A. BP人工神經網路方法
(一)方法原理
人工神經網路是由大量的類似人腦神經元的簡單處理單元廣泛地相互連接而成的復雜的網路系統。理論和實踐表明,在信息處理方面,神經網路方法比傳統模式識別方法更具有優勢。人工神經元是神經網路的基本處理單元,其接收的信息為x1,x2,…,xn,而ωij表示第i個神經元到第j個神經元的連接強度或稱權重。神經元的輸入是接收信息X=(x1,x2,…,xn)與權重W={ωij}的點積,將輸入與設定的某一閾值作比較,再經過某種神經元激活函數f的作用,便得到該神經元的輸出Oi。常見的激活函數為Sigmoid型。人工神經元的輸入與輸出的關系為
地球物理勘探概論
式中:xi為第i個輸入元素,即n維輸入矢量X的第i個分量;ωi為第i個輸入與處理單元間的互聯權重;θ為處理單元的內部閾值;y為處理單元的輸出。
常用的人工神經網路是BP網路,它由輸入層、隱含層和輸出層三部分組成。BP演算法是一種有監督的模式識別方法,包括學習和識別兩部分,其中學習過程又可分為正向傳播和反向傳播兩部分。正向傳播開始時,對所有的連接權值置隨機數作為初值,選取模式集的任一模式作為輸入,轉向隱含層處理,並在輸出層得到該模式對應的輸出值。每一層神經元狀態隻影響下一層神經元狀態。此時,輸出值一般與期望值存在較大的誤差,需要通過誤差反向傳遞過程,計算模式的各層神經元權值的變化量
(二)BP神經網路計算步驟
(1)初始化連接權值和閾值為一小的隨機值,即W(0)=任意值,θ(0)=任意值。
(2)輸入一個樣本X。
(3)正向傳播,計算實際輸出,即根據輸入樣本值、互聯權值和閾值,計算樣本的實際輸出。其中輸入層的輸出等於輸入樣本值,隱含層和輸出層的輸入為
地球物理勘探概論
輸出為
地球物理勘探概論
式中:f為閾值邏輯函數,一般取Sigmoid函數,即
地球物理勘探概論
式中:θj表示閾值或偏置;θ0的作用是調節Sigmoid函數的形狀。較小的θ0將使Sigmoid函數逼近於閾值邏輯單元的特徵,較大的θ0將導致Sigmoid函數變平緩,一般取θ0=1。
(4)計算實際輸出與理想輸出的誤差
地球物理勘探概論
式中:tpk為理想輸出;Opk為實際輸出;p為樣本號;k為輸出節點號。
(5)誤差反向傳播,修改權值
地球物理勘探概論
式中:
地球物理勘探概論
地球物理勘探概論
(6)判斷收斂。若誤差小於給定值,則結束,否則轉向步驟(2)。
(三)塔北雅克拉地區BP神經網路預測實例
以塔北雅克拉地區S4井為已知樣本,取氧化還原電位,放射性元素Rn、Th、Tc、U、K和地震反射
S4井位於測區西南部5線25點,是區內唯一已知井。該井在5390.6m的侏羅系地層獲得40.6m厚的油氣層,在5482m深的震旦系地層中獲58m厚的油氣層。取S4井周圍9個點,即4~6線的23~25 點作為已知油氣的訓練樣本;由於區內沒有未見油的鑽井,只好根據地質資料分析,選取14~16線的55~57點作為非油氣的訓練樣本。BP網路學習迭代17174次,總誤差為0.0001,學習效果相當滿意。以學習後的網路進行識別,得出結果如圖6-2-4所示。
圖6-2-4 塔北雅克拉地區BP神經網路聚類結果
(據劉天佑等,1997)
由圖6-2-4可見,由預測值大於0.9可得5個大封閉圈遠景區,其中測區南部①號遠景區對應著已知油井S4井;②、③號油氣遠景區位於地震勘探所查明的托庫1、2號構造,該兩個構造位於沙雅隆起的東段,其西段即為1984年鑽遇高產油氣流的Sch2井,應是含油氣性好的遠景區;④、⑤號遠景區位於大澇壩構造,是yh油田的組成部分。
B. (1)BP演算法的學習過程中有兩個過程是什麼(2)寫出BP神經網路的數學模型,並以20
