最后通过稀疏保持对特征间的稀疏重构性加以约束,所获得的稀疏重构权重保持了局部几何结构,而且也包含了自然鉴别信息.在YALE,ORL和AR人脸数据库上的实验结果表明,该算法具有很好的分类和识别性能.     

一种利用Universum的半监督分类算法

分类是机器学习领域的重要分支,利用少量的标签数据进行分类和高维数据的分类是近期研究的热点问题。传统的半监督方法能够有效利用标签样本数据或非标签样本数据,但忽略了相关的非样本数据,即Universum。利用Universum的半监督分类算法,基于线性回归和子空间学习模型,结合了传统半监督方法和利用Universum方法两者的优点,在不增加标签数据的条件下显著地提高了高维数据的分类效果。仿真实验和真实数据上的分类结果都验证了算法的有效性。     

一种结合主动学习的半监督文档聚类算法

半监督文档聚类,即利用少量具有监督信息的数据来辅助无监督文档聚类,近几年来逐渐成为机器学习和数据挖掘领域研究的热点问题.由于获取大量监督信息费时费力,因此,国内外学者考虑如何获得少量但对聚类性能提高显著的监督信息.提出一种结合主动学习的半监督文档聚类算法,通过引入成对约束信息指导DBSCAN的聚类过程来提高聚类性能,得到一种半监督文档聚类算法Cons-DBSCAN.通过对约束集中所含信息量的衡量和对DBSCAN算法本身的分析,提出了一种启发式的主动学习算法,能够选取含信息量大的成对约束集,从而能够更高效地辅助半监督文档聚类.实验结果表明,所提出的算法能够高效地进行文档聚类.通过主动学习算法获得的成对约束集,能够显著地提高聚类性能.并且,算法的性能优于两个代表性的结合主动学习的半监督聚类算法.     

基于流形距离的半监督判别分析

大量无类别标签的数据具有对分类有用的信息,有效地利用这些信息来提高分类精确度,是半监督分类研究的主要内容.提出了一种基于流形距离的半监督判别分析(semi-supervised discriminant analysis based on manifold distance,简称SSDA)算法,通过定义的流形距离,能够选择位于流形上的数据点的同类近邻点、异类近邻点以及全局近邻点,并依据流形距离定义数据点与其各近邻点之间的相似度,利用这种相似度度量构造算法的目标函数.通过在ORL,YALE人脸数据库上的实验表明,与现有算法相比,数据集通过该算法降维后,能够使基于距离的识别算法具有更高的分类精确度.同时,为了解决非线性降维问题,提出了Kernel SSDA,同样通过实验验证了算法的有效性.     

双层随机游走半监督聚类

半监督聚类旨在根据用户给出的必连和不连约束,把所有数据点划分到不同的簇中,从而获得更准确、更加符合用户要求的聚类结果.目前的半监督聚类算法大多数通过修改已有的聚类算法或者结合度规学习,使聚类结果与点对约束尽可能地保持一致,却很少考虑点对约束对周围无约束数据的显式影响程度.提出一种由在顶点上的低层随机游走和在组件上的高层随机游走两部分构成的双层随机游走半监督聚类算法,其中,低层随机游走主要负责计算选出的约束顶点对其他顶点的影响范围和影响程度,称为组件;高层随机游走则进一步将各个点对约束以自适应的强度在组件上进行约束传播,把它们在每个顶点上的影响综合在一个簇指示矩阵中.UCI数据集和大型真实数据集上的实验结果表明,双层随机游走半监督聚类算法比其他半监督聚类算法更准确,也比较高效.     

调整聚类假设联合成对约束半监督分类方法

当不同类别的样本严重重叠在分类边界时,由于聚类假设不能很好地反映出数据的真实分布,基于聚类假设的半监督分类方法的性能,可能比与之对立的监督分类方法更差。针对上述不安全的半监督分类问题,提出了调整聚类假设联合成对约束半监督分类方法（ACA-JPC-S3VM）。一方面,它将单个未标记样本到数据分布边界的距离融入到模型的学习中,能够一定程度上缓解此类情况下算法性能的下降程度;另一方面,它将成对约束信息引入,弥补了模型对监督信息利用方面的不足。在UCI数据集上的实验结果表明,ACA-JPC-S3VM方法的性能绝不会低于支持向量机（SVM）,且在标记样本数量为10时的平均准确率较SVM高出5个百分点;在图像分类数据集上的实验结果表明,直推式支持向量机（TSVM）等半监督分类方法出现了不同程度的不安全学习情形（即性能相近或低于SVM）,而ACA-JPC-S3VM却能安全地学习。因此,ACA-JPC-S3VM具有更好的安全性与正确性。     

基于贝叶斯网络的半监督聚类集成模型

已有的聚类集算法基本上都是非监督聚类集成算法,这样不能利用已知信息,使得聚类集成的准确性、鲁棒性和稳定性降低。把半监督学习和聚类集成结合起来,设计半监督聚类集成模型来克服这些缺点。主要工作包括:第一,设计了基于贝叶斯网络的半监督聚类集成(semi-supervised cluster ensemble,简称SCE)模型,并对模型用变分法进行了推理求解;第二,在此基础上,给出了EM(expectation maximization)框架下的具体算法;第三,从UCI(University of Califor     

基于权值多样性的半监督分类算法

在实际生活中,可以很容易地获得大量系统数据样本,却只能获得很小一部分的准确标签。为了获得更好的分类学习模型,引入半监督学习的处理方式,对基于未标注数据强化集成多样性（UDEED）算法进行改进,提出了UDEED⁺——一种基于权值多样性的半监督分类算法。UDEED⁺主要的思路是在基学习器对未标注数据的预测分歧的基础上提出权值多样性损失,通过引入基学习器权值的余弦相似度来表示基学习器之间的分歧,并且从损失函数的不同角度充分扩展模型的多样性,使用未标注数据在模型训练过程中鼓励集成学习器的多样性的表示,以此达到提升分类学习模型性能和泛化性的目的。在8个UCI公开数据集上,与UDEED算法、S4VM（Safe Semi-Supervised Support Vector Machine）和SSWL（Semi-Supervised Weak-Label）半监督算法进行了对比,相较于UDEED算法,UDEED⁺在正确率和F1分数上分别提升了1.4个百分点和1.1个百分点;相较于S4VM,UDEED⁺在正确率和F1分数上分别提升了1.3个百分点和3.1个百分点;相较于SSWL,UDEED⁺在正确率和F1分数上分别提升了0.7个百分点和1.5个百分点。实验结果表明,权值多样性的提升可以改善UDEED⁺算法的分类性能,验证了其对所提算法UDEED⁺的分类性能提升的正向效果。