Исследование параметров задачи сплайновой аппроксимации зашумленных данных численными методами оптимального управления

Автор: Болодурина Ирина Павловна, Гришина Любовь Сергеевна, Анциферова Лариса Михайловна

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника @vestnik-susu-ctcr

Рубрика: Краткие сообщения

Статья в выпуске: 3 т.21, 2021 года.

Бесплатный доступ

В настоящее время проблемы искажения данных измерений шумом и появления неопределенностей в критериях качества послужили причиной повышенного интереса к исследованиям в области сплайновой аппроксимации. При этом существующие методы минимизации эмпирического риска, предполагая, что шум является равномерным распределением с более тяжелыми хвостами, чем гауссов, ограничивают области применения данных исследований. Проблема оценки искаженных шумом данных, как правило, основывается на решении оптимизационной задачи с функцией, содержащей неопределенность, возникающей на основе задачи поиска оптимальных параметров. В связи с этим оценка искаженных шумов не может быть разрешена классическими методами. Цель исследования. Данное исследование направлено на решение и анализ задачи сплайновой аппроксимации данных в условиях неопределённости на основе параметризации управления и алгоритма проекции градиента. Методы. Исследование задачи сплайновой аппроксимации зашумленных данных проведено методом приближения кусочно-постоянной функции управления. При этом параметризация управления возможна только при конечном числе точек разрыва первого рода. В рамках экспериментального исследования применен алгоритм метода проекции градиента для численного решения задачи сплайновой аппроксимации. Предложенные методы применены для исследования параметров задачи сплайновой аппроксимации данных в условиях неопределённости. Результаты. Численное исследование подхода к параметризации управления и алгоритма проекции градиента проведено на основе разработанного программно-алгоритмического средства для решения задачи сплайновой модели аппроксимации в условиях неопределенности. Для оценки искаженных шумом данных проведены численные эксперименты по исследованию параметров модели и установлено, что повышение значения параметра α ведёт к увеличению точности, но к потере гладкости. Кроме того, проведенный анализ показал, что рассмотренные законы распределения не изменили точность и скорость сходимости алгоритма. Заключение. Предложенный подход для решения задачи сплайновой аппроксимации в условиях неопределенности позволяет определить проблемы искажения данных измерений шумом и появления неопределенностей в критериях качества. Исследование параметров модели показало, что построенная система устойчива к ошибке начального приближения, а законы распределения не оказывают существенного влияния на точность и сходимость метода проекции градиента.

Еще

Цитирования, наукометрические методы, агрегирование библиографической информации, модификация метода winnowing, метод левенштейна, метод шинглов

Короткий адрес: https://sciup.org/147235267

IDR: 147235267   |   УДК: 517.977.58   |   DOI: 10.14529/ctcr210314

Investigation of parameters of the problem of spline approximation of noisy data by numerical methods of optimal control

Currently, the problems of distortion of measurement data by noise and the appearance of uncertainties in quality criteria have caused increased interest in research in the field of spline approximation. At the same time, existing methods of minimizing empirical risk, assuming that the noise is a uniform distribution with heavier tails than Gaussian, limit the scope of application of these studies. The problem of estimating noise-distorted data is usually based on solving an optimization problem with a function containing uncertainty arising from the problem of finding optimal parameters. In this regard, the estimation of distorted noise cannot be solved by classical methods. Aim. This study is aimed at solving and analyzing the problem of spline approximation of data under uncertainty conditions based on the parametrization of control and the gradient projection algorithm. Methods. The study of the problem of spline approximation of noisy data is carried out by the method of approximation of the piecewise constant control function. In this case, parametrization of the control is possible only for a finite number of break points of the first kind. In the framework of the experimental study, the gradient projection algorithm is used for the numerical solution of the spline approximation problem. The proposed methods are used to study the parameters of the problem of spline approximation of data under conditions of uncertainty. Results. The numerical study of the control parametrization approach and the gradient projection algorithm is based on the developed software and algorithmic tool for solving the problem of the spline approximation model under uncertainty. To evaluate the noise-distorted data, numerical experiments were conducted to study the model parameters and it was found that increasing the value of the parameter α leads to an increase in accuracy, but a loss of smoothness. In addition, the analysis showed that the considered distribution laws did not change the accuracy and convergence rate of the algorithm. Conclusion. The proposed approach for solving the problem of spline approximation under uncertainty conditions allows us to determine the problems of distortion of measurement data by noise and the appearance of uncertainties in the quality criteria. The study of the model parameters showed that the constructed system is stable to the error of the initial approximation, and the distribution laws do not significantly affect the accuracy and convergence of the gradient projection method.