bp(back propagation)網路是1986年由rumelhart和mccelland為首的科學家小組提出,是一種按誤差逆傳播演算法訓練的多層前饋網路,是目前應用最廣泛的神經網路模型之一。bp網路能學習和存貯大量的輸入-輸出模式映射關系,而無需事前揭示描述這種映射關系的數學方程。它的學習規則是使用最速下降法,通過反向傳播來不斷調整網路的權值和閾值,使網路的誤差平方和最小。bp神經網路模型拓撲結構包括輸入層(input)、隱層(hide layer)和輸出層(output layer)。
人工神經網路就是模擬人思維的第二種方式。這是一個非線性動力學系統,其特色在於信息的分布式存儲和並行協同處理。雖然單個神經元的結構極其簡單,功能有限,但大量神經元構成的網路系統所能實現的行為卻是極其豐富多彩的。
人工神經網路首先要以一定的學習准則進行學習,然後才能工作。現以人工神經網路對手寫「a」、「b」兩個字母的識別為例進行說明,規定當「a」輸入網路時,應該輸出「1」,而當輸入為「b」時,輸出為「0」。
所以網路學習的准則應該是:如果網路作出錯誤的的判決,則通過網路的學習,應使得網路減少下次犯同樣錯誤的可能性。首先,給網路的各連接權值賦予(0,1)區間內的隨機值,將「a」所對應的圖象模式輸入給網路,網路將輸入模式加權求和、與門限比較、再進行非線性運算,得到網路的輸出。在此情況下,網路輸出為「1」和「0」的概率各為50%,也就是說是完全隨機的。這時如果輸出為「1」(結果正確),則使連接權值增大,以便使網路再次遇到「a」模式輸入時,仍然能作出正確的判斷。
如果輸出為「0」(即結果錯誤),則把網路連接權值朝著減小綜合輸入加權值的方向調整,其目的在於使網路下次再遇到「a」模式輸入時,減小犯同樣錯誤的可能性。如此操作調整,當給網路輪番輸入若干個手寫字母「a」、「b」後,經過網路按以上學習方法進行若干次學習後,網路判斷的正確率將大大提高。這說明網路對這兩個模式的學習已經獲得了成功,它已將這兩個模式分布地記憶在網路的各個連接權值上。當網路再次遇到其中任何一個模式時,能夠作出迅速、准確的判斷和識別。一般說來,網路中所含的神經元個數越多,則它能記憶、識別的模式也就越多。
如圖所示拓撲結構的單隱層前饋網路,一般稱為三層前饋網或三層感知器,即:輸入層、中間層(也稱隱層)和輸出層。它的特點是:各層神經元僅與相鄰層神經元之間相互全連接,同層內神經元之間無連接,各層神經元之間無反饋連接,構成具有層次結構的前饋型神經網路系統。單計算層前饋神經網路只能求解線性可分問題,能夠求解非線性問題的網路必須是具有隱層的多層神經網路。
神經網路的研究內容相當廣泛,反映了多學科交叉技術領域的特點。主要的研究工作集中在以下幾個方面:
(1)生物原型研究。從生理學、心理學、解剖學、腦科學、病理學等生物科學方面研究神經細胞、神經網路、神經系統的生物原型結構及其功能機理。
(2)建立理論模型。根據生物原型的研究,建立神經元、神經網路的理論模型。其中包括概念模型、知識模型、物理化學模型、數學模型等。
(3)網路模型與演算法研究。在理論模型研究的基礎上構作具體的神經網路模型,以實現計算機模擬或准備製作硬體,包括網路學習演算法的研究。這方面的工作也稱為技術模型研究。
(4)人工神經網路應用系統。在網路模型與演算法研究的基礎上,利用人工神經網路組成實際的應用系統,例如,完成某種信號處理或模式識別的功能、構作專家系統、製成機器人等等。
縱觀當代新興科學技術的發展歷史,人類在征服宇宙空間、基本粒子,生命起源等科學技術領域的進程中歷經了崎嶇不平的道路。我們也會看到,探索人腦功能和神經網路的研究將伴隨著重重困難的克服而日新月異。
