機(jī)械學(xué)習(xí)——類比學(xué)習(xí).ppt

引言 機(jī)械學(xué)習(xí)是一種單純依靠記憶學(xué)習(xí)材料 而避免去理解其復(fù)雜內(nèi)部和主題推論的學(xué)習(xí)方法 平時(shí)多稱為死記 死背或死記硬背 由美國(guó)心理學(xué)家奧蘇伯爾提出與機(jī)械學(xué)習(xí)相對(duì)的有意義學(xué)習(xí)概念 指符號(hào)所代表的新知識(shí)與學(xué)習(xí)者認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有的知識(shí)建立非實(shí)質(zhì)性的和人為的聯(lián)系 這個(gè)理念也可以被描述為類比學(xué)習(xí) 這是一種很重要 很有效的學(xué)習(xí)方略 運(yùn)用類比 可迅速地把新舊知識(shí)進(jìn)行對(duì)比 聯(lián)系 可迅速發(fā)現(xiàn)同中的異 更加清晰地理解知識(shí) 找出異中的同 構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò) 內(nèi)容提要 一 什么是類比學(xué)習(xí)二 類比學(xué)習(xí)的泛化規(guī)則三 轉(zhuǎn)換類比學(xué)習(xí)四 派生類比學(xué)習(xí)五 聯(lián)想類比學(xué)習(xí)六 類比學(xué)習(xí)方法七 類比學(xué)習(xí)法種類八 類比創(chuàng)意設(shè)計(jì)碩果 一 類比學(xué)習(xí) learningbyanalogy 一 類比學(xué)習(xí) 類比學(xué)習(xí)是把兩個(gè)或兩類事物或情形進(jìn)行比較 找出它們?cè)谀骋粚?duì)象層上的相似關(guān)系 并以這種關(guān)系為依據(jù) 把某一事物或情形的有關(guān)知識(shí)加以適當(dāng)整理 或變換 對(duì)應(yīng)到另一事物或情況 從而獲得求解另一事物或情形的知識(shí) 類比 類比是人類應(yīng)用過去的經(jīng)驗(yàn)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(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)類比問題求解系統(tǒng)可以使計(jì)算機(jī)也具有創(chuàng)造性思維 三 類比學(xué)習(xí)的過程 1 聯(lián)想搜索匹配2 檢驗(yàn)相似程度3 修正變換求解4 更新知識(shí)庫(kù) 四 類比學(xué)習(xí)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(cè)度及計(jì)算方法如何確定3 如何搜索相似的問題4 怎樣找出對(duì)應(yīng)關(guān)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(shí)庫(kù) 二 類比學(xué)習(xí)的泛化規(guī)則 獲取解的一般過程 插曲記憶組織與重構(gòu) T操作符的改善與獲取 獲取解的一般過程1 類比器產(chǎn)生一個(gè)新問題后 若經(jīng)過測(cè)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(chǎn)生一條規(guī)則 能指導(dǎo)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(duì)反例容易與正例混淆的分析可以提出范化規(guī)則結(jié)構(gòu)的正例 5 當(dāng)類比器無法求解時(shí)獲得的信息可作為加強(qiáng)或產(chǎn)生相似性測(cè)度的正例或反例 作為反例去改進(jìn)相似性測(cè)度 插曲記憶組織與重構(gòu)目的是為了改進(jìn)相似性 差異測(cè)度的精確性和對(duì)經(jīng)驗(yàn) 解的記憶的構(gòu)造和檢索 采用的方法是以失敗驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行差異測(cè)度調(diào)準(zhǔn) 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(gè)入口 一些入口僅對(duì)應(yīng)于該操作的失敗例子 則刪除這些入口 3 若某個(gè)入口對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)換類比學(xué)習(xí) 實(shí)現(xiàn) 遇到新問題 將新問題映射到原先已經(jīng)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(dǎo)出解決該問題的方法 則在該方法的基礎(chǔ)上通過匹配和轉(zhuǎn)換 得到新問題的解決方法 四 派生類比學(xué)習(xí) 實(shí)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(chǔ)上 抽象出解決方法 同時(shí) 新問題又能重新引導(dǎo)出另一個(gè)原先已解決的問題 即派生出另一個(gè)問題 而又能從該問題中得出新的解決方法 此時(shí)便可以類比兩個(gè)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(xué)習(xí) 聯(lián)想類比學(xué)習(xí) 