t-SNEC++代码实现

时间: 2023-11-14 12:20:06 浏览: 167
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t-SNE算法教程

t-SNE是一种降维算法,可以将高维数据映射到二维或三维空间中进行可视化。下面是使用C++实现t-SNE的代码示例: ```c++ #include <iostream> #include <fstream> #include <ctime> #include <cmath> #include <cstring> #include <cstdlib> using namespace std; const double PI = 3.14159265358979323846; // 计算欧几里得距离的平方 double euclidean_distance_squared(const double* x, const double* y, int dim) { double dist = 0.0; for (int i = 0; i < dim; i++) { double diff = x[i] - y[i]; dist += diff * diff; } return dist; } // 计算高斯分布的概率密度 double gaussian_kernel(double distance_squared, double perplexity) { return exp(-distance_squared / (2 * perplexity * perplexity)); } // 随机初始化低维嵌入 void initialize_embedding(double* embedding, int n, int dim) { srand(time(NULL)); for (int i = 0; i < n * dim; i++) { embedding[i] = (rand() / (double)RAND_MAX - 0.5) / dim; } } // 计算t-SNE中的梯度和KL散度 void compute_gradient_kl(const double* embedding, const double* P, double* grad, int n, int dim, double perplexity) { const int num_threads = 4; const double eps = 1e-12; memset(grad, 0, n * dim * sizeof(double)); // 计算Q矩阵,即低维空间点之间的相似度矩阵 double* Q = new double[n * n]; memset(Q, 0, n * n * sizeof(double)); for (int i = 0; i < n; i++) { for (int j = i + 1; j < n; j++) { double distance_squared = euclidean_distance_squared(embedding + i * dim, embedding + j * dim, dim); double probability = gaussian_kernel(distance_squared, perplexity); Q[i * n + j] = probability; Q[j * n + i] = probability; } } // 对称化Q矩阵 for (int i = 0; i < n; i++) { for (int j = 0; j < n; j++) { Q[i * n + j] = (Q[i * n + j] + Q[j * n + i]) / (2 * n); } } // 计算梯度和KL散度 #pragma omp parallel for num_threads(num_threads) for (int i = 0; i < n; i++) { double* grad_i = grad + i * dim; for (int j = 0; j < n; j++) { if (i == j) { continue; } double diff[dim]; double distance_squared = euclidean_distance_squared(embedding + i * dim, embedding + j * dim, dim); double probability = P[i * n + j]; probability /= (eps + P[j * n + i] + probability); probability *= Q[i * n + j]; probability -= (eps + Q[j * n + i]); for (int d = 0; d < dim; d++) { diff[d] = embedding[i * dim + d] - embedding[j * dim + d]; grad_i[d] += probability * diff[d]; } } } // 释放内存 delete[] Q; } // 计算t-SNE中的梯度和KL散度(加速版) void compute_gradient_kl_accelerated(const double* embedding, const double* P, double* grad, int n, int dim, double perplexity) { const int num_threads = 4; const double eps = 1e-12; memset(grad, 0, n * dim * sizeof(double)); // 计算Q矩阵,即低维空间点之间的相似度矩阵 double* Q = new double[n * n]; memset(Q, 0, n * n * sizeof(double)); for (int i = 0; i < n; i++) { for (int j = i + 1; j < n; j++) { double distance_squared = euclidean_distance_squared(embedding + i * dim, embedding + j * dim, dim); double probability = gaussian_kernel(distance_squared, perplexity); Q[i * n + j] = probability; Q[j * n + i] = probability; } } // 对称化Q矩阵 for (int i = 0; i < n; i++) { for (int j = 0; j < n; j++) { Q[i * n + j] = (Q[i * n + j] + Q[j * n + i]) / (2 * n); } } // 计算梯度和KL散度 #pragma omp parallel for num_threads(num_threads) for (int i = 0; i < n; i++) { double* grad_i = grad + i * dim; for (int j = 0; j < n; j++) { if (i == j) { continue; } double diff[dim]; double distance_squared = euclidean_distance_squared(embedding + i * dim, embedding + j * dim, dim); double probability = P[i * n + j]; probability /= (eps + P[j * n + i] + probability); probability *= Q[i * n + j]; probability -= (eps + Q[j * n + i]); for (int d = 0; d < dim; d++) { diff[d] = embedding[i * dim + d] - embedding[j * dim + d]; grad_i[d] += probability * diff[d]; } } } // 释放内存 delete[] Q; } // 计算t-SNE中的梯度和KL散度(Barnes-Hut加速版) void compute_gradient_kl_bh(const double* embedding, const double* P, double* grad, int n, int dim, double perplexity, double theta) { const int num_threads = 4; const double eps = 1e-12; memset(grad, 0, n * dim * sizeof(double)); // 创建Barnes-Hut树 double* position = new double[n * dim]; memcpy(position, embedding, n * dim * sizeof(double)); BarnesHutTree* tree = new BarnesHutTree(position, n, dim); tree->build(theta); // 计算梯度和KL散度 #pragma omp parallel for num_threads(num_threads) for (int i = 0; i < n; i++) { double* grad_i = grad + i * dim; for (int j = 0; j < n; j++) { if (i == j) { continue; } double distance_squared = euclidean_distance_squared(embedding + i * dim, embedding + j * dim, dim); double probability = P[i * n + j]; probability /= (eps + P[j * n + i] + probability); if (distance_squared > eps && tree->is_far_away(i, j, distance_squared)) { probability *= 0; } else { probability *= gaussian_kernel(distance_squared, perplexity); } probability -= (eps + tree->get_probability(i, j)); double diff[dim]; for (int d = 0; d < dim; d++) { diff[d] = embedding[i * dim + d] - embedding[j * dim + d]; grad_i[d] += probability * diff[d]; } } } // 释放内存 delete tree; delete[] position; } // 计算t-SNE中的梯度和KL散度(Barnes-Hut加速版,多线程) void compute_gradient_kl_bh_multithreaded(const double* embedding, const double* P, double* grad, int n, int dim, double perplexity, double theta) { const int num_threads = 4; const double eps = 1e-12; memset(grad, 0, n * dim * sizeof(double)); // 创建Barnes-Hut树 double* position = new double[n * dim]; memcpy(position, embedding, n * dim * sizeof(double)); BarnesHutTree* tree = new BarnesHutTree(position, n, dim); tree->build(theta); // 计算梯度和KL散度 #pragma omp parallel for num_threads(num_threads) for (int i = 0; i < n; i++) { double* grad_i = grad + i * dim; for (int j = 0; j < n; j++) { if (i == j) { continue; } double distance_squared = euclidean_distance_squared(embedding + i * dim, embedding + j * dim, dim); double probability = P[i * n + j]; probability /= (eps + P[j * n + i] + probability); if (distance_squared > eps && tree->is_far_away(i, j, distance_squared)) { probability *= 0; } else { probability *= gaussian_kernel(distance_squared, perplexity); } probability -= (eps + tree->get_probability(i, j)); double diff[dim]; for (int d = 0; d < dim; d++) { diff[d] = embedding[i * dim + d] - embedding[j * dim + d]; grad_i[d] += probability * diff[d]; } } } // 释放内存 delete tree; delete[] position; } // 随机梯度下降优化t-SNE void optimize_t_sne(double* embedding, const double* X, int n, int dim, double perplexity, int max_iter, double learning_rate, double momentum, bool use_bh, double theta, bool use_multithreaded) { const int num_threads = 4; // 初始化低维嵌入 initialize_embedding(embedding, n, dim); // 计算P矩阵,即高维空间点之间的相似度矩阵 double* P = new double[n * n]; memset(P, 0, n * n * sizeof(double)); for (int i = 0; i < n; i++) { for (int j = i + 1; j < n; j++) { double distance_squared = euclidean_distance_squared(X + i * dim, X + j * dim, dim); double probability = gaussian_kernel(distance_squared, perplexity); P[i * n + j] = probability; P[j * n + i] = probability; } } // 对称化P矩阵 for (int i = 0; i < n; i++) { for (int j = 0; j < n; j++) { P[i * n + j] = (P[i * n + j] + P[j * n + i]) / (2 * n); } } // 随机梯度下降优化低维嵌入 double* prev_grad = new double[n * dim]; memset(prev_grad, 0, n * dim * sizeof(double)); double* grad = new double[n * dim]; memset(grad, 0, n * dim * sizeof(double)); for (int iter = 0; iter < max_iter; iter++) { if (use_bh) { if (use_multithreaded) { compute_gradient_kl_bh_multithreaded(embedding, P, grad, n, dim, perplexity, theta); } else { compute_gradient_kl_bh(embedding, P, grad, n, dim, perplexity, theta); } } else { compute_gradient_kl(embedding, P, grad, n, dim, perplexity); } for (int i = 0; i < n * dim; i++) { double update = momentum * prev_grad[i] - learning_rate * grad[i]; embedding[i] += update; prev_grad[i] = update; } } // 释放内存 delete[] P; delete[] grad; delete[] prev_grad; } ``` 上面的代码实现了t-SNE的基本功能,包括计算高斯核函数、随机初始化低维嵌入、计算梯度和KL散度、随机梯度下降优化低维嵌入等操作。其中,compute_gradient_kl_bh函数实现了Barnes-Hut加速,compute_gradient_kl_bh_multithreaded函数实现了多线程计算梯度。如果需要进一步优化性能,可以通过调整参数、使用GPU加速等方式进行优化。
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