神經網路可以用作分類、聚類、預測等。神經網路需要有一定量的歷史數據,通過歷史數據的訓練,網路可以學習到數據中隱含的知識。在你的問題中,首先要找到某些問題的一些特徵,以及對應的評價數據,用這些數據來訓練神經網路。
雖然bp網路得到了廣泛的應用,但自身也存在一些缺陷和不足,主要包括以下幾個方面的問題。
首先,由於學習速率是固定的,因此網路的收斂速度慢,需要較長的訓練時間。對於一些復雜問題,bp演算法需要的訓練時間可能非常長,這主要是由於學習速率太小造成的,可採用變化的學習速率或自適應的學習速率加以改進。
其次,bp演算法可以使權值收斂到某個值,但並不保證其為誤差平面的全局最小值,這是因為採用梯度下降法可能產生一個局部最小值。對於這個問題,可以採用附加動量法來解決。
再次,網路隱含層的層數和單元數的選擇尚無理論上的指導,一般是根據經驗或者通過反復實驗確定。因此,網路往往存在很大的冗餘性,在一定程度上也增加了網路學習的負擔。
最後,網路的學習和記憶具有不穩定性。也就是說,如果增加了學習樣本,訓練好的網路就需要從頭開始訓練,對於以前的權值和閾值是沒有記憶的。但是可以將預測、分類或聚類做的比較好的權值保存。
C. bp演算法是什麼
誤差反向傳播演算法:
BP演算法的基本思想是,學習過程包括兩個過程:信號前向傳播和誤差後向傳播。
(1)前向傳播:輸入樣本->輸入層->各隱層(處理)->輸出層。
(2)錯誤反向傳播:輸出錯誤(某種形式)->隱藏層(逐層)->輸入層。
BP演算法基本介紹:
多層隱含層前饋網路可以極大地提高神經網路的分類能力,但長期以來一直沒有提出解決權值調整問題的博弈演算法。
1986年,Rumelhart和McCelland領導的科學家團隊出版了《並行分布式處理》一書,詳細分析了具有非線性連續傳遞函數的多層前饋網路的誤差反向比例(BP)演算法,實現了Minsky關於多層網路的思想。由於誤差的反向傳播演算法常用於多層前饋網路的訓練,人們常直接稱多層前饋網路為BP網路。
D. 什麼是BP神經網路
BP演算法的基本思想是:學習過程由信號正向傳播與誤差的反向回傳兩個部分組成;正向傳播時,輸入樣本從輸入層傳入,經各隱層依次逐層處理,傳向輸出層,若輸出層輸出與期望不符,則將誤差作為調整信號逐層反向回傳,對神經元之間的連接權矩陣做出處理,使誤差減小。經反復學習,最終使誤差減小到可接受的范圍。具體步驟如下:
1、從訓練集中取出某一樣本,把信息輸入網路中。
2、通過各節點間的連接情況正向逐層處理後,得到神經網路的實際輸出。
3、計算網路實際輸出與期望輸出的誤差。
4、將誤差逐層反向回傳至之前各層,並按一定原則將誤差信號載入到連接權值上,使整個神經網路的連接權值向誤差減小的方向轉化。
5、対訓練集中每一個輸入—輸出樣本對重復以上步驟,直到整個訓練樣本集的誤差減小到符合要求為止。
E. 深入淺出BP神經網路演算法的原理
深入淺出BP神經網路演算法的原理
相信每位剛接觸神經網路的時候都會先碰到BP演算法的問題,如何形象快速地理解BP神經網路就是我們學習的高級樂趣了(畫外音:樂趣?你在跟我談樂趣?)
本篇博文就是要簡單粗暴地幫助各位童鞋快速入門採取BP演算法的神經網路。
BP神經網路是怎樣的一種定義?看這句話:一種按「誤差逆傳播演算法訓練」的多層前饋網路。
BP的思想就是:利用輸出後的誤差來估計輸出層前一層的誤差,再用這層誤差來估計更前一層誤差,如此獲取所有各層誤差估計。這里的誤差估計可以理解為某種偏導數,我們就是根據這種偏導數來調整各層的連接權值,再用調整後的連接權值重新計算輸出誤差。直到輸出的誤差達到符合的要求或者迭代次數溢出設定值。
說來說去,「誤差」這個詞說的很多嘛,說明這個演算法是不是跟誤差有很大的關系?
