bp网络的学习算法的实现过程

A. BP人工神经网络方法

（一）方法原理

人工神经网络是由大量的类似人脑神经元的简单处理单元广泛地相互连接而成的复杂的网络系统。理论和实践表明，在信息处理方面，神经网络方法比传统模式识别方法更具有优势。人工神经元是神经网络的基本处理单元，其接收的信息为x₁，x₂，…，x_n，而ω_ij表示第i个神经元到第j个神经元的连接强度或称权重。神经元的输入是接收信息X＝（x₁，x₂，…，x_n）与权重W＝｛ω_ij｝的点积，将输入与设定的某一阈值作比较，再经过某种神经元激活函数f的作用，便得到该神经元的输出O_i。常见的激活函数为Sigmoid型。人工神经元的输入与输出的关系为

地球物理勘探概论

式中：x_i为第i个输入元素，即n维输入矢量X的第i个分量；ω_i为第i个输入与处理单元间的互联权重；θ为处理单元的内部阈值；y为处理单元的输出。

常用的人工神经网络是BP网络，它由输入层、隐含层和输出层三部分组成。BP算法是一种有监督的模式识别方法，包括学习和识别两部分，其中学习过程又可分为正向传播和反向传播两部分。正向传播开始时，对所有的连接权值置随机数作为初值，选取模式集的任一模式作为输入，转向隐含层处理，并在输出层得到该模式对应的输出值。每一层神经元状态只影响下一层神经元状态。此时，输出值一般与期望值存在较大的误差，需要通过误差反向传递过程，计算模式的各层神经元权值的变化量

。这个过程不断重复，直至完成对该模式集所有模式的计算，产生这一轮训练值的变化量Δω_ij。在修正网络中各种神经元的权值后，网络重新按照正向传播方式得到输出。实际输出值与期望值之间的误差可以导致新一轮的权值修正。正向传播与反向传播过程循环往复，直到网络收敛，得到网络收敛后的互联权值和阈值。

（二）BP神经网络计算步骤

（1）初始化连接权值和阈值为一小的随机值，即W（0）＝任意值，θ（0）＝任意值。

（2）输入一个样本X。

（3）正向传播，计算实际输出，即根据输入样本值、互联权值和阈值，计算样本的实际输出。其中输入层的输出等于输入样本值，隐含层和输出层的输入为

地球物理勘探概论

输出为

地球物理勘探概论

式中：f为阈值逻辑函数，一般取Sigmoid函数，即

地球物理勘探概论

式中：θ_j表示阈值或偏置；θ₀的作用是调节Sigmoid函数的形状。较小的θ₀将使Sigmoid函数逼近于阈值逻辑单元的特征，较大的θ₀将导致Sigmoid函数变平缓，一般取θ₀＝1。

（4）计算实际输出与理想输出的误差

地球物理勘探概论

式中：t_pk为理想输出；O_pk为实际输出；p为样本号；k为输出节点号。

（5）误差反向传播，修改权值

地球物理勘探概论

式中：

地球物理勘探概论

地球物理勘探概论

（6）判断收敛。若误差小于给定值，则结束，否则转向步骤（2）。

（三）塔北雅克拉地区BP神经网络预测实例

以塔北雅克拉地区S4井为已知样本，取氧化还原电位，放射性元素Rn、Th、Tc、U、K和地震反射

构造面等7个特征为识别的依据。

构造面反映了局部构造的起伏变化，其局部隆起部位应是油气运移和富集的有利部位，它可以作为判断含油气性的诸种因素之一。在该地区投入了高精度重磁、土壤微磁、频谱激电等多种方法，一些参数未入选为判别的特征参数，是因为某些参数是相关的。在使用神经网络方法判别之前，还采用K-L变换（Karhaem-Loeve）来分析和提取特征。

S4井位于测区西南部5线25点，是区内唯一已知井。该井在5390.6m的侏罗系地层获得40.6m厚的油气层，在5482m深的震旦系地层中获58m厚的油气层。取S4井周围9个点，即4～6线的23～25 点作为已知油气的训练样本；由于区内没有未见油的钻井，只好根据地质资料分析，选取14～16线的55～57点作为非油气的训练样本。BP网络学习迭代17174次，总误差为0.0001，学习效果相当满意。以学习后的网络进行识别，得出结果如图6-2-4所示。

