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《浙江大学》 2010年
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基因表达式编程理论及其监督机器学习模型研究

张克俊  
【摘要】:基因表达式编程是进化算法的新成员,虽然得到了广泛而深入的应用研究,但至今尚未有系统和完善的理论研究成果,还无法揭示其运行的数学机理,对于一些关键技术的改进也就缺少了理论支撑,这对基因表达式编程和进化算法的研究和发展都是非常不利的。此外,目前经典的机器学习方法在解决分类和复杂函数关系发现问题时所构建的监督机器学习模型,在可理解性、精度以及泛化能力上,还存在诸多问题。 有鉴于此,本文对基因表达式编程理论和关键技术进行了系统的研究。首先,通过分析基因表达式编程的运行机理,利用一系列的数学推理,构建了基因表达式编程的模式理论,给出了基因表达式编程的基因块假设,分析了基因表达式编程的模式收敛性,其次,基于模式定理成立的必要条件,提出了自适应遗传算子的设计方案。最后,在理论研究的基础上,对基本基因表达式编程中的染色体生成、个体解码求值等关键技术提出了改进方法,进行了理论和实验分析后给出了改进的基因表达式编程算法。 在监督机器学习模型研究方面,为了提高学习模型的噪声数据处理能力和泛化能力本文基于改进的基因表达式编程算法构建了监督机器学习模型,对算法的适应值函数和算法提前终止条件进行了重点研究,并通过两类分类、多维分类、复杂函数关系发现问题等实验对此监督机器学习模型的有效性进行了验证。 本文的主要研究成果包括: (1)证明了基因表达式编程有效的同时为更深入地研究基因表达式编程奠定了理论基础。本文通过研究和分析遗传算法、进化规划、进化编程、遗传编程、基因表达式编程各自的特点,对基因表达式编程进行了形式化定义,在此基础上,证明了个体编码的合法性,给出了基因模式和基因表达式编程模式的定义,通过一系列的数学推理过程,构建了基因表达式编程的模式理论,给出了基因表达式编程的模式定理和基因块假设,利用数学分析的方法揭示了基因表达式编程的运行机理,最后,给出了基因表达式编程的模式收敛性证明,指出了采用精英保留策略可以防止基因表达式编程中最优模式丢失的问题。 (2)提出了自适应遗传算子方案。本文深入研究了优势模式在相关遗传算子作用下的存活概率,给出了基因表达式编程模式定理成立的必要条件,在满足模式定理成立的必要条件下,对遗传策略和遗传算子的参数设计进行了研究,指出了相关遗传算子的参数选择上限,并提出了自适应遗传算子设计方案,最后就自适应变异算子进行了相关实验研究,验证了自适应遗传算子设计方案的可行性; (3)提出了改进的基因表达式编程算法。本文在理论分析的基础上,结合实验研究,对基本基因表达式编程中的染色体生成、多样化种群、个体解码求值等关键技术提出了改进方法,给出了相异结构染色体生成、个体快速解码求值等算法,并进行了相关理论和实验分析,最后,基于这些改进思想给出了改进的基因表达式编程算法; (4)构建了有效的监督机器学习模型。本文基于改进的基因表达式编程算法构建了监督机器学习模型,用于解决分类和复杂函数关系发现问题。通过构造独特的适应值函数和交叉验证方法来获得改进的基因表达式编程算法的提前终止条件,提高了所构建的机器学习模型的噪声数据处理能力和泛化能力。Monk's problems、乳腺X光片微钙化点检测、wine recognition、复杂函数关系发现、定量构效关系建模等相关实验结果进一步验证了此机器学习模型的有效性。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP181

【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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10 常俊林;魏巍;梁君燕;;基于支持向量机的SURF改进算法[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年
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2 樊建聪;分布估计学习算法研究[D];山东科技大学;2010年
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2 吴香庭;基于遗传算法的K-means聚类方法的研究[D];山东科技大学;2010年
3 朱耿峰;支持向量机在冲击地压预测模型中的应用研究[D];山东科技大学;2010年
4 张增银;基因表达式编程与HMM融合技术应用研究[D];广西师范学院;2010年
5 程慧;基于神经网络的两类问题研究[D];广西师范学院;2010年
6 蔡宏果;基于基因表达式编程的Web个性化推荐技术研究[D];广西师范学院;2010年
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8 李朋勇;基于全矢高阶谱的故障诊断方法及其应用研究[D];郑州大学;2010年
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10 辛保兵;既有预应力混凝土梁桥剩余承载力评估方法研究[D];郑州大学;2010年
【同被引文献】
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1 张春潜;王洪亮;武江伟;;一种改进的GEP算法在函数优化中的应用[J];兵工自动化;2010年04期
2 向勇;唐常杰;朱明放;陈瑜;代术成;;内嵌基因表达式编程及其在函数发现中的应用[J];电子科技大学学报;2011年01期
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1 张丽霞;建设工程项目承包商索赔研究[D];河海大学;2006年
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1 贺为民;FIDIC合同条件下国际工程索赔的法律研究[D];郑州大学;2003年
2 任红梅;国际工程施工索赔识别研究[D];重庆大学;2003年
3 张小建;基于过程控制的建筑施工索赔研究[D];浙江大学;2004年
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【二级引证文献】
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【二级参考文献】
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4 刘秀罗 刘宝宏;数字化真实世界[N];计算机世界;2001年
5 温秀;不忘小平[N];中国经营报;2004年
6 曹红辉;美国风险投资家是如何炼金的?[N];中华读书报;2004年
7 盛群力 浙江大学教育学院教授,浙江省人民政府教育督学;“学优生”与“学困生”,差别在哪里[N];中国教育报;2009年
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10 赵林捷;企业创新网络中组织间学习研究[D];中国科学技术大学;2007年
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1 李志强;计算机辅助语言学习环境下的自主语言学习[D];江西师范大学;2005年
2 肖力维;组织学习模型的研究[D];华东师范大学;2003年
3 杨森;基于Appleton学习模型的科学迷思概念转变策略实验研究[D];宁波大学;2012年
4 杨磊;基于博弈学习理论的发电商报价策略研究[D];华北电力大学(北京);2006年
5 杨彦超;认知无线网络离线学习技术研究[D];西南科技大学;2012年
6 黄欣钰;虚拟学习社区中知识管理的研究与实践[D];华东师范大学;2008年
7 何文孝;PBL的学习模型研究[D];西南师范大学;2005年
8 何清泉;基于公平思考的博弈学习模型及其实验研究[D];中南大学;2006年
9 沈虹;Spiking神经网络及其应用研究[D];南京工业大学;2006年
10 段爱华;基于DFL的Agent自主学习模型及其应用研究[D];苏州大学;2005年
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