BP神经网络计算过程详解,用笔手算一遍弄懂反向传播

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BP神经网络计算过程详解,用笔手算一遍弄懂反向传播

2024-07-14 09:49| 来源: 网络整理| 查看: 265

手算BP神经网络

现在很多人都说,做it门槛很低,脑子灵活点,愿意去熬的,培训个几个月就可以,无非是调调函数而已。 确实,现在一些程序员的工作,调调函数掌握得好的话,也是能够胜任的。但是,想要更进一步,还得不断提升自己,努力理解各种算法结构。 (类)神经网络算法在深度学习等领域应用十分广泛。 而负反馈BP神经网络其中应用最多的一种,很多神经网络的算法都是在BP神经网络上进行优化的。所以,理解一下BP神经网络是很有必要的。 关于神经网络的知识请自行谷歌。

神经网络结构主要包括:输入层、隐藏层和输出层

这里写图片描述 BP(Back Propagation)神经网络分为两个过程

(1)工作信号正向传递过程 (2)误差信号反向传递过程 工作信号正向传递过程(前向传播):

四个步骤:

1、输入层的每个节点,都要与的隐藏层每个节点做点对点的计算,计算的方法是加权求和+激活 2、利用隐藏层计算出的每个值,再用相同的方法,和输出层进行计算。 3、隐藏层用都是用Sigmoid作激活函数,而输出层用的是Purelin。这是因为Purelin可以保持之前任意范围的数值缩放,便于和样本值作比较,而Sigmoid的数值范围只能在0~1之间。 4、起初输入层的数值通过网络计算分别传播到隐藏层,再以相同的方式传播到输出层,最终的输出值和样本值作比较,计算出误差,这个过程叫前向传播(Forward Propagation)。 误差信号反向传递过程

两个步骤

BP算法是一种计算偏导数的有效方法,它的基本原理是: 5、利用前向传播最后输出的结果来计算误差的偏导数(前向传播后求偏导), 6、再用这个偏导数和前面的隐藏层进行加权求和 7、如此一层一层的向后传下去(隐藏层间偏导加权求和) 8、直到输入层(不计算输入层)(也就是第一隐藏层到输入层的偏导加权求和) 9、最后利用每个节点求出的偏导数来更新权重。

为了便于理解,后面一律用“残差(error term)”这个词来表示误差的偏导数。

输出层→隐藏层:残差 = -(输出值-样本值) * 激活函数的导数 隐藏层→隐藏层:残差 = (右层每个节点的残差加权求和)* 激活函数的导数

如果用Sigmoid(logsig)作激活函数,那么:Sigmoid导数 = Sigmoid*(1-Sigmoid) 输出层→隐藏层:残差 = -(Sigmoid输出值-样本值) * Sigmoid*(1-Sigmoid) = -(输出值-样本值)输出值(1-输出值) 隐藏层→隐藏层:残差 = (右层每个节点的残差加权求和)* 当前节点的Sigmoid*(1-当前节点的Sigmoid)

残差全部计算好后,就可以更新权重了: 输入层:权重增加 = 输入值 * 右层对应节点的残差 * 学习率 隐藏层:权重增加 = 当前节点的Sigmoid * 右层对应节点的残差 * 学习率 偏移值的权重增加 = 右层对应节点的残差 * 学习率 学习率是一个预先设置好的参数,用于控制每次更新的幅度。

此后,对全部数据都反复进行这样的计算,直到输出的误差达到一个很小的值为止。 以上介绍的是目前最常见的神经网络类型,称为前馈神经网络(FeedForward Neural Network),由于它一般是要向后传递误差的,所以也叫BP神经网络(Back Propagation Neural Network)。

文字的公式看上去有点绕,下面是一个详细的计算过程(非机器封包直接计算):

1、问题描述+随机生成初始权重

这里写图片描述 问题描述中,x1、x2 是神经网络的两个输入值,而y就是实际输出值 初始权重(层与层之间边的值),是一个(-1,1) 的随机数 可以通过Python 的random库获取

import random print random.random() print random.random() print random.random() print random.random() print random.random() print random.random() #结果 0.543717672492 0.0976781735159 0.373970033901 0.596229996543 0.741053525016 0.0915456485905 [Finished in 0.2s] 2、对输入层 ->隐藏层节点进行加权求和

这里写图片描述

3、执行sigmoid激活

这里写图片描述

#这里的计算还是借助工具比较好 import math print 1.0/(1+math.e**(-0.5)) print 1.0/(1+math.e**(-0.14)) #结果 0.622459331202 0.534942945158 [Finished in 0.2s] 4、对隐藏->输出层节点进行加权求和

这里写图片描述

5、执行输出层的sigmoid激活

这里写图片描述

6、计算样本的误差、残差

这里写图片描述

7、开始反向传播,对输出层-> 隐藏层加权求和

这里写图片描述

8、求隐藏层的残差

这里写图片描述

9、更新输入层 ->隐藏层的权重

这里写图片描述

10、更新 隐藏层->输出层的权重

这里写图片描述

至此,完成了一次的“学习”(也就是梯度下降) 后续就是一次次 往这个神经网络放进输入值和输出值,不断更新权重。 足够的学习次数之后,就是最终的结果。 有兴趣可以动手试试。



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