图6-2-4 塔北雅克拉地区BP神经网络聚类结果

（据刘天佑等，1997）

由图6-2-4可见，由预测值大于0.9可得5个大封闭圈远景区，其中测区南部①号远景区对应着已知油井S4井；②、③号油气远景区位于地震勘探所查明的托库1、2号构造，该两个构造位于沙雅隆起的东段，其西段即为1984年钻遇高产油气流的Sch2井，应是含油气性好的远景区；④、⑤号远景区位于大涝坝构造，是yh油田的组成部分。

B. (1)BP算法的学习过程中有两个过程是什么(2)写出BP神经网络的数学模型,并以20

bp（back propagation）网络是1986年由rumelhart和mccelland为首的科学家小组提出，是一种按误差逆传播算法训练的多层前馈网络，是目前应用最广泛的神经网络模型之一。bp网络能学习和存贮大量的输入-输出模式映射关系，而无需事前揭示描述这种映射关系的数学方程。它的学习规则是使用最速下降法，通过反向传播来不断调整网络的权值和阈值，使网络的误差平方和最小。bp神经网络模型拓扑结构包括输入层（input）、隐层(hide layer)和输出层(output layer)。
人工神经网络就是模拟人思维的第二种方式。这是一个非线性动力学系统，其特色在于信息的分布式存储和并行协同处理。虽然单个神经元的结构极其简单，功能有限，但大量神经元构成的网络系统所能实现的行为却是极其丰富多彩的。

人工神经网络首先要以一定的学习准则进行学习，然后才能工作。现以人工神经网络对手写“a”、“b”两个字母的识别为例进行说明，规定当“a”输入网络时，应该输出“1”，而当输入为“b”时，输出为“0”。

所以网络学习的准则应该是：如果网络作出错误的的判决，则通过网络的学习，应使得网络减少下次犯同样错误的可能性。首先，给网络的各连接权值赋予(0，1)区间内的随机值，将“a”所对应的图象模式输入给网络，网络将输入模式加权求和、与门限比较、再进行非线性运算，得到网络的输出。在此情况下，网络输出为“1”和“0”的概率各为50%，也就是说是完全随机的。这时如果输出为“1”(结果正确)，则使连接权值增大，以便使网络再次遇到“a”模式输入时，仍然能作出正确的判断。

如果输出为“0”(即结果错误)，则把网络连接权值朝着减小综合输入加权值的方向调整，其目的在于使网络下次再遇到“a”模式输入时，减小犯同样错误的可能性。如此操作调整，当给网络轮番输入若干个手写字母“a”、“b”后，经过网络按以上学习方法进行若干次学习后，网络判断的正确率将大大提高。这说明网络对这两个模式的学习已经获得了成功，它已将这两个模式分布地记忆在网络的各个连接权值上。当网络再次遇到其中任何一个模式时，能够作出迅速、准确的判断和识别。一般说来，网络中所含的神经元个数越多，则它能记忆、识别的模式也就越多。

如图所示拓扑结构的单隐层前馈网络，一般称为三层前馈网或三层感知器，即：输入层、中间层（也称隐层）和输出层。它的特点是：各层神经元仅与相邻层神经元之间相互全连接，同层内神经元之间无连接，各层神经元之间无反馈连接，构成具有层次结构的前馈型神经网络系统。单计算层前馈神经网络只能求解线性可分问题，能够求解非线性问题的网络必须是具有隐层的多层神经网络。
神经网络的研究内容相当广泛，反映了多学科交叉技术领域的特点。主要的研究工作集中在以下几个方面：

