Python多元线性回归、机器学习、深度学习在近红外光谱分析中的应用

导师：郁磊副教授，主要从事MATLAB 编程、机器学习与数据挖掘、数据可视化和软件开发、人工智能近红外光谱分析、生物医学系统建模与仿真，具有丰富的实战应用经验，主编《MATLAB智能算法30个案例分析》、《MATLAB神经网络43个案例分析》相关著作。已发表多篇高水平的国际学术研究论文。

基于Python多元线性回归、机器学习、深度学习在近红外光谱分析中的实践应用

第一章：Python入门基础

1、Python环境搭建（下载、安装与版本选择）。

2、如何选择Python编辑器？（IDLE、Notepad++、PyCharm、Jupyter…）

3、Python基础（数据类型和变量、字符串和编码、list和tuple、条件判断、循环、函数的定义与调用等）

4、常见的错误与程序调试

5、第三方模块的安装与使用

6、文件读写（I/O）

7、实操练习

第二章：Python进阶与提高

1、Numpy模块库（Numpy的安装；ndarray类型属性与数组的创建；数组索引与切片；Numpy常用函数简介与使用）

2、Pandas模块库（DataFrame数据结构、表格的变换、排序、拼接、融合、分组操作等）

3、Matplotlib基本图形绘制（线形图、柱状图、饼图、气泡图、直方图、箱线图、散点图等）

4、图形的布局（多个子图绘制、规则与不规则布局绘制、向画布中任意位置添加坐标轴）

5、Scikit-Learn模块库简介、下载与安装

6、实操练习

第三章：多元线性回归及其在近红外光谱分析中的应用

1、多元线性回归模型（工作原理、最小二乘法）

2、岭回归模型（工作原理、岭参数k的选择、用岭回归选择变量）

3、LASSO模型（工作原理、特征选择、建模预测、超参数调节）

4、Elastic Net模型（工作原理、建模预测、超参数调节）

5、多元线性回归、岭回归、LASSO、Elastic Net的Python代码实现

6、案例演示：近红外光谱回归拟合建模

第四章：BP神经网络及其在近红外光谱分析中的应用

1、BP神经网络的基本原理（人工智能发展过程经历了哪些曲折？人工神经网络的分类有哪些？BP神经网络的拓扑结构和训练过程是怎样的？什么是梯度下降法？BP神经网络建模的本质是什么？）

2、怎样划分训练集和测试集？为什么需要归一化？归一化是必须的吗？ BP神经网络的常用激活函数有哪些？如何查看模型的参数？

3、BP神经网络参数的优化（隐含层神经元个数、学习率、初始权值和阈值等如何设置？什么是交叉验证？）

4、值得研究的若干问题（欠拟合与过拟合、泛化性能评价指标的设计、样本不平衡问题等）

5、极限学习机（Extreme Learning Machine, ELM）的基本原理（ELM的基本算法，“极限”体现在哪些地方？ELM 与 BP 神经网络的区别与联系）