沒錯,BP的傳播對象就是「誤差」,傳播目的就是得到所有層的估計誤差。
它的學習規則是:使用最速下降法,通過反向傳播(就是一層一層往前傳)不斷調整網路的權值和閾值,最後使全局誤差系數最小。
它的學習本質就是:對各連接權值的動態調整。
拓撲結構如上圖:輸入層(input),隱藏層(hide layer),輸出層(output)
BP網路的優勢就是能學習和儲存大量的輸入輸出的關系,而不用事先指出這種數學關系。那麼它是如何學習的?
BP利用處處可導的激活函數來描述該層輸入與該層輸出的關系,常用S型函數δ來當作激活函數。
我們現在開始有監督的BP神經網路學習演算法:
1、正向傳播得到輸出層誤差e
=>輸入層輸入樣本=>各隱藏層=>輸出層
2、判斷是否反向傳播
=>若輸出層誤差與期望不符=>反向傳播
3、誤差反向傳播
=>誤差在各層顯示=>修正各層單元的權值,直到誤差減少到可接受程度。
演算法闡述起來比較簡單,接下來通過數學公式來認識BP的真實面目。
假設我們的網路結構是一個含有N個神經元的輸入層,含有P個神經元的隱層,含有Q個神經元的輸出層。
這些變數分別如下:
認識好以上變數後,開始計算:
一、用(-1,1)內的隨機數初始化誤差函數,並設定精度ε,最多迭代次數M
二、隨機選取第k個輸入樣本及對應的期望輸出
重復以下步驟至誤差達到要求:
三、計算隱含層各神經元的輸入和輸出
四、計算誤差函數e對輸出層各神經元的偏導數,根據輸出層期望輸出和實際輸出以及輸出層輸入等參數計算。
五、計算誤差函數對隱藏層各神經元的偏導數,根據後一層(這里即輸出層)的靈敏度(稍後介紹靈敏度)δo(k),後一層連接權值w,以及該層的輸入值等參數計算
六、利用第四步中的偏導數來修正輸出層連接權值
七、利用第五步中的偏導數來修正隱藏層連接權值
八、計算全局誤差(m個樣本,q個類別)
比較具體的計算方法介紹好了,接下來用比較簡潔的數學公式來大致地概括這個過程,相信看完上述的詳細步驟都會有些了解和領悟。
假設我們的神經網路是這樣的,此時有兩個隱藏層。
我們先來理解靈敏度是什麼?
看下面一個公式:
這個公式是誤差對b的一個偏導數,這個b是怎麼?它是一個基,靈敏度δ就是誤差對基的變化率,也就是導數。
因為?u/?b=1,所以?E/?b=?E/?u=δ,也就是說bias基的靈敏度?E/?b=δ等於誤差E對一個節點全部輸入u的導數?E/?u。
也可以認為這里的靈敏度等於誤差E對該層輸入的導數,注意了,這里的輸入是上圖U級別的輸入,即已經完成層與層權值計算後的輸入。
每一個隱藏層第l層的靈敏度為:
這里的「?」表示每個元素相乘,不懂的可與上面詳細公式對比理解
而輸出層的靈敏度計算方法不同,為:
而最後的修正權值為靈敏度乘以該層的輸入值,注意了,這里的輸入可是未曾乘以權值的輸入,即上圖的Xi級別。
對於每一個權值(W)ij都有一個特定的學習率ηIj,由演算法學習完成。
F. BP學習演算法是什麼類型的學習演算法它主要有哪些不足
BP演算法是由學習過程由信號的正向傳播與誤差的反向傳播兩個過程組成。由於多層前饋網路的訓練經常採用誤差反向傳播演算法,人們也常把將多層前饋網路直接稱為BP網路。
雖然BP演算法得到廣泛的應用,但它也存在不足,其主要表現在訓練過程不確定上,具體如下。
1,訓練時間較長。對於某些特殊的問題,運行時間可能需要幾個小時甚至更長,這主要是因為學習率太小所致,可以採用自適應的學習率加以改進。