（1）生物原型研究。从生理学、心理学、解剖学、脑科学、病理学等生物科学方面研究神经细胞、神经网络、神经系统的生物原型结构及其功能机理。

（2）建立理论模型。根据生物原型的研究，建立神经元、神经网络的理论模型。其中包括概念模型、知识模型、物理化学模型、数学模型等。

（3）网络模型与算法研究。在理论模型研究的基础上构作具体的神经网络模型，以实现计算机模拟或准备制作硬件，包括网络学习算法的研究。这方面的工作也称为技术模型研究。

（4）人工神经网络应用系统。在网络模型与算法研究的基础上，利用人工神经网络组成实际的应用系统，例如，完成某种信号处理或模式识别的功能、构作专家系统、制成机器人等等。

纵观当代新兴科学技术的发展历史，人类在征服宇宙空间、基本粒子，生命起源等科学技术领域的进程中历经了崎岖不平的道路。我们也会看到，探索人脑功能和神经网络的研究将伴随着重重困难的克服而日新月异。
神经网络可以用作分类、聚类、预测等。神经网络需要有一定量的历史数据，通过历史数据的训练，网络可以学习到数据中隐含的知识。在你的问题中，首先要找到某些问题的一些特征，以及对应的评价数据，用这些数据来训练神经网络。

虽然bp网络得到了广泛的应用，但自身也存在一些缺陷和不足，主要包括以下几个方面的问题。

首先，由于学习速率是固定的，因此网络的收敛速度慢，需要较长的训练时间。对于一些复杂问题，bp算法需要的训练时间可能非常长，这主要是由于学习速率太小造成的，可采用变化的学习速率或自适应的学习速率加以改进。

其次，bp算法可以使权值收敛到某个值，但并不保证其为误差平面的全局最小值，这是因为采用梯度下降法可能产生一个局部最小值。对于这个问题，可以采用附加动量法来解决。

再次，网络隐含层的层数和单元数的选择尚无理论上的指导，一般是根据经验或者通过反复实验确定。因此，网络往往存在很大的冗余性，在一定程度上也增加了网络学习的负担。

最后，网络的学习和记忆具有不稳定性。也就是说，如果增加了学习样本，训练好的网络就需要从头开始训练，对于以前的权值和阈值是没有记忆的。但是可以将预测、分类或聚类做的比较好的权值保存。

C. bp算法是什么

误差反向传播算法：

BP算法的基本思想是，学习过程包括两个过程：信号前向传播和误差后向传播。

（1）前向传播:输入样本->输入层->各隐层(处理)->输出层。

（2）错误反向传播:输出错误(某种形式)->隐藏层(逐层)->输入层。

BP算法基本介绍：

多层隐含层前馈网络可以极大地提高神经网络的分类能力，但长期以来一直没有提出解决权值调整问题的博弈算法。

1986年，Rumelhart和McCelland领导的科学家团队出版了《并行分布式处理》一书，详细分析了具有非线性连续传递函数的多层前馈网络的误差反向比例（BP）算法，实现了Minsky关于多层网络的思想。由于误差的反向传播算法常用于多层前馈网络的训练，人们常直接称多层前馈网络为BP网络。

D. 什么是BP神经网络

BP算法的基本思想是：学习过程由信号正向传播与误差的反向回传两个部分组成；正向传播时，输入样本从输入层传入，经各隐层依次逐层处理，传向输出层，若输出层输出与期望不符，则将误差作为调整信号逐层反向回传，对神经元之间的连接权矩阵做出处理，使误差减小。经反复学习，最终使误差减小到可接受的范围。具体步骤如下：
1、从训练集中取出某一样本，把信息输入网络中。
2、通过各节点间的连接情况正向逐层处理后，得到神经网络的实际输出。
3、计算网络实际输出与期望输出的误差。
4、将误差逐层反向回传至之前各层，并按一定原则将误差信号加载到连接权值上，使整个神经网络的连接权值向误差减小的方向转化。
5、対训练集中每一个输入—输出样本对重复以上步骤，直到整个训练样本集的误差减小到符合要求为止。

