6),可分别用000.001、010、011、100、101对“A,E,R,T,F,D”进行编码发送,当对方接收报文时再按照三位一分进行译码显然编码的长度取决报文中不同字符的个数,若报文中可能出现26个不同字符,则固定编码长度为5(2=32>26).然而,传送报文时总是希望总长度尽可能短.在实际应用中,各个字符的出现频度或使用次数是不相同的,如A、B、C的使用频率远远高于X、Y、7,自然会想到设计编码时,让使用频率高的用短码,使用频率低的用长码,以优化整个报文编码.为使不等长编码为前缀编码(即要求一个字符的编码不能是另一个字符編码的前缀),可用字符集中的每个宇符作为叶子结点生成一棵编码二叉树,为了获得传送报文的最短长度,可将每个字符的岀现频率作为字符结烹的权值赋予该结点上,显然字使用频率越小权值越小,权值越小叶子就越靠下,于是颎率小编码长,频率高编码短,这样就保证了此树的最小带权路径长度,效果上就是传送报文的最短长度.因此,求传送报文的最短长度问题转化为求由字符集中的所有字符作为叶子结点,由字符出现频率作为其权值所产生的Hman树的问题.利用Hultman树设计的二进制前缀編码,称为LuminaL编码,它既能满足前缀编码的条件,又能保证报文编码总长最短本文将介绍的word2ve工具中也将用到Huffman编码,它把训练语料中的词当成叶子缩点,其在语料中出现的次数当作权值,通过构造相应的Huttman树来对每一个词进行Huffman编码图3给岀了例2.1中六个词的Huffman编码,其中约定(词频较大的)左孩子结点编码为1,(词频较小的)石孩子编码为θ.这惮一米,“我”、“喜欢”、“观看”、“巴西”、“足球”、“世界杯”这六个词的Huffman编码分别为0.111,110,101,1001和10000我告欢巴匹0足球图3Huffman编码示意图注意,到目前为止,关于Huttman树和Huttman編码,有两个约定:(1)将权值大的结点作为左孩子结点,权值小的作为右孩子结点(2)左孩子结点编码为1,右孩子结点编码为0.在word2vec源码中将权值较大的孩子结点编码为1,较小的孩子结点编码为0.为与上述约定统一起见,下文中提到的“左孩了结点"都是指权值较大的孩了结点83背景知识word2vec是用来生成词向量的工具,而词向量与语言模型有着密切的关系,为此,不妨先了解一些语言模型方面的知识83.1统计语言模型当今的互联网迅猛发展,每天都在产生大量的文本、图片、语音和视频数据,要对这些数据进行处理并从中挖掘岀有价值的信息,离不开自然语言处理(NatureLanguageprocessing,NP)技术,其中统计语言模型(Statisticallanguagemodel)就是很重要的一环,它是所有NLP的基础,被广泛应用于语音识别、机器翻译、分词、词性标注和信息检索等任务.例.1在语音识别糸统中,对于给定的语音段Vire,霄要找到一个使概率p(TertVoice最大的文本段Tert.利用Bayes公式,有P(Teatvoice)p(VoiceText).p(Textp(Voice)其中p(CicetE.c)为声学模型,而elEct)为语言模型(18])简单地说统计语言模型是用来计算一个句子的概率的概率模驷,它通常基于一个语料库来构建.那什么叫做一个句子的概率呢?假设W=m1:=(m1,2,…,mr)表示由T个词,2,……,按顺序构成的一个句子,则1,c2…,w的联合慨率p()=p(x1)=p(01,t2,…,r)就是这个句子的概率利用Bayes公式,上式可以被链式地分解为p(uh)-p(1)·p(u2lu1)p(u3lu2)…p(wru-1),(3.1)其中的(条件)概率p(1),p(2t1),p(un),…,p(mr1-)就是语言模型的参数,若这些参数已经全部算得,那么给定一个句子U1,就可以很快地算出相应的p(1)了看起来奷像很简单,是吧?但是,具体实现起来还是有点麻烦.例如.先来看看模型参数的个数.剛刚才是考虑一个给定的长度为T的句子,就需要计算T个参数.不妨假设语料库对应词典D的大小(即词汇量)为N,那么,如果考虑长度为T的任意句子,理论上就有M种可能.而每种可能都要计算T个参数,总共就需要计算TN7个参数.当然,这里只是简单估算,并没有考虑重复参数,但这个量级还是有蛮吓人.此外,这些概率计算好后,还得保存下来,因此,存储这些信息乜需要很大的內存开销此外,这些参数如何计算呢?常见的方法有n-gram模型、决策树、最大熵模型、最大熵马尔科夫模型、条件随机场、神经网络等方法,本文只讨论n-gram模型和神经网络两种方法.首先来看看n-gram模型-IMDN开发者社群-imdn.cn"> 6),可分别用000.001、010、011、100、101对“A,E,R,T,F,D”进行编码发送,当对方接收报文时再按照三位一分进行译码显然编码的长度取决报文中不同字符的个数,若报文中可能出现26个不同字符,则固定编码长度为5(2=32>26).然而,传送报文时总是希望总长度尽可能短.在实际应用中,各个字符的出现频度或使用次数是不相同的,如A、B、C的使用频率远远高于X、Y、7,自然会想到设计编码时,让使用频率高的用短码,使用频率低的用长码,以优化整个报文编码.为使不等长编码为前缀编码(即要求一个字符的编码不能是另一个字符編码的前缀),可用字符集中的每个宇符作为叶子结点生成一棵编码二叉树,为了获得传送报文的最短长度,可将每个字符的岀现频率作为字符结烹的权值赋予该结点上,显然字使用频率越小权值越小,权值越小叶子就越靠下,于是颎率小编码长,频率高编码短,这样就保证了此树的最小带权路径长度,效果上就是传送报文的最短长度.因此,求传送报文的最短长度问题转化为求由字符集中的所有字符作为叶子结点,由字符出现频率作为其权值所产生的Hman树的问题.利用Hultman树设计的二进制前缀編码,称为LuminaL编码,它既能满足前缀编码的条件,又能保证报文编码总长最短本文将介绍的word2ve工具中也将用到Huffman编码,它把训练语料中的词当成叶子缩点,其在语料中出现的次数当作权值,通过构造相应的Huttman树来对每一个词进行Huffman编码图3给岀了例2.1中六个词的Huffman编码,其中约定(词频较大的)左孩子结点编码为1,(词频较小的)石孩子编码为θ.这惮一米,“我”、“喜欢”、“观看”、“巴西”、“足球”、“世界杯”这六个词的Huffman编码分别为0.111,110,101,1001和10000我告欢巴匹0足球图3Huffman编码示意图注意,到目前为止,关于Huttman树和Huttman編码,有两个约定:(1)将权值大的结点作为左孩子结点,权值小的作为右孩子结点(2)左孩子结点编码为1,右孩子结点编码为0.在word2vec源码中将权值较大的孩子结点编码为1,较小的孩子结点编码为0.