Еще

Список литературы Исследование параметров задачи сплайновой аппроксимации зашумленных данных численными методами оптимального управления

  • Lai, M.J. Scattered data interpolation with nonnegative preservation using bivariate splmes and its apphcation /M.J. Lai, C. Meile // Computer Aided Geometric Design. - 2015. - Vol. 34. - P. 37-49. DOI: 10.1016/j.cagd.2015.02.004
  • A comparative study on apphcation of Chebyshev and spline methods for geometrically non-hnear analysis of truss structures / S.H. Mahdavi, H.A. Razak, S. Shojaee, M.S. Mahdavi // International Journal of Mechanical Sciences. - 2015. - Vol. 101. - P. 241-251. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2015.08.001
  • Inversion of top of atmospheric reflectance values by conic multivariate adaptive regression splmes / S. Kuter, G.W. Weber, Z. Akyurek, A. Ozmen // Inverse Problems in Science and Engineering. -2015. - Vol. 23, iss. 4. - P. 651-669. DOI: 10.1080/17415977.2014.933828
  • Agwu, N.N. Optimal control of dynamic systems: apphcation to splme approximations / N.N. Agwu, C.F. Martin // ApphedMathematics and Computation. - 1998. - Vol. 97, iss. 2. - P. 99-138. DOI: 10.1016/S0096-3003(97)10101 -1
  • Burt, P.J. A multiresolution sphne with apphcation to mage mosaics / P.J. Burt, E.H. Adelson // ACM Transactions on Graphics. - 1983. - Vol. 2, iss. 4. - P. 217-236. DOI: 10.1145/245.247
  • A Distributionally robust hnear receiver design for multi-access space-time block coded MIMO systems / B. Li, Y. Rong, J. Sun, K.L. Teo //IEEE Transactions on Wireless Communications. - 2016. -Vol. 16, iss. 1. - P. 464-474. DOI: 10.1109/TWC.2016.2625246
  • Some characterizations of robust optimal solutions for uncertain fractional optimization and applications / X.K. Sun, X.J. Long, H.Y. Fu, X.B. Li // Journal of Industrial & Management Optimization. -2017. - Vol. 13, iss. 2. - pp. 803-824. DOI: 10.3934/jimo.2016047
  • Wang, J. Data-driven tight frame for multi-channel images and its application to joint color-depth image reconstruction / J. Wang, J.F. Cai // Journal of the Operations Research Society of China. -2015. - Vol. 3. - P. 99-115. DOI: 10.1007/s40305-015-0074-2
  • Yan, H.Y. A linear-quadratic control problem of uncertain discrete-time switched systems / H.Y. Yan, Y. Sun, Y.G. Zhu // Journal of Industrial & Management Optimization. - 2017. - Vol. 13, iss. 1. - P. 267-282. DOI: 10.3934/jimo.2016016
  • A sequential regression model for big data with attributive explanatory variables / Q.T. Zhang, Y. Liu, W. Zhou, Z. W. Yang // Journal of the Operations Research Society of China. - 2015. - Vol. 3. -P. 475-488. DOI: 10.1007/s40305-015-0109-8
  • Friedman, J.H. Multivariate adaptive regression splines / J.H. Friedman // The Annals of Statistics. - 1991. - Vol. 19, iss. 1. - P. 1-141. DOI: 10.1214/aos/1176347963
  • Taylan, P. New approaches to regression by generalized additive models and continuous optimization for modern applications in finance, science and technology / P. Taylan, G.W. Weber, A. Beck // Optimization - 2007. - Vol. 56, iss. 6. - P. 675-698. DOI: 10.1080/02331930701618740
  • Исаков, В.Н. Оптимальная регулярная локальная сплайновая интерполяция сигналов / В.Н. Исаков // Вестник Концерна ВКО Алмаз-Антей. - 2016. - Т. 19, № 4. - С. 24-31. DOI: 10.38013/2542-0542-2016-4-24-31
  • Новиков, М. Ю. Конечномерная оптимизация. Алгоритм метода проекции градиента / М.Ю. Новиков // Устойчивое развитие российских регионов: экономическая политика в условиях внешних и внутренних шоков: сб. науч. тр. - Екатеринбург: УрФУ, 2015. - С. 781-785.
  • Голубев, М.О. Метод проекции градиента для сильно выпуклого множества /М.О. Голубев // Известия Саратовского университета. Серия Математика. Механика. Информатика. -2013. - № 13 (2). - С. 33-38.
Еще