E. 深入浅出BP神经网络算法的原理

深入浅出BP神经网络算法的原理
相信每位刚接触神经网络的时候都会先碰到BP算法的问题，如何形象快速地理解BP神经网络就是我们学习的高级乐趣了（画外音：乐趣？你在跟我谈乐趣？）
本篇博文就是要简单粗暴地帮助各位童鞋快速入门采取BP算法的神经网络。
BP神经网络是怎样的一种定义？看这句话：一种按“误差逆传播算法训练”的多层前馈网络。
BP的思想就是：利用输出后的误差来估计输出层前一层的误差，再用这层误差来估计更前一层误差，如此获取所有各层误差估计。这里的误差估计可以理解为某种偏导数，我们就是根据这种偏导数来调整各层的连接权值，再用调整后的连接权值重新计算输出误差。直到输出的误差达到符合的要求或者迭代次数溢出设定值。
说来说去，“误差”这个词说的很多嘛，说明这个算法是不是跟误差有很大的关系？
没错，BP的传播对象就是“误差”，传播目的就是得到所有层的估计误差。
它的学习规则是：使用最速下降法，通过反向传播（就是一层一层往前传）不断调整网络的权值和阈值，最后使全局误差系数最小。
它的学习本质就是：对各连接权值的动态调整。

拓扑结构如上图：输入层（input），隐藏层（hide layer），输出层（output）
BP网络的优势就是能学习和储存大量的输入输出的关系，而不用事先指出这种数学关系。那么它是如何学习的？
BP利用处处可导的激活函数来描述该层输入与该层输出的关系，常用S型函数δ来当作激活函数。

我们现在开始有监督的BP神经网络学习算法：
1、正向传播得到输出层误差e
=>输入层输入样本=>各隐藏层=>输出层
2、判断是否反向传播
=>若输出层误差与期望不符=>反向传播
3、误差反向传播
=>误差在各层显示=>修正各层单元的权值，直到误差减少到可接受程度。
算法阐述起来比较简单，接下来通过数学公式来认识BP的真实面目。
假设我们的网络结构是一个含有N个神经元的输入层，含有P个神经元的隐层，含有Q个神经元的输出层。

这些变量分别如下：

认识好以上变量后，开始计算：
一、用（-1，1）内的随机数初始化误差函数，并设定精度ε，最多迭代次数M
二、随机选取第k个输入样本及对应的期望输出

重复以下步骤至误差达到要求：
三、计算隐含层各神经元的输入和输出

四、计算误差函数e对输出层各神经元的偏导数，根据输出层期望输出和实际输出以及输出层输入等参数计算。

五、计算误差函数对隐藏层各神经元的偏导数，根据后一层（这里即输出层）的灵敏度（稍后介绍灵敏度）δo(k)，后一层连接权值w，以及该层的输入值等参数计算
六、利用第四步中的偏导数来修正输出层连接权值

七、利用第五步中的偏导数来修正隐藏层连接权值

八、计算全局误差（m个样本，q个类别）

比较具体的计算方法介绍好了，接下来用比较简洁的数学公式来大致地概括这个过程，相信看完上述的详细步骤都会有些了解和领悟。
假设我们的神经网络是这样的，此时有两个隐藏层。
我们先来理解灵敏度是什么？
看下面一个公式：

这个公式是误差对b的一个偏导数，这个b是怎么？它是一个基，灵敏度δ就是误差对基的变化率，也就是导数。
因为?u/?b=1，所以?E/?b=?E/?u=δ，也就是说bias基的灵敏度?E/?b=δ等于误差E对一个节点全部输入u的导数?E/?u。
也可以认为这里的灵敏度等于误差E对该层输入的导数，注意了，这里的输入是上图U级别的输入，即已经完成层与层权值计算后的输入。
每一个隐藏层第l层的灵敏度为：

这里的“?”表示每个元素相乘，不懂的可与上面详细公式对比理解
而输出层的灵敏度计算方法不同，为：

而最后的修正权值为灵敏度乘以该层的输入值，注意了，这里的输入可是未曾乘以权值的输入，即上图的Xi级别。

对于每一个权值(W)ij都有一个特定的学习率ηIj，由算法学习完成。

F. BP学习算法是什么类型的学习算法它主要有哪些不足

BP算法是由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。由于多层前馈网络的训练经常采用误差反向传播算法，人们也常把将多层前馈网络直接称为BP网络。