为与上述约定统一起见,下文中提到的“左孩了结点"都是指权值较大的孩了结点83背景知识word2vec是用来生成词向量的工具,而词向量与语言模型有着密切的关系,为此,不妨先了解一些语言模型方面的知识83.1统计语言模型当今的互联网迅猛发展,每天都在产生大量的文本、图片、语音和视频数据,要对这些数据进行处理并从中挖掘岀有价值的信息,离不开自然语言处理(NatureLanguageprocessing,NP)技术,其中统计语言模型(Statisticallanguagemodel)就是很重要的一环,它是所有NLP的基础,被广泛应用于语音识别、机器翻译、分词、词性标注和信息检索等任务.例.1在语音识别糸统中,对于给定的语音段Vire,霄要找到一个使概率p(TertVoice最大的文本段Tert.利用Bayes公式,有P(Teatvoice)p(VoiceText).p(Textp(Voice)其中p(CicetE.c)为声学模型,而elEct)为语言模型(18])简单地说统计语言模型是用来计算一个句子的概率的概率模驷,它通常基于一个语料库来构建.那什么叫做一个句子的概率呢?假设W=m1:=(m1,2,…,mr)表示由T个词,2,……,按顺序构成的一个句子,则1,c2…,w的联合慨率p()=p(x1)=p(01,t2,…,r)就是这个句子的概率利用Bayes公式,上式可以被链式地分解为p(uh)-p(1)·p(u2lu1)p(u3lu2)…p(wru-1),(3.1)其中的(条件)概率p(1),p(2t1),p(un),…,p(mr1-)就是语言模型的参数,若这些参数已经全部算得,那么给定一个句子U1,就可以很快地算出相应的p(1)了看起来奷像很简单,是吧?但是,具体实现起来还是有点麻烦.例如.先来看看模型参数的个数.剛刚才是考虑一个给定的长度为T的句子,就需要计算T个参数.不妨假设语料库对应词典D的大小(即词汇量)为N,那么,如果考虑长度为T的任意句子,理论上就有M种可能.而每种可能都要计算T个参数,总共就需要计算TN7个参数.当然,这里只是简单估算,并没有考虑重复参数,但这个量级还是有蛮吓人.此外,这些概率计算好后,还得保存下来,因此,存储这些信息乜需要很大的內存开销此外,这些参数如何计算呢?常见的方法有n-gram模型、决策树、最大熵模型、最大熵马尔科夫模型、条件随机场、神经网络等方法,本文只讨论n-gram模型和神经网络两种方法.首先来看看n-gram模型 - IMDN开发者社群-imdn.cn">
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word2vec_中的数学原理详解

于 2020-12-04 发布
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word2vec_中的数学原理详解个人收集电子书,仅用学习使用,不可用于商业用途,如有版权问题,请联系删除!wordzvec中的数学hoty@163.com2014年7月目录前言2预备知识2.1 sigmoid函数2.2逻辑回归3 Bayes公式2.4 Huffman编码,,,,,,,,524.1Humu树242 Huttman树的构造62.4.3 Huffman编码..,.3背景知识3.1统计语言模3.2n-gram模型103.3神经概率语言模型123.4词向量的理解4基于 Hierarchical softmanⅹ的模型41CBOW模型..191.1.1网络结构41.2梯度计算201.2 Skip-gram模型42.1网络结构42.2梯度计算255基于 Negative sampling的模型285.1CBOW模型285.2 Skip-gram模型53负采样算法326若干源码细节346.1a(x)的近似计算62词典的存储63换行符3564低频词和高频词366.5窗口及上下文3766自应学习率3767参数初始化与训练386.8多线程并行3869几点疑问和思考11m3881前言word2vec是 Google于2013年开源推出的一个用于获取 word vector的工具包,它简单、高效,因此引起了很多人的关注,由于word2vec的作者 Tomas nikolov在两篇相关的论文(,[4)中并没有谈及太多算法细节,因而在一定程度上增加了这个工具包的神秘感些按捺不住的人于是选择了通过解剖源代码的方式来一窥究竟第一次接触word2ve是2013年的10月份,当时读了复且大学郑骁庆老师发表的论文7,其主要工作是将SENA的那套算法(8])搬到中文场景.觉得挺有意思,于是做了一个实现(可参见[20),但苦于其中字向量的训练时间太长,便选择使用word2we来提供字向量,没想到中文分词效果还不错,立马对word2vec刮目相看了一把,好奇心也随之增长后来.陆陆续续看到∫word2ve的一些具体应用,而 lomas nikolov团队本身也将其推广到了句子和文档(),因此觉得确实有必要对word2vec里的算法原理做个了解,以便对他们的后续研究进行追踪.于是,沉下心来,仔细读了一回代码,算是基本搞明臼里面的做法了.筼一个感觉就是,“明明是个很简单的浅层结构,为什么被那么多人沸沸扬扬地说成是Decp Learning呢?”解剖word2vec溟代码的过程中,除了算法层面的收获,其实编程技巧方面的收获乜颇多.既然花了功夫来读代码,还是把理解到的东西整理成文,给有需要的朋友提供点参考吧在整理本文的过程中,和深度学习群的群友北流浪子(15,16)进行了多次有益的讨论在比表示感谢另外,也参考了其他人的一些资料,鄱列在参考文献了,在此对他们的工作也并表示感谢2预备知识本节介绍word2vee中将用到的些重要知识点,包括 sigmoid函数、 Beyes公式和Huffman编码等821 sigmoid函数sigmoid函数是神经网络中常用的激活函数之一,其定义为1+e该函数的定义域为(-x,+x),值域为(0,1).图1给出了 sigmoid函数的图像0.5图1 sigmoid函数的图像sigmoid数的导函数具有以下形式)=0(x)1-0(x)由此易得,函数logo(a)和log(1-0(x)的导函数分别为log o(a)(21)公式(2.1)在后面的推寻中将用到822逻辑回归生活中经常会碰到二分类问题,例如,某封电子邮件是否为垃圾邮件,某个客户是否为在客户,某次在线交易是舌仔在诈行为,等等.设{(x,)}1为一个二分类问题的样本数据,其中x∈R",∈{0,1},当1=1时称相应的样本为正例,当v=0时称相应的样本为负例利用 sigmoid函数,对于任意样木x=(x1,x2,…,xn),可将二分类问题的 hypothesis函数写成h(x)=0(o+61x1+622+…+nxn),其中0=(0o,01,…,O)为待定参数.