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前馈型BP神经网络

news 文章来源：https://blog.csdn.net/weixin_42596778/article/details/133813685 2025/1/16 3:52:49

1.感知机和激活函数

感知机，是构成神经网络的基本单位，一个感知机可以接收n个输入X=（x1,x2,x3…xn)T（每个输入，可以理解为一种特征）,n个输入对应n个权值W=（w1,w2,w3…wn),此外还有一个偏置项b，学过矩阵的人应该可以看出，这其实是一个y=WX+b的函数，实际上就是对所有的输入，根据权值和偏置量进行求和运算，然后作为一个神经元的输出。如下图：
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通过上图可以看出，神经元里，其实是一个线性函数，我们现在先不讨论他是如何学习数据的特征，我们可以通过极限的思想，想象一下这么一个场景，要实现通过特征，进行设备分类，每个设备种类，是一个多维空间中的点，我们要做的就是用函数画出每种设备所在的多维空间中的位置，那么现在再回头看我们神经元中的这个函数，他只是一个线性函数，所以无论我们有多少个神经元和多少个网络深度，他终究在极限的边缘处，只能表示线性关系，如果想象不出来看下面的推导：

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红框中就是输出层的推到公式，很明显，也是线性关系，所以为了让预测的情况更加准确，我们需要一个激活函数，把线性关系，转化为非线性关系，我们就需要把神经元设计成如下：

常见的激活函数有（科学家研究出来的）： sigmoid，对数几率logistic，双曲正切Tanh，以及现在用的最多的ReLu和Leaky-ReLu，softMax。
一般分类问题，都是用softMax函数作为激活函数，因为它可以把每种输出作为概率输出
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（具体的激活函数，这里不做解释了）

2.梯度下降法

梯度下降法，是我们用来计算损失函数误差，和更新w，b的常用算法，他的原理其实很简单，如下图：
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假如损失函数，是一个一元2次函数，只需要随机获取2个点f（X1),f(X0)的值，进行比较，我们就可以知道大小，极小值点肯定是朝着数值小的地方，假如f（x1）<f(x0),那么就说明x1更接近极小值点，那么我们只需要朝着x1的方向，再取一个x2，慢慢的就可以向极小值靠近，这个x1和x2的距离，我们就叫步长 ，但是选择步长，是个问题，步长过小，迭代次数过多，步长过大，会产生震荡，导致在极小值点来回跳跃，所以我们就需要一个可以自动更新步长的方法，我们都知道在一个曲线的地方，这点的斜率，代表了他的抖度，当越接近极小值的时候，斜率就越小，所以用步长*这点的偏导数，就可以自动调节步长了，如果是二元函数也是一个道理，如下图：
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3.BP神经网络结构

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输入层：输入的其实就是数据集中的特征，一种特征代表一种输入
隐含层：就是上面说的神经元，其中隐含层的层数和神经元个数，是需要通过试验来确定的
输出层：数据集中的分类有几个，就有几个输出层神经元
在多层神经网络中，每一层的输出，代表的是上一层的输入，只要有足够多的隐含层，且每层有足够多的神经元，那么神经网络就可以拟合出任意复杂函数或空间分布，就比如下面这个：
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隐含层中有三个神经元，可以看出拟合出来了三条直线，通过激活函数，就可以把线性关系转化为非线性关系。

4.损失函数：

在训练神经网络的时候，我们知道是用已经的Y和X，去训练寻找W和B，那么我们就需要知道什么情况下，W和B是已经训练的差不多了，其实就是当我们训练出来的y0和真实的y之间的差距越小，说明训练的W和B就越好，那么我们就需要定义一个损失函数，用来评估我们的模型训练质量。
这里就介绍两个常用的损失函数：
交叉熵损失函数：
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均方误差函数：

5.独热编码

直接举个通俗易懂的例子，我们在训练数据的时候，有很多抽象的数据，比如设备重要程度，我们不能直接使用1，2，3来区分它的重要程度，也不能直接使用它的编码如A1,A2,A3，因为使用这些编码作为输入，计算机它理解不了，所以我们需要把他转化为欧式距离，例如设备重要程度分为，一般设备，重要设备，那么我们就应该给他们设置独热编码为[0,1],[1,0]，这其实代表的是这个这两个分类到原点的欧式距离。

6.误差反向传播算法：

神经网络中，每个神经元相连接的线上都有自己的权值w和偏置量b，我们在进行一次训练后，应该根据损失函数，使用最小梯度下降法，来返回去更w和b， 然后使用更新后的w和b，再用新的数据进行训练，就这样一直重复，从而拟合出最佳的网络。
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上图为一次误差反向传播的过程，隐含层和输出层使用的激活函数为softMax函数，损失函数使用的是均方误差函数，可以看到Loss函数中，它是一个带平方的函数，所以我们就可以用最小梯度下降法，来求它的下一个落脚位置，慢慢的就可以靠近loss的极小值点 ，前面我们说过，怎么求解下一个落脚点，如下图
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这里只是把x和y，换成了w和b，因为x和y是我们数据集中的已知量，而w和b是我们要求的未知量，关于求w0和b0的偏导数，使用的是链式求导法则：

以上就是更新神经网络中W和B的全过程。

7.BP神经网络训练过程：

初始化网络权值和神经元的阑值，一般通过随机的方式进行初始化
前向传播:计算隐层神经元和输出层神经元的输出
后向传播:根据目标函数公式修正W和B

参考：慕课网-神经网络与深度学习（牟琦），深度学习及其应用（赵卫亮）