是把已知領(lǐng)域 源系統(tǒng) 的知識(shí)聯(lián)想到未知領(lǐng)域 目標(biāo)系統(tǒng) 的類比方法 是一種綜合的類比推理方法 1 同構(gòu)相似聯(lián)想2 同態(tài)相似聯(lián)想3 接近聯(lián)想4 對(duì)比聯(lián)想5 模糊聯(lián)想 聯(lián)想類比條件 六 類比學(xué)習(xí)方法 最典型的類比學(xué)習(xí)方法是K 最近鄰方法 它屬于懶散學(xué)習(xí)法 相比決策樹等急切學(xué)習(xí)法 具有訓(xùn)練時(shí)間短 但分類時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn) 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(xué)習(xí)方法則可以應(yīng)用到數(shù)據(jù)挖掘的分類中 基于案例學(xué)習(xí)的分類計(jì)數(shù)的基本思想是 當(dāng)對(duì)一個(gè)新案例進(jìn)行分類時(shí) 通過檢查已有的訓(xùn)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(gè)新案例的可能解 七 類比學(xué)習(xí)法種類 類比學(xué)習(xí)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(duì)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(duì)象相類似的東西或事物 進(jìn)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(zhǎng)有齒的蝗蟲板牙能咬斷青草獲得直接類比實(shí)現(xiàn)的 2 擬人類比 即使創(chuàng)意對(duì)象 擬人化 這種類比就是創(chuàng)意者使自己與創(chuàng)意對(duì)象的某種要素認(rèn)同 一致 自我進(jìn)入 角色 體現(xiàn)問題 產(chǎn)生共鳴 以獲得創(chuàng)意 如 凱庫(kù)勒夢(mèng)見一條蛇咬住自己的尾巴 由此提出了苯分子環(huán)狀結(jié)構(gòu)理論 3 象征類比 這是一種借助事物形象或象征符號(hào) 表示某種抽象概念或情感的類比 如 麥克斯韋用數(shù)學(xué)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(shí)的理想 夢(mèng)幻或完美的事物類比創(chuàng)意對(duì)象的創(chuàng)意思維法 如 在凡爾納的小說中有霓虹燈 可移動(dòng)的人行道 空調(diào)機(jī) 摩天大樓 坦克 電子操縱潛艇 導(dǎo)彈 在20世紀(jì) 這些東西都化為了現(xiàn)實(shí) 5 因果類比 兩個(gè)事物的各個(gè)事物之間可能存在著同一種因果關(guān)系 如 在合成樹脂中加入發(fā)泡劑 可得到質(zhì)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(guān)系 在水泥中加入一種發(fā)泡劑 結(jié)果發(fā)明了既質(zhì)輕又隔熱 隔音的氣泡混凝土 6 對(duì)稱類比 自然界和人造物中有許多事物或東西都有對(duì)稱的特點(diǎn) 如 物理學(xué)家狄拉克從描述自由電子運(yùn)動(dòng)的方程中 得出正負(fù)對(duì)稱的兩個(gè)能量解 知道了電荷正負(fù)的對(duì)稱性 狄拉克又從對(duì)稱類比中 提出了存在正電子的對(duì)稱解 結(jié)果被實(shí)踐證實(shí)了 7 仿生類比 人在創(chuàng)意 創(chuàng)造活動(dòng)中 常將生物的某些特性運(yùn)用到創(chuàng)意 創(chuàng)造上 如 仿鳥類展翅飛翔 造出了具有機(jī)翼的飛機(jī) 8 綜合類比 事物屬性之間的關(guān)系雖然很復(fù)雜 但可以綜合它們相似的特征進(jìn)行類比 如 設(shè)計(jì)一架飛機(jī) 先做一個(gè)模型放在風(fēng)洞中進(jìn)行模擬飛行試驗(yàn) 就是綜合了飛機(jī)飛行中的許多特征進(jìn)行類比 八 類比創(chuàng)意設(shè)計(jì)碩果 歷史上 許多重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn) 技術(shù)發(fā)明和文學(xué)藝術(shù)創(chuàng)作 都是運(yùn)用類比創(chuàng)意技法的碩果 在科學(xué)領(lǐng)域 惠更斯提出的光的波動(dòng)說 就是與水的波動(dòng) 聲的波動(dòng)類比而發(fā)的 歐姆將其對(duì)電的研究和傅里葉關(guān)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(yù)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(shù)領(lǐng)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(jī)器又把通信工程信息和自動(dòng)控制工程的反饋概念引入活的有機(jī)體 從而創(chuàng)立了控制論 皮卡爾父子利用平流層理論先設(shè)計(jì)平流層氣球飛過15690米高空 又通過類比設(shè)計(jì)出世界上下潛深度