为了符号上简化起见,引入x0=1将x扩展为(x0,x1,x2,…,xrn)},且在不引起混淆的情况下仍将其记为ⅹ.于是,he可简写为取阀值T-0.5,则二分类的判别公式为1,b(x)≥0.5y(x0.5那参数θ如何求呢?通常的做法是,先确定一个形如下式的整体损失函数∑co(x,v)然后对其进行优化,从而得到最优的參数θ实际应用中,单个样本的损失函数cost(x,)常取为对数似然函数cosl(xi, yi)),v-1;(1-(x),v=0注意,上式是一个分段函数,也可将其写成如下的整体表达式cost(x2,3)=·log(ho(x)(1y1)·log(1h(x)323 Baves公式贝叶斯公式是英国数学家贝叶斯( Thomas Bayes)提出来的,用来描述两个条件概率之间的关系.若记P(A),P(B)分别表示事件A和事件B发生的概率,P(AB)我示事件B发生的情况下事件4发生的慨率P(A,B)表示事A.B同时发生的概率.则有P(AB)P(B), P(BLA)=P(A, B)P(A, B利用上式,进一步可得P(B AP(AB)-P(A)P(B)这就是 Bayes公式g2.4 Huffman编码本节简单介绍Humn编码(具体内容主要来白百度百F的词条.[10),为此,首先介绍Huffman树的定义及其构造算法§24.1 Huffman树在计算机科学中,树是一种重要的非线性数据结构,它是数据元素(在树中称为结点)按分支关系组织起来的结构.若干棵互不相交的树所构成的集合称为森林.下面给出几个与树相关的常用概念·路径和路径长度在一棵树中,从一个结点往下可以达到的孩子或孙子结点之间的通路,称为路径.通路中分支的数目称为路径长度.若规定根结点的层号为1,则从根结点到第L层结虑的路径长度为L-1●结点的权和带权路径长度若为树中结点赋予一个具有某种含义的(非负)数值,则这个数值称为该结点的权结点的带权路径长度是指,从根结点到该结点之间的路径长度亐该结点的杈的乘矾·树的带权路径长度树的带权路径长度规定为所有叶子结点的带权路径长度之和二叉树是每个结点最多有两个子树的有序树.两个子树通常被称为“左子树”和“右子树”,定义中的“有序”是指两个子树有左石之分,顺序不能颠倒给定n个权值作为n个叶子结点,树造一棵二叉树,若它的带权路径长度达到最小,则称这样的二叉树为最优二叉树,也称为 Huffman树82.4.2 Huffman树的构造给定m个权值{mn,m2;…,mn}作为二叉树的m个叶子结点,可通过以下算法来构造颗 Huffman树算法2.Ⅰ(Hu「man树构造算法)(1)将{1,2,……,wn}看成是有n棵树的表林(每树仅有一个结点)2)在森林中选出两个根结,的权值最小的树合并,作为-棵新树的左、右子树,且新树的根结点权值为其左、右子树根结点权值之和〔3)从森林中燜除选取的两樑树,并将新树加入森林(4)重复(2)、(3)步,直到森林中只剩一棵树为止,该树即为所求的 luffman树接下来,给出算法2.1的一个具体实例例2.1假设2114年世界杯期间,从新浪毀博中抓取了若干条与足球相关的微博,经统计,“我”、“喜欢”、“观看”、“巴西”、“足球”、“世界杯”这六个词岀现的次薮分别为15,8,6,5,3,1.请以这6个词为叶子结点,以相应词频当权值,构造一棵Hu∥n树.⊙Q⑨Q⊙只66如→只只③⊙图2 Huffman树的构造过程利用算法.,易知其枃造过程如国g所示,团中第六步给出了最终的 Hutman树,由囚可见词频越大的词离根结点越近构造过程中,通过合并新増的结点被标记为黄色.由于每两个结点邡要进行一次合并,因此,若叶子结点的个数为η,刘枃造的H們πω树中新増结点的个数为π-1.本例中n6,因此新增结,的个数为5注意,前面有捉到,二叉树的丙个子树是分左右的,对于某个非叶子结点来说,就是其两个孩子结点是分左右的,在本例中,统一将词频大的结点作为左孩子结点,词频小的作为右孩子结点当然,这只昃一个约定:你要将词頻大的结点作为右孩子结点也浸有问题§24.3 Huffman编码在数据通倍中,需要将传送的文宁转换成二进制的字符串,用0,1码的不同排列米表示字符.例如,需传送的报文为“A上 TER DATA EAR ARE ART AREA”,这里用到的字符集为“A,E,R,T,F,D”,各字母出现的次数为84,5,3,1,1,现要求为这些字母设计编码要区别6个字母,最简单的二进制编码方式是等长编码,固定采用3位二进制(23=8>6),可分别用000.001、010、011、100、101对“A,E,R,T,F,D”进行编码发送,当对方接收报文时再按照三位一分进行译码显然编码的长度取决报文中不同字符的个数,若报文中可能出现26个不同字符,则固定编码长度为5(2=32>26).然而,传送报文时总是希望总长度尽可能短.在实际应用中,各个字符的出现频度或使用次数是不相同的,如A、B、C的使用频率远远高于X、Y、7,自然会想到设计编码时,让使用频率高的用短码,使用频率低的用长码,以优化整个报文编码.为使不等长编码为前缀编码(即要求一个字符的编码不能是另一个字符編码的前缀),可用字符集中的每个宇符作为叶子结点生成一棵编码二叉树,为了获得传送报文的最短长度,可将每个字符的岀现频率作为字符结烹的权值赋予该结点上,显然字使用频率越小权值越小,权值越小叶子就越靠下,于是颎率小编码长,频率高编码短,这样就保证了此树的最小带权路径长度,效果上就是传送报文的最短长度.因此,求传送报文的最短长度问题转化为求由字符集中的所有字符作为叶子结点,由字符出现频率作为其权值所产生的Hman树的问题.利用 Hultman树设计的二进制前缀編码,称为 LuminaL编码,它既能满足前缀编码的条件,又能保证报文编码总长最短本文将介绍的word2ve工具中也将用到 Huffman编码,它把训练语料中的词当成叶子缩点,其在语料中出现的次数当作权值,通过构造相应的 Huttman树来对每一个词进行Huffman编码图3给岀了例2.1中六个词的 Huffman编码,其中约定(词频较大的)左孩子结点编码为1,(词频较小的)石孩子编码为θ.这惮一米,“我”、“喜欢”、“观看”、“巴西”、“足球”、“世界杯”这六个词的 Huffman编码分别为0.111,110,101,1001和10000我告欢巴匹0足球图3 Huffman编码示意图注意,到目前为止,关于 Huttman树和 Huttman編码,有两个约定:(1)将权值大的结点作为左孩子结点,权值小的作为右孩子结点(2)左孩子结点编码为1,右孩子结点编码为0.在word2vec源码中将权值较大的孩子结点编码为1,较小的孩子结点编码为0.