竞争性自适应重加权算法(CARS)的MATLAB实现

news/2025/11/3 9:44:37/文章来源:https://www.cnblogs.com/m877087643/p/19186119

一、算法实现

function [bestVars, bestRMSE] = CARS(X, y, numSamples, numCV, maxVars)% 输入参数:% X: 输入数据矩阵 (样本数×变量数)% y: 响应变量向量 (样本数×1)% numSamples: 蒙特卡洛采样次数% numCV: 交叉验证折数% maxVars: 最大主成分数[nSamples, nVars] = size(X);A = min([nSamples, maxVars]);  % 最大主成分数% 初始化参数W = zeros(nVars, numSamples);RMSECV = zeros(numSamples, 1);% 主循环for iter = 1:numSamples% 蒙特卡洛采样(80%训练集)idx = randperm(nSamples);trainIdx = idx(1:round(0.8*nSamples));testIdx = idx(round(0.8*nSamples)+1:end);% PLS建模[Xcal, Xval, ycal, yval] = splitData(X, y, trainIdx, testIdx);[B, ~, ~, ~] = plsregress(Xcal, ycal, A);% 计算回归系数权重w = abs(B(1:end-1, end));W(:, iter) = w / sum(w);  % 归一化% 自适应重加权采样keepRatio = 0.3;  % 保留比例numKeep = round(keepRatio * nVars);[~, sortedIdx] = sort(w, 'descend');selectedVars = sortedIdx(1:numKeep);% 交叉验证评估cvModel = fitrpls(X(:,selectedVars), y, 'CVPartition', cvpartition(nSamples,'KFold',numCV));RMSECV(iter) = kfoldLoss(cvModel);end% 选择最优子集[~, bestIter] = min(RMSECV);bestVars = find(W(:, bestIter) > 0);bestRMSE = RMSECV(bestIter);
end%% 辅助函数:数据分割
function [Xtrain, Xtest, ytrain, ytest] = splitData(X, y, trainIdx, testIdx)Xtrain = X(trainIdx, :);Xtest = X(testIdx, :);ytrain = y(trainIdx);ytest = y(testIdx);
end

二、测试案例(XRF光谱分析)

% 加载示例数据(土壤重金属检测)
load('soil_spectrum.mat');  % 包含X(光谱)和y(重金属含量)% 参数设置
numSamples = 200;
numCV = 5;
maxVars = 50;% 运行CARS算法
[bestVars, bestRMSE] = CARS(X, y, numSamples, numCV, maxVars);% 结果可视化
figure;
subplot(2,1,1);
stem(bestVars, 'r', 'LineWidth', 1.5);
xlabel('变量索引'); ylabel('选择次数');
title('变量选择频率分布');subplot(2,1,2);
plot(1:numSamples, bestRMSE*ones(numSamples,1), 'b-o');
xlabel('迭代次数'); ylabel('RMSECV');
title('最优模型性能');

三、算法优化

  1. 动态权重调整

    引入指数衰减函数优化变量保留比例:

    mu = (nVars/2)^(1/(numSamples-1));
    k = log(nVars/(2)) / (numSamples-1);
    keepRatio = mu * exp(-k*iter);
    
  2. 并行计算加速

    使用parfor加速蒙特卡洛采样:

    parfor iter = 1:numSamples% 并行执行采样和建模
    end
    
  3. GPU加速

    对大规模数据使用GPU计算:

    X_gpu = gpuArray(X);
    % 后续计算使用gpuArray操作
    

参考代码 竞争性自适应重加权算法 www.youwenfan.com/contentcsk/79180.html

四、应用场景

  1. 光谱特征提取

    % 高光谱图像分析(示例)
    hyperspectralData = load('hypercube.mat');
    [selectedBands, ~] = CARS(hyperspectralData, labels, 300, 10, 20);
    
  2. 工业过程监控

    % 过程变量优化(示例)
    processVars = load('process_data.mat');
    [keyVars, rmse] = CARS(processVars.X, processVars.y, 200, 5, 15);
    

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