2,完全不能訓練。訓練時由於權值調整過大使激活函數達到飽和,從而使網路權值的調節幾乎停滯。為避免這種情況,一是選取較小的初始權值,二是採用較小的學習率。
3,易陷入局部極小值。BP演算法可以使網路權值收斂到一個最終解,但它並不能保證所求為誤差超平面的全局最優解,也可能是一個局部極小值。
這主要是因為BP演算法所採用的是梯度下降法,訓練是從某一起始點開始沿誤差函數的斜面逐漸達到誤差的最小值,故不同的起始點可能導致不同的極小值產生,即得到不同的最優解。如果訓練結果未達到預定精度,常常採用多層網路和較多的神經元,以使訓練結果的精度進一步提高,但與此同時也增加了網路的復雜性與訓練時間。
4,「喜新厭舊」。訓練過程中,學習新樣本時有遺忘舊樣本的趨勢。
(6)bp網路的學習演算法的實現過程擴展閱讀:
BP演算法最早由Werbos於1974年提出,1985年Rumelhart等人發展了該理論。BP網路採用有指導的學習方式,其學習包括以下4個過程。
1,組成輸入模式由輸入層經過隱含層向輸出層的「模式順傳播」過程。
2,網路的期望輸出與實際輸出之差的誤差信號由輸出層經過隱含層逐層休整連接權的「誤差逆傳播」過程。
3,由「模式順傳播」與「誤差逆傳播」的反復進行的網路「記憶訓練」過程。
4,網路趨向收斂即網路的總體誤差趨向極小值的「學習收斂」過程。
G. BP神經網路的梳理
BP神經網路被稱為「深度學習之旅的開端」,是神經網路的入門演算法。
各種高大上的神經網路都是基於BP網路出發的,最基礎的原理都是由BP網路而來 [1] ,另外由於BP神經網路結構簡單,演算法經典, 是神經網路中應用最廣泛的一種。
BP神經網路(back propagation neural network)全稱是反向傳播神經網路。
神經網路發展部分背景如下 [2] :
為解決非線性問題,BP神經網路應運而生。
那麼什麼是BP神經網路?稍微專業點的解釋要怎麼說呢?
很喜歡 最簡單的神經網路--Bp神經網路 一文對演算法原理的解釋,語言活潑,案例簡單,由淺入深。
文中提到所謂的 AI 技術,本質上是一種數據處理處理技術,它的強大來自於兩方面:1.互聯網的發展帶來的海量數據信息;2.計算機深度學習演算法的快速發展。AI 其實並沒有什麼神秘,只是在演算法上更為復雜 [3] 。
我們從上面的定義出發來解釋BP神經網路的原理。
BP神經網路整個網路結構包含了:一層輸入層,一到多層隱藏層,一層輸出層。
一般說L層神經網路,指的是有L個隱層,輸入層和輸出層都不計算在內的 [6] 。
BP神經網路模型訓練的學習過程由信號的 正向傳播 和誤差的 反向傳播 兩個過程組成。
什麼是信號的正向傳播?顧名思義,就是結構圖從左到右的運算過程。
我們來看看結構圖中每個小圓圈是怎麼運作的。我們把小圈圈叫做神經元,是組成神經網路的基本單元。
正向傳播就是輸入數據經過一層一層的神經元運算、輸出的過程,最後一層輸出值作為演算法預測值y'。
前面正向傳播的時候我們提到權重w、偏置b,但我們並不知道權重w、偏置b的值應該是什麼。關於最優參數的求解,我們在 線性回歸 、 邏輯回歸 兩章中有了詳細說明。大致來講就是:
BP神經網路全稱 back propagation neural network,back propagation反向傳播是什麼?