为与上述约定统一起见,下文中提到的“左孩了结点"都是指权值较大的孩了结点83背景知识word2vec是用来生成词向量的工具,而词向量与语言模型有着密切的关系,为此,不妨先了解一些语言模型方面的知识83.1统计语言模型当今的互联网迅猛发展,每天都在产生大量的文本、图片、语音和视频数据,要对这些数据进行处理并从中挖掘岀有价值的信息,离不开自然语言处理( Nature Language processing,NP)技术,其中统计语言模型( Statistical language model)就是很重要的一环,它是所有NLP的基础,被广泛应用于语音识别、机器翻译、分词、词性标注和信息检索等任务.例.1在语音识别糸统中,对于给定的语音段Vire,霄要找到一个使概率p( TertVoice最大的文本段Tert.利用 Bayes公式,有P(Teat voice)p(VoiceText). p(Textp(Voice)其中p( CicetE.c)为声学模型,而 elEct)为语言模型(18])简单地说统计语言模型是用来计算一个句子的概率的概率模驷,它通常基于一个语料库来构建.那什么叫做一个句子的概率呢?假设W=m1:=(m1,2,…,mr)表示由T个词,2,……,按顺序构成的一个句子,则1,c2…,w的联合慨率p()=p(x1)=p(01,t2,…,r)就是这个句子的概率利用 Bayes公式,上式可以被链式地分解为p(uh)-p(1)·p(u2lu1)p(u3lu2)…p( wru-1),(3.1)其中的(条件)概率p(1),p(2t1),p(un),…,p(mr1-)就是语言模型的参数,若这些参数已经全部算得,那么给定一个句子U1,就可以很快地算出相应的p(1)了看起来奷像很简单,是吧?但是,具体实现起来还是有点麻烦.例如.先来看看模型参数的个数.剛刚才是考虑一个给定的长度为T的句子,就需要计算T个参数.不妨假设语料库对应词典D的大小(即词汇量)为N,那么,如果考虑长度为T的任意句子,理论上就有M种可能.而每种可能都要计算T个参数,总共就需要计算TN7个参数.当然,这里只是简单估算,并没有考虑重复参数,但这个量级还是有蛮吓人.此外,这些概率计算好后,还得保存下来,因此,存储这些信息乜需要很大的內存开销此外,这些参数如何计算呢?常见的方法有n-gram模型、决策树、最大熵模型、最大熵马尔科夫模型、条件随机场、神经网络等方法,本文只讨论n-gram模型和神经网络两种方法.首先来看看 n-gram模型

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  • stm32f103 通过485方式读取数据
    stm32f103通过使用RS485方式读取盐度,PH,温度等水体数据并打印到显示屏上进行实时显示
    2020-12-11下载
    积分:1
  • BP神经网络和混沌神经网络
    是实现BP神经网络和混沌神经网络的matlab程序,但是没有调用神经网络工具箱。
    2020-11-30下载
    积分:1
  • 2019年全国4级行政划分,省市区镇街道数据库,46214条,包含经纬度坐标,版本:20190115
    这段时间一直在找省市区街道数据,但是CSDN要么是3级冒充4级数据,要么是版本太老的,没有办法,自己动手,丰衣足食。MySQL版本,数据是目前最新的版本,版本号:20190115,取自高德地图api爬虫,最新数据,4级行政划分,爬虫代码的可以私信我,包含省市区街道数据,版权所有!
    2020-12-05下载
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  • 凸优化在信号处理与通信中的应用Convex Optimization in Signal Processing and Communications
    凸优化理论在信号处理以及通信系统中的应用 比较经典的通信系统凸优化入门教程ContentsList of contributorspage IxPrefaceAutomatic code generation for real- time convex optimizationJacob Mattingley and stephen Boyd1.1 Introduction1.2 Solvers and specification languages61. 3 Examples121. 4 Algorithm considerations1.5 Code generation261.6 CVXMOD: a preliminary implementation281.7 Numerical examples291. 8 Summary, conclusions, and implicationsAcknowledgments35ReferencesGradient-based algorithms with applications to signal-recoveryproblemsAmir beck and marc teboulle2.1 Introduction422.2 The general optimization model432.3 Building gradient-based schemes462. 4 Convergence results for the proximal-gradient method2.5 A fast proximal-gradient method2.6 Algorithms for l1-based regularization problems672.7 TV-based restoration problems2. 8 The source-localization problem772.9 Bibliographic notes83References85ContentsGraphical models of autoregressive processes89Jitkomut Songsiri, Joachim Dahl, and Lieven Vandenberghe3.1 Introduction893.2 Autoregressive processes923.3 Autoregressive graphical models983. 