虽然BP算法得到广泛的应用，但它也存在不足，其主要表现在训练过程不确定上，具体如下。

1，训练时间较长。对于某些特殊的问题，运行时间可能需要几个小时甚至更长，这主要是因为学习率太小所致，可以采用自适应的学习率加以改进。

2，完全不能训练。训练时由于权值调整过大使激活函数达到饱和，从而使网络权值的调节几乎停滞。为避免这种情况，一是选取较小的初始权值，二是采用较小的学习率。

3，易陷入局部极小值。BP算法可以使网络权值收敛到一个最终解，但它并不能保证所求为误差超平面的全局最优解，也可能是一个局部极小值。

这主要是因为BP算法所采用的是梯度下降法，训练是从某一起始点开始沿误差函数的斜面逐渐达到误差的最小值，故不同的起始点可能导致不同的极小值产生，即得到不同的最优解。如果训练结果未达到预定精度，常常采用多层网络和较多的神经元，以使训练结果的精度进一步提高，但与此同时也增加了网络的复杂性与训练时间。

4，“喜新厌旧”。训练过程中，学习新样本时有遗忘旧样本的趋势。

(6)bp网络的学习算法的实现过程扩展阅读：

BP算法最早由Werbos于1974年提出，1985年Rumelhart等人发展了该理论。BP网络采用有指导的学习方式，其学习包括以下4个过程。

1，组成输入模式由输入层经过隐含层向输出层的“模式顺传播”过程。

2，网络的期望输出与实际输出之差的误差信号由输出层经过隐含层逐层休整连接权的“误差逆传播”过程。

3，由“模式顺传播”与“误差逆传播”的反复进行的网络“记忆训练”过程。

4，网络趋向收敛即网络的总体误差趋向极小值的“学习收敛”过程。

G. BP神经网络的梳理

BP神经网络被称为“深度学习之旅的开端”，是神经网络的入门算法。
各种高大上的神经网络都是基于BP网络出发的，最基础的原理都是由BP网络而来 [1] ，另外由于BP神经网络结构简单，算法经典， 是神经网络中应用最广泛的一种。

BP神经网络（back propagation neural network）全称是反向传播神经网络。
神经网络发展部分背景如下 [2] ：

为解决非线性问题，BP神经网络应运而生。

那么什么是BP神经网络？稍微专业点的解释要怎么说呢？

很喜欢 最简单的神经网络--Bp神经网络 一文对算法原理的解释，语言活泼，案例简单，由浅入深。
文中提到所谓的 AI 技术，本质上是一种数据处理处理技术，它的强大来自于两方面：1.互联网的发展带来的海量数据信息；2.计算机深度学习算法的快速发展。AI 其实并没有什么神秘，只是在算法上更为复杂 [3] 。

我们从上面的定义出发来解释BP神经网络的原理。

BP神经网络整个网络结构包含了：一层输入层，一到多层隐藏层，一层输出层。
一般说L层神经网络，指的是有L个隐层，输入层和输出层都不计算在内的 [6] 。

BP神经网络模型训练的学习过程由信号的 正向传播 和误差的 反向传播 两个过程组成。

什么是信号的正向传播？顾名思义，就是结构图从左到右的运算过程。

我们来看看结构图中每个小圆圈是怎么运作的。我们把小圈圈叫做神经元，是组成神经网络的基本单元。

正向传播就是输入数据经过一层一层的神经元运算、输出的过程，最后一层输出值作为算法预测值y'。

前面正向传播的时候我们提到权重w、偏置b，但我们并不知道权重w、偏置b的值应该是什么。关于最优参数的求解，我们在 线性回归 、 逻辑回归 两章中有了详细说明。大致来讲就是：

BP神经网络全称 back propagation neural network，back propagation反向传播是什么？
反向传播的建设本质上就是寻找最优的参数组合，和上面的流程差不多，根据算法预测值和实际值之间的损失函数L(y',y)，来反方向地计算每一层的z、a、w、b的偏导数，从而更新参数。
对反向传播而言，输入的内容是预测值和实际值的误差，输出的内容是对参数的更新，方向是从右往左，一层一层的更新每一层的参数。