6、BP神经网络、极限学习机的Python代码实现

7、案例演示：

1）近红外光谱回归拟合建模；

2）近红外光谱分类识别建模

第五章：支持向量机（SVM）及其在近红外光谱分析中的应用

1、SVM的基本原理（什么是经验误差最小和结构误差最小？SVM的本质是解决什么问题？SVM的四种典型结构是什么？核函数的作用是什么？什么是支持向量？）

2、SVM扩展知识（如何解决多分类问题？SVM除了建模型之外，还可以帮助我们做哪些事情？SVM的启发：样本重要性的排序及样本筛选）

3、SVM的Python代码实现

4、案例演示：近红外光谱分类识别建模

第六章：决策树、随机森林、Adaboost、XGBoost和LightGBM及其在近红外光谱分析中的应用

1、决策树的基本原理（微软小冰读心术的启示；什么是信息熵和信息增益？ID3算法和C4.5算法的区别与联系）

2、决策树的启发：变量重要性的排序及变量筛选

3、随机森林的基本原理与集成学习框架（为什么需要随机森林算法？广义与狭义意义下的“随机森林”分别指的是什么？“随机”提现在哪些地方？随机森林的本质是什么？）

4、Bagging与Boosting集成策略的区别

5、Adaboost算法的基本原理

6、Gradient Boosting Decision Tree (GBDT)模型的基本原理

7、XGBoost与LightGBM简介

8、决策树、随机森林、Adaboost、XGBoost与LightGBM的Python代码实现

9、案例演示：近红外光谱回归拟合建模

第七章：遗传算法及其在近红外光谱分析中的应用

1、群优化算法概述

2、遗传算法（Genetic Algorithm）的基本原理（什么是个体和种群？什么是适应度函数？选择、交叉与变异算子的原理与启发式策略）

3、遗传算法的Python代码实现

4、案例演示：基于二进制遗传算法的近红外光谱波长筛选

第八章：变量降维与特征选择算法及其在近红外光谱分析中的应用

1、主成分分析（PCA）的基本原理

2、偏最小二乘（PLS）的基本原理（PCA与PLS的区别与联系；PCA除了降维之外，还可以帮助我们做什么？）

3、近红外光谱波长选择算法的基本原理（Filter和Wrapper；前向与后向选择法；区间法；无信息变量消除法等）

4、PCA、PLS的Python代码实现

5、特征选择算法的Python代码实现

6、案例演示：

1）基于L1正则化的近红外光谱波长筛选

2）基于信息熵的近红外光谱波长筛选

3）基于Recursive feature elimination的近红外光谱波长筛选

4）基于Forward-SFS的近红外光谱波长筛选

第九章：Pytorch环境搭建与编程入门

1、深度学习框架概述（PyTorch、Tensorflow、Keras等）

2、PyTorch简介（动态计算图与静态计算图机制、PyTorch的优点）

3、PyTorch的安装与环境配置（Pip vs. Conda包管理方式、验证是否安装成功）

4、张量（Tensor）的定义，以及与标量、向量、矩阵的区别与联系）

5、张量（Tensor）的常用属性与方法（dtype、device、requires_grad、cuda等）

6、张量（Tensor）的创建（直接创建、从numpy创建、依据概率分布创建）

7、张量（Tensor）的运算（加法、减法、矩阵乘法、哈达玛积（element wise）、除法、幂、开方、指数与对数、近似、裁剪）

8、张量（Tensor）的索引与切片

9、PyTorch的自动求导（Autograd）机制与计算图的理解

10、PyTorch常用工具包及API简介（torchvision（transforms、datasets、model）、torch.nn、torch.optim、torch.utils（Dataset、DataLoader）

第十章：卷积神经网络及其在近红外光谱分析中的应用

1、深度学习与传统机器学习的区别与联系（神经网络的隐含层数越多越好吗？深度学习与传统机器学习的本质区别是什么？）

2、卷积神经网络的基本原理（什么是卷积核？CNN的典型拓扑结构是怎样的？CNN的权值共享机制是什么？CNN提取的特征是怎样的？）

3、卷积神经网络参数调试技巧

4、卷积神经网络的Python代码实现

5、案例演示：基于卷积神经网络的近红外光谱建模

第十一章：迁移学习及其在近红外光谱分析中的应用

1、迁移学习算法的基本原理（为什么需要迁移学习？为什么可以迁移学习？迁移学习的基本思想是什么？）

2、常用的迁移学习算法简介（基于实例、特征和模型，譬如：TrAdaboost算法）

3、基于卷积神经网络的迁移学习算法

4、迁移学习的Python代码实现

5、案例演示：基于迁移学习的近红外光谱的模型传递（模型移植）

第十二章：自编码器及其在近红外光谱分析中的应用

1、自编码器（Auto-Encoder的工作原理）

2、常见的自编码器类型简介（降噪自编码器、深度自编码器、掩码自编码器等）

3、自编码器的Python代码实现

4、案例演示：

1）基于自编码器的近红外光谱数据预处理

2）基于自编码器的近红外光谱数据降维与有效特征提取

第十三章：复习

1、课程复习与总结（知识点梳理）

2、资料分享（图书、在线课程资源、源代码等）

3、科研与创新方法总结（如何利用Google Scholar、Sci-Hub、ResearchGate等工具查阅文献资料、配套的数据和代码？如何更好地撰写论文的Discussion部分？如果在算法层面上难以做出原创性的工作，如何结合实际问题提炼与挖掘创新点？）

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