4 Numerical examples1043.5 Conclusion113Acknowledgments114References114SDP relaxation of homogeneous quadratic optimization: approximationbounds and applicationsZhi-Quan Luo and Tsung-Hui Chang4.1 Introduction1174.2 Nonconvex QCQPs and sDP relaxation1184.3 SDP relaxation for separable homogeneous QCQPs1234.4 SDP relaxation for maximization homogeneous QCQPs1374.5 SDP relaxation for fractional QCQPs1434.6 More applications of SDP relaxation1564.7 Summary and discussion161Acknowledgments162References162Probabilistic analysis of semidefinite relaxation detectors for multiple-input,multiple-output systems166Anthony Man-Cho So and Yinyu Ye5.1 Introduction1665.2 Problem formulation1695.3 Analysis of the SDr detector for the MPsK constellations1725.4 Extension to the Qam constellations1795.5 Concluding remarks182Acknowledgments182References189Semidefinite programming matrix decomposition, and radar code design192Yongwei Huang, Antonio De Maio, and Shuzhong Zhang6.1 Introduction and notation1926.2 Matrix rank-1 decomposition1946.3 Semidefinite programming2006.4 Quadratically constrained quadratic programming andts sdp relaxation201Contents6.5 Polynomially solvable QCQP problems2036.6 The radar code-design problem2086.7 Performance measures for code design2116.8 Optimal code design2146.9 Performance analysis2186.10 Conclusions223References226Convex analysis for non-negative blind source separation withapplication in imaging22Wing-Kin Ma, Tsung-Han Chan, Chong-Yung Chi, and Yue Wang7.1 Introduction2297.2 Problem statement2317.3 Review of some concepts in convex analysis2367.4 Non-negative, blind source-Separation criterion via CAMNS2387.5 Systematic linear-programming method for CAMNS2457.6 Alternating volume-maximization heuristics for CAMNS2487.7 Numerical results2527.8 Summary and discussion257Acknowledgments263References263Optimization techniques in modern sampling theory266Tomer Michaeli and yonina c. eldar8.1 Introduction2668.2 Notation and mathematical preliminaries2688.3 Sampling and reconstruction setup2708.4 Optimization methods2788.5 Subspace priors2808.6 Smoothness priors2908.7 Comparison of the various scenarios3008.8 Sampling with noise3028. 9 Conclusions310Acknowledgments311References311Robust broadband adaptive beamforming using convex optimizationMichael Rubsamen, Amr El-Keyi, Alex B Gershman, and Thia Kirubarajan9.1 Introduction3159.2 Background3179.3 Robust broadband beamformers3219.4 Simulations330Contents9.5 Conclusions337Acknowledgments337References337Cooperative distributed multi-agent optimization340Angelia Nedic and asuman ozdaglar10.1 Introduction and motivation34010.2 Distributed-optimization methods using dual decomposition34310.3 Distributed-optimization methods using consensus algorithms35810.4 Extensions37210.5 Future work37810.6 Conclusions38010.7 Problems381References384Competitive optimization of cognitive radio MIMO systems via game theory387Gesualso Scutari, Daniel P Palomar, and Sergio Barbarossa11.1 Introduction and motivation38711.2 Strategic non-cooperative games: basic solution concepts and algorithms 39311.3 Opportunistic communications over unlicensed bands411.4 Opportunistic communications under individual-interferenceconstraints4151.5 Opportunistic communications under global-interference constraints43111.6 Conclusions438Ackgment439References43912Nash equilibria: the variational approach443Francisco Facchinei and Jong-Shi Pang12.1 Introduction44312.2 The Nash-equilibrium problem4412. 3 EXI45512.4 Uniqueness theory46612.5 Sensitivity analysis47212.6 Iterative algorithms47812.7 A communication game483Acknowledgments490References491Afterword494Index49ContributorsSergio BarbarossaYonina c, eldarUniversity of rome-La SapienzaTechnion-Israel Institute of TechnologyHaifaIsraelAmir beckTechnion-Israel instituteAmr El-Keyiof TechnologyAlexandra universityHaifEgyptIsraelFrancisco facchiniStephen boydUniversity of rome La sapienzaStanford UniversityRomeCaliforniaItalyUSAAlex b, gershmanTsung-Han ChanDarmstadt University of TechnologyNational Tsing Hua UniversityDarmstadtHsinchuGermanyTaiwanYongwei HuangTsung-Hui ChangHong Kong university of scienceNational Tsing Hua Universityand TechnologyHsinchuHong KongTaiwanThia KirubarajanChong-Yung chiMcMaster UniversityNational Tsing Hua UniversityHamilton ontarioHsinchuCanadaTaiwanZhi-Quan LuoJoachim dahlUniversity of minnesotaanybody Technology A/sMinneapolisDenmarkUSAList of contributorsWing-Kin MaMichael rebsamenChinese University of Hong KongDarmstadt UniversityHong KonTechnologyDarmstadtAntonio de maioGermanyUniversita degli studi di napoliFederico iiGesualdo scutariNaplesHong Kong University of Sciencealyand TechnologyHong KongJacob MattingleyAnthony Man-Cho SoStanford UniversityChinese University of Hong KongCaliforniaHong KongUSAJitkomut songsinTomer michaeliUniversity of californiaTechnion-Israel instituteLoS Angeles. CaliforniaogyUSAHaifaMarc teboulleTel-Aviv UniversityAngelia NedicTel-AvUniversity of Illinois atIsraelUrbana-ChampaignInoSLieven VandenbergheUSAUniversity of CaliforniaLos Angeles, CaliforniaUSAAsuman OzdaglarMassachusetts Institute of TechnologyYue WangBoston massachusettsVirginia Polytechnic InstituteUSAand State UniversityArlingtonDaniel p palomarUSAHong Kong University ofScience and TechnologyYinyu YeHong KongStanford UniversityCaliforniaong-Shi PangUSAUniversity of illinoisat Urbana-ChampaignShuzhong zhangIllinoisChinese university of Hong KongUSAHong KongPrefaceThe past two decades have witnessed the onset of a surge of research in optimization.This includes theoretical aspects, as well as algorithmic developments such as generalizations of interior-point methods to a rich class of convex-optimization problemsThe development of general-purpose software tools together with insight generated bythe underlying theory have substantially enlarged the set of engineering-design problemsthat can be reliably solved in an