反向傳播的建設本質上就是尋找最優的參數組合,和上面的流程差不多,根據演算法預測值和實際值之間的損失函數L(y',y),來反方向地計算每一層的z、a、w、b的偏導數,從而更新參數。
對反向傳播而言,輸入的內容是預測值和實際值的誤差,輸出的內容是對參數的更新,方向是從右往左,一層一層的更新每一層的參數。
BP神經網路通過先正向傳播,構建參數和輸入值的關系,通過預測值和實際值的誤差,反向傳播修復權重;讀入新數據再正向傳播預測,再反向傳播修正,...,通過多次循環達到最小損失值,此時構造的模型擁有最優的參數組合。
以一個簡單的BP神經網路為例,由3個輸入層,2層隱藏層,每層2個神經元,1個輸出層組成。
【輸入層】傳入
【第一層隱藏層】
對於 神經元而言,傳入 ,加權求和加偏置激活函數處理後,輸出 ;
對於 神經元而言,傳入 ,加權求和加偏置函數處理後,輸出 ;
輸出:
【第二層隱藏層】
對於 神經元而言,傳入 ,加權求和加偏置激活函數處理後,輸出 ;
對於 神經元而言,傳入 ,加權求和加偏置激活函數處理後,輸出 ;
輸出:
【輸出層】
對於輸出層神經元而言,輸入 ,加權求和加偏置激活函數處理後,輸出 ,輸出的是一個值
第一次運行正向傳播這個流程時隨用隨機參數就好,通過反向傳播不斷優化。因此需要在一開始對 設置一個隨機的初始值。
首先計算正向傳播輸出值 與實際值的損失 ,是一個數值。所謂反向是從右到左一步步來的,先回到 ,修正參數 。
以此類推,通過對損失函數求偏導跟新參數 ,再跟新參數 。這時又回到了起點,新的數據傳入又可以開始正向傳播了。
keras可以快速搭建神經網路,例如以下為輸入層包含7129個結點,一層隱藏層,包含128個結點,一個輸出層,是二分類模型。
神經網路反向傳播的優化目標為loss,可以觀察到loss的值在不斷的優化。
可以通過model.get_layer().get_weights()獲得每一層訓練後的參數結果。通過model.predict()預測新數據。
至此,BP神經網路的整個運算流程已經過了一遍。之前提到BP神經網路是為解決非線性問題應運而生的,那麼為什麼BP神經網路可以解決非線性問題呢?
還記得神經元里有一個激活函數的操作嗎?神經網路通過激活函數的使用加入非線性因素。
通過使用非線性的激活函數可以使神經網路隨意逼近復雜函數,從而使BP神經網路既可以處理線性問題,也可以處理非線性問題。
為什麼激活函數的使用可以加入非線性因素 [7] ?
其實邏輯回歸演算法可以看作只有一個神經元的單層神經網路,只對線性可分的數據進行分類。
輸入參數,加權求和,sigmoid作為激活函數計算後輸出結果,模型預測值和實際值計算損失Loss,反向傳播梯度下降求編導,獲得最優參數。
BP神經網路是比 Logistic Regression 復雜得多的模型,它的擬合能力很強,可以處理很多 Logistic Regression處理不了的數據,但是也更容易過擬合。
具體用什麼演算法還是要看訓練數據的情況,沒有一種演算法是使用所有情況的。
常見的前饋神經網路有BP網路,RBF網路等。
BP神經網路的一個主要問題是:結構不好設計。
網路隱含層的層數和單元數的選擇尚無理論上的指導,一般是根據經驗或者通過反復實驗確定。
但是BP神經網路簡單、易行、計算量小、並行性強,目前仍是多層前向網路的首選演算法。
[1] 深度學習開端---BP神經網路: https://blog.csdn.net/Chile_Wang/article/details/100557010
[2] BP神經網路發展歷史: https://zhuanlan.hu.com/p/47998728
[3] 最簡單的神經網路--Bp神經網路: https://blog.csdn.net/weixin_40432828/article/details/82192709
[4] 神經網路的基本概念: https://blog.csdn.net/jinyuan7708/article/details/82466653
[5] 神經網路中的 「隱藏層」 理解: https://blog.csdn.net/nanhuaibeian/article/details/100183000
[6] AI學習筆記:神經元與神經網路: https://www.jianshu.com/p/65eb2fce0e9e
[7] 線性模型和非線性模型的區別: https://www.cnblogs.com/toone/p/8574294.html
[8] BP神經網路是否優於logistic回歸: https://www.hu.com/question/27823925/answer/38460833