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计算机科学 > 机器学习

arXiv:2507.23600 (cs)
[提交于 2025年7月31日 ]

标题: EB-gMCR:基于能量的信号解混与多变量曲线分辨生成建模

标题: EB-gMCR: Energy-Based Generative Modeling for Signal Unmixing and Multivariate Curve Resolution

Authors:Yu-Tang Chang, Shih-Fang Chen
摘要: 信号解混分析将数据分解为基本模式,并广泛应用于化学和生物研究中。多变量曲线解析(MCR)是信号解混的一个分支,它将混合的化学信号分离为基础模式(成分)及其浓度,在理解组成方面起着关键作用。经典的MCR通常被表述为矩阵分解(MF),并需要用户指定成分数量,而在实际数据中这个数量通常是未知的。随着数据集大小或成分数量的增加,基于MF的MCR的可扩展性和可靠性面临重大挑战。本研究将MCR重新表述为生成过程(gMCR),并引入了一种基于能量的深度学习求解器EB-gMCR,该求解器能够自动发现最小的成分集合,以准确重建数据。EB-gMCR从一个大的候选池(例如,1024个光谱)开始,并使用可微分的门控网络仅保留活跃的成分同时估计它们的浓度。在包含最多256个潜在源的噪声合成数据集上,EB-gMCR保持R^2 >= 0.98,并在5%以内恢复了成分数量;在较低噪声下,它实现了R^2 >= 0.99,并且几乎精确地估计了成分数量。额外的化学先验条件,如非负性或非线性混合,作为简单的插件函数引入,使得模型能够适应其他仪器或领域而无需改变核心学习过程。通过结合高容量的生成建模和硬性成分选择,EB-gMCR为大规模信号解混分析提供了一条实用的路径,包括化学库驱动的场景。源代码可在https://github.com/b05611038/ebgmcr_solver获取。
摘要: Signal unmixing analysis decomposes data into basic patterns and is widely applied in chemical and biological research. Multivariate curve resolution (MCR), a branch of signal unmixing, separates mixed chemical signals into base patterns (components) and their concentrations, playing a key role in understanding composition. Classical MCR is typically framed as matrix factorization (MF) and requires a user-specified component count, usually unknown in real data. As dataset size or component count increases, the scalability and reliability of MF-based MCR face significant challenges. This study reformulates MCR as a generative process (gMCR), and introduces an energy-based deep learning solver, EB-gMCR, that automatically discovers the smallest component set able to reconstruct the data faithfully. EB-gMCR starts from a large candidate pool (e.g., 1024 spectra) and employs a differentiable gating network to retain only active components while estimating their concentrations. On noisy synthetic datasets containing up to 256 latent sources, EB-gMCR maintained R^2 >= 0.98 and recovered the component count within 5% of the ground truth; at lower noise it achieved R^2 >= 0.99 with near exact component estimation. Additional chemical priors, such as non-negativity or nonlinear mixing, enter as simple plug-in functions, enabling adaptation to other instruments or domains without altering the core learning process. By uniting high-capacity generative modeling and hard component selection, EB-gMCR offers a practical route to large-scale signal unmixing analysis, including chemical library-driven scenarios. The source code is available at https://github.com/b05611038/ebgmcr_solver.
主题: 机器学习 (cs.LG) ; 计算工程、金融与科学 (cs.CE)
ACM 类: G.1.6; G.3; G.4; I.6.5
引用方式: arXiv:2507.23600 [cs.LG]
  (或者 arXiv:2507.23600v1 [cs.LG] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.23600
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Yu-Tang Chang [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2025 年 7 月 31 日 14:40:33 UTC (1,478 KB)
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