efficient manner. The engineering community has greatlybenefited from these recent advances to the point where convex optimization has nowemerged as a major signal-processing technique on the other hand, innovative applica-tions of convex optimization in signal processing combined with the need for robust andefficient methods that can operate in real time have motivated the optimization commu-nity to develop additional needed results and methods. The combined efforts in both theoptimization and signal-processing communities have led to technical breakthroughs ina wide variety of topics due to the use of convex optimization This includes solutions tonumerous problems previously considered intractable; recognizing and solving convex-optimization problems that arise in applications of interest; utilizing the theory of convexoptimization to characterize and gain insight into the optimal-solution structure and toderive performance bounds; formulating convex relaxations of difficult problems; anddeveloping general purpose or application-driven specific algorithms, including thosethat enable large-scale optimization by exploiting the problem structureThis book aims at providing the reader with a series of tutorials on a wide varietyof convex-optimization applications in signal processing and communications, writtenby worldwide leading experts, and contributing to the diffusion of these new developments within the signal-processing community. The goal is to introduce convexoptimization to a broad signal-processing community, provide insights into how convexoptimization can be used in a variety of different contexts, and showcase some notablesuccesses. The topics included are automatic code generation for real-time solvers, graphical models for autoregressive processes, gradient-based algorithms for signal-recoveryapplications, semidefinite programming(SDP)relaxation with worst-case approximationperformance, radar waveform design via SDP, blind non-negative source separation forimage processing, modern sampling theory, robust broadband beamforming techniquesdistributed multiagent optimization for networked systems, cognitive radio systems viagame theory, and the variational-inequality approach for Nash-equilibrium solutionsPrefaceThere are excellent textbooks that introduce nonlinear and convex optimization, providing the reader with all the basics on convex analysis, reformulation of optimizationproblems, algorithms, and a number of insightful engineering applications. This book istargeted at advanced graduate students, or advanced researchers that are already familiarwith the basics of convex optimization. It can be used as a textbook for an advanced graduate course emphasizing applications, or as a complement to an introductory textbookthat provides up-to-date applications in engineering. It can also be used for self-study