奥巴马 观海BP神经网络算法与实践

2017-07-02 17:45
 

神经网络曾经很火,有过一段低迷期,现在因为深度学习的原因继续火起来了。神经网络有很多种:前向传输网络、反向传输网络、递归神经网络、卷积神经网络等。本文介绍基本的反向传输神经网络(Backpropagation 简称BP),主要讲述算法的基本流程和自己在训练BP神经网络的一些经验。

BP神经网络的结构

神经网络就是模拟人的大脑的神经单元的工作方式,但进行了很大的简化,神经网络由很多神经网络层构成,而每一层又由许多单元组成,第一层叫输入层,最后一层叫输出层,中间的各层叫隐藏层,在BP神经网络中,只有相邻的神经层的各个单元之间有联系,除了输出层外,每一层都有一个偏置结点:

奥巴马 观海BP神经网络算法与实践

虽然图中隐藏层只画了一层,但其层数并没有限制,传统的神经网络学习经验认为一层就足够好,而最近的深度学习不这么认为。偏置结点是为了描述训练数据中没有的特征,偏置结点对于下一层的每一个结点的权重的不同而生产不同的偏置,于是可以认为偏置是每一个结点(除输入层外)的属性。我们偏置结点在图中省略掉:

奥巴马 观海BP神经网络算法与实践

在描述BP神经网络的训练之前,我们先来看看神经网络各层都有哪些属性:

每一个神经单元都有一定量的能量,我们定义其能量值为该结点j的输出值Oj;

相邻层之间结点的连接有一个权重Wij,其值在[-1,1]之间;

除输入层外,每一层的各个结点都有一个输入值,其值为上一层所有结点按权重传递过来的能量之和加上偏置;

除输入层外,每一层都有一个偏置值,其值在[0,1]之间;

除输入层外,每个结点的输出值等该结点的输入值作非线性变换;

我们认为输入层没有输入值,其输出值即为训练数据的属性,比如一条记录X=<(1,2,3),类别1>,那么输入层的三个结点的输出值分别为1,2,3. 因此输入层的结点个数一般等于训练数据的属性个数。

训练一个BP神经网络,实际上就是调整网络的权重和偏置这两个参数,BP神经网络的训练过程分两部分:

前向传输,逐层波浪式的传递输出值;

逆向反馈,反向逐层调整权重和偏置;

我们先来看前向传输。

前向传输(Feed-Forward前向反馈)

在训练网络之前,我们需要随机初始化权重和偏置,对每一个权重取[-1,1]的一个随机实数,每一个偏置取[0,1]的一个随机实数,之后就开始进行前向传输。

神经网络的训练是由多趟迭代完成的,每一趟迭代都使用训练集的所有记录,而每一次训练网络只使用一条记录,抽象的描述如下:

while 终止条件未满足:

for record:dataset:

trainModel(record)

首先设置输入层的输出值,假设属性的个数为100,那我们就设置输入层的神经单元个数为100,输入层的结点Ni为记录第i维上的属性值xi。对输入层的操作就这么简单,之后的每层就要复杂一些了,除输入层外,其他各层的输入值是上一层输入值按权重累加的结果值加上偏置,每个结点的输出值等该结点的输入值作变换

奥巴马 观海BP神经网络算法与实践

前向传输的输出层的计算过程公式如下:

对隐藏层和输出层的每一个结点都按照如上图的方式计算输出值,就完成前向传播的过程,紧接着是进行逆向反馈。

逆向反馈(Backpropagation)

逆向反馈从最后一层即输出层开始,我们训练神经网络作分类的目的往往是希望最后一层的输出能够描述数据记录的类别,比如对于一个二分类的问题,我们常常用两个神经单元作为输出层,如果输出层的第一个神经单元的输出值比第二个神经单元大,我们认为这个数据记录属于第一类,否则属于第二类。

还记得我们第一次前向反馈时,整个网络的权重和偏置都是我们随机取,因此网络的输出肯定还不能描述记录的类别,因此需要调整网络的参数,即权重值和偏置值,而调整的依据就是网络的输出层的输出值与类别之间的差异,通过调整参数来缩小这个差异,这就是神经网络的优化目标。对于输出层:

 
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