BP神经网络通过先正向传播，构建参数和输入值的关系，通过预测值和实际值的误差，反向传播修复权重；读入新数据再正向传播预测，再反向传播修正，...，通过多次循环达到最小损失值，此时构造的模型拥有最优的参数组合。

以一个简单的BP神经网络为例，由3个输入层，2层隐藏层，每层2个神经元，1个输出层组成。

【输入层】传入
【第一层隐藏层】
对于 神经元而言，传入 ，加权求和加偏置激活函数处理后，输出 ；
对于 神经元而言，传入 ，加权求和加偏置函数处理后，输出 ；
输出：

【第二层隐藏层】
对于 神经元而言，传入 ，加权求和加偏置激活函数处理后，输出 ；
对于 神经元而言，传入 ，加权求和加偏置激活函数处理后，输出 ；
输出：

【输出层】
对于输出层神经元而言，输入 ，加权求和加偏置激活函数处理后，输出 ，输出的是一个值

第一次运行正向传播这个流程时随用随机参数就好，通过反向传播不断优化。因此需要在一开始对 设置一个随机的初始值。

首先计算正向传播输出值 与实际值的损失 ，是一个数值。所谓反向是从右到左一步步来的，先回到 ，修正参数 。

以此类推，通过对损失函数求偏导跟新参数 ，再跟新参数 。这时又回到了起点，新的数据传入又可以开始正向传播了。

keras可以快速搭建神经网络，例如以下为输入层包含7129个结点，一层隐藏层，包含128个结点，一个输出层，是二分类模型。

神经网络反向传播的优化目标为loss，可以观察到loss的值在不断的优化。

可以通过model.get_layer().get_weights()获得每一层训练后的参数结果。通过model.predict()预测新数据。

至此，BP神经网络的整个运算流程已经过了一遍。之前提到BP神经网络是为解决非线性问题应运而生的，那么为什么BP神经网络可以解决非线性问题呢？
还记得神经元里有一个激活函数的操作吗？神经网络通过激活函数的使用加入非线性因素。
通过使用非线性的激活函数可以使神经网络随意逼近复杂函数，从而使BP神经网络既可以处理线性问题，也可以处理非线性问题。

为什么激活函数的使用可以加入非线性因素 [7] ？

其实逻辑回归算法可以看作只有一个神经元的单层神经网络，只对线性可分的数据进行分类。
输入参数，加权求和，sigmoid作为激活函数计算后输出结果，模型预测值和实际值计算损失Loss,反向传播梯度下降求编导，获得最优参数。

BP神经网络是比 Logistic Regression 复杂得多的模型，它的拟合能力很强，可以处理很多 Logistic Regression处理不了的数据，但是也更容易过拟合。

具体用什么算法还是要看训练数据的情况，没有一种算法是使用所有情况的。

常见的前馈神经网络有BP网络，RBF网络等。

BP神经网络的一个主要问题是：结构不好设计。
网络隐含层的层数和单元数的选择尚无理论上的指导，一般是根据经验或者通过反复实验确定。

但是BP神经网络简单、易行、计算量小、并行性强，目前仍是多层前向网络的首选算法。

[1] 深度学习开端---BP神经网络： https://blog.csdn.net/Chile_Wang/article/details/100557010
[2] BP神经网络发展历史： https://zhuanlan.hu.com/p/47998728
[3] 最简单的神经网络--Bp神经网络： https://blog.csdn.net/weixin_40432828/article/details/82192709
[4] 神经网络的基本概念： https://blog.csdn.net/jinyuan7708/article/details/82466653
[5] 神经网络中的 “隐藏层” 理解： https://blog.csdn.net/nanhuaibeian/article/details/100183000
[6] AI学习笔记：神经元与神经网络： https://www.jianshu.com/p/65eb2fce0e9e
[7] 线性模型和非线性模型的区别： https://www.cnblogs.com/toone/p/8574294.html
[8] BP神经网络是否优于logistic回归： https://www.hu.com/question/27823925/answer/38460833