tobecome acquainted with the state of-the-art in a wide variety of engineering topicsThis book contains 12 diverse chapters written by recognized leading experts worldwide, covering a large variety of topics. Due to the diverse nature of the book chaptersit is not possible to organize the book into thematic areas and each chapter should betreated independently of the others. a brief account of each chapter is given nextIn Chapter 1, Mattingley and Boyd elaborate on the concept of convex optimizationin real-time embedded systems and automatic code generation. As opposed to genericsolvers that work for general classes of problems, in real-time embedded optimization thesame optimization problem is solved many times, with different data, often with a hardreal-time deadline. Within this setup the authors propose an automatic code-generationsystem that can then be compiled to yield an extremely efficient custom solver for theproblem familyIn Chapter 2, Beck and Teboulle provide a unified view of gradient-based algorithmsfor possibly nonconvex and non-differentiable problems, with applications to signalrecovery. They start by rederiving the gradient method from several different perspectives and suggest a modification that overcomes the slow convergence of the algorithmThey then apply the developed framework to different image-processing problems suchas e1-based regularization, TV-based denoising, and Tv-based deblurring, as well ascommunication applications like source localizationIn Chapter 3, Songsiri, Dahl, and Vandenberghe consider graphical models for autore-gressive processes. They take a parametric approach for maximum-likelihood andmaximum-entropy estimation of autoregressive models with conditional independenceconstraints, which translates into a sparsity pattern on the inverse of the spectral-densitymatrix. These constraints turn out to be nonconvex. To treat them the authors proposea relaxation which in some cases is an exact reformulation of the original problem. Theproposed methodology allows the selection of graphical models by fitting autoregressiveprocesses to different topologies and is illustrated in different applicationsThe following three chapters deal with optimization problems closely related to SDPand relaxation techniquesIn Chapter 4, Luo and Chang consider the SDP relaxation for several classes ofquadratic-optimization problems such as separable quadratically constrained quadraticprograms(QCQPs)and fractional QCQPs, with applications in communications and signal processing. They identify cases for which the relaxation is tight as well as classes ofquadratic-optimization problems whose relaxation provides a guaranteed, finite worstcase approximation performance. Numerical simulations are carried out to assess theefficacy of the SDP-relaxation approach
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