BP神经网络相关知识点整理

2017年03月21日

1. 什么是BP神经网络

传统多层感知器在如何获取隐层的权值的问题上遇到了瓶颈,既然无法直接得到隐层的权值,那可否通过输出层得到的输出结果和期望输出的误差来间接调整隐层的权值呢?BP算法就是采用这样的思想设计出来的算法,其基本思想是,学习过程由信号的正向传播与误差的反向传播两个过程组成。

BP神经网络,Back Propagation Neural Network,(误差)反向传播神经网络,是一种与最优化方法(如梯度下降法)结合使用的,用来训练人工神经网络的常用方法。该方法计算对网络中所有权重计算损失函数的梯度。这个梯度会反馈给最优化方法,用来更新权值以最小化损失函数。

  • BP神经网络的主要特点是:信号是向前传播的,而误差是反向传播的。

BP神经网络的过程主要分为两个阶段,第一阶段是信号的前向传播,从输入层经过隐含层,最后到达输出层。若输出层的实际输出与期望的输出不符,则转入误差的反向传播阶段;第二阶段是误差的反向传播,从输出层到隐含层,最后到输入层,将误差分摊给各层的所有单元,从而获得各层单元的误差信号,依次调节隐含层到输出层的权重和偏置,输入层到隐含层的权重和偏置。

BP算法的信号流向图如下:

BP Neural Network 02

2. BP神经网络三要素

当分析一个BP神经网络时,通常从它的三要素入手,即:1)网络拓扑结构;2)传递函数;3)学习算法。其中学习算法在第3节介绍BP神经网络的流程中重点介绍。

2.1 BP神经网络的拓扑结构

BP神经网络实际上就是多层感知器,它的拓扑结构与多层感知器的拓扑结构相同。最为普遍的单隐层(三层)感知器已经能够解决简单的非线性问题,其拓扑结构如下:

BP Neural Network 01

2.2 BP神经网络的传递函数

BP网络采用的传递函数是非线性变换函数——Sigmoid函数(又称S函数)。其特点是函数本身及其导数都是连续的,因而在处理上十分方便。

S函数有S型函数和双极性S型函数两种,单极性S型函数定义如下:

其函数曲线如图所示:

BP Neural Network 03

双极性S型函数定义如下:

其函数曲线如图所示:

BP Neural Network 04

3. BP神经网络的流程

BP神经网络需要依据信号的前向传播和误差的后向传播来构建整个网络,具体的流程和步骤如下:

3.1 网络初始化
假设输入层的节点个数为n,隐含层的节点个数为l,输出层的节点个数为m。输入层到隐含层的权重为,隐含层到输出层的权重为,输入层到隐含层的偏置为,隐含层到输出层的偏置为。学习速率为,激励函数为g(x)。其中激励函数g(x)取Sigmoid函数。形式为:

3.2 隐含层的输出
如上面的三层BP网络所示,隐含层的输出为:

3.3 输出层的输出

3.4 误差的计算

我们取误差公式为:

其中为期望输出。我们记,则E可以表示为:

以上公式中,
3.5 权值的更新

权值的更新公式为:

上述公式的计算过程如下:

这是误差反向传播的过程,目标是使得误差函数达到最小值,即min E,使用梯度下降法:

  • 隐含层到输出层的权重更新:

则权重的更新公式为:

  • 输入层到隐含层的权重更新:

其中:

则权重的更新公式为:

3.6 偏置的更新

偏置的更新公式为:

  • 隐含层到输出层的偏置更新

则偏置的更新公式为:

  • 输入层到隐含层的偏置更新:

其中:

则偏置的更新公式为:

3.7 判断算法迭代是否结束

有很多的方法可以判断算法是否已经收敛,常用的有指定迭代的代数,判断相邻的两次误差之间的差别是否小于指定的值等。

3.8 流程总结

可以看出,BP神经网络学习算法中,各层权值调整公式都是一样的,均由3个因素决定,即:

  • 学习率
  • 本层输出的误差信号

  • 本层输入信号Y(或X)

其中输入层误差信号与网络的期望输出与实际输出之差有关,直接反应了输出误差,而各隐层的误差信号与前面各层的误差信号有关,是从输出层开始逐层反传过来的。

BP神经网络算法属于δ学习规则类,该类算法常被称为误差的梯度下降算法。δ学习规则可以看成是Widrow-Hoff(LMS)学习规则的一般化(generalize)情况。LMS学习规则与神经元采用的变换函数无关,因而不需要对变换函数求导,δ学习规则则没有这个性质,要求变换函数可导。这就是为什么我们前面采用Sigmoid函数的原因。

参考

【1】反向传播算法,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%8D%E5%90%91%E4%BC%A0%E6%92%AD%E7%AE%97%E6%B3%95

【2】简单易学的机器学习算法——神经网络之BP神经网络,http://blog.csdn.net/google19890102/article/details/32723459

【3】 神经网络浅讲:从神经元到深度学习,http://www.cnblogs.com/subconscious/p/5058741.html

【4】漫谈ANN(2):BP神经网络, http://hahack.com/reading/ann2/


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