BP神经网络 [神经网络 2]

本文来自于 [1] BP神经网络 和 [2] Wikipedia: Backpropagation，感谢原文作者！

 

1- M-P模型

 

　　按照生物神经元，我们建立M-P模型。为了使得建模更加简单，以便于进行形式化表达，我们忽略时间整合作用、不应期等复杂因素，并把神经元的突触时延和强度当成常数。右图就是一个M-P模型的示意图。

　　那么接下来就好类比理解了。我们将这个模型和生物神经元的特性列表来比较：

 

　　结合M-P模型示意图来看，对于某一个神经元 $j$ （注意别混淆成变量了，在这里 $j$ 只是起到标识某个神经元的作用），它可能接受同时接受了许多个输入信号，用 $\chi_i$ 表示，前面说过，由于生物神经元具有不同的突触性质和突触强度，所以对神经元的影响不同，我们用权值 $\omega_{ij}$ 来表示，其正负模拟了生物神经元中突出的兴奋和抑制，其大小则代表了突出的不同连接强度。由于累加性，我们对全部输入信号进行累加整合，相当于生物神经元中的膜电位，其值就为：\[\begin{equation}net_{j}^{'}=\sum_{i=1}^{n}\omega_{ij}\chi_{i}\end{equation}\]

　　神经元激活与否取决于某一阈值电位，即只有当其输入总和超过阈值 $T_{j}$ 时，神经元才被激活而发放脉冲，否则神经元不会发生输出信号。整个过程可以用下面这个函数来表示：\[\begin{equation}\omicron_{j}=f\big\{\small[\sum_{i=1}^{n}\omega_{ij}\chi_{i}\small]-T_{j}\big\}\end{equation}\]

　　如果 $\chi_{0}=-1, \omega_{0j}=T_{j}$，则有 $-T_{j}=\chi_{0}\omega_{0j}$。上述公式可以简化为：\[\begin{align}&net_{j}^{'}=W_{j}^{T}X\\&\omicron_{j}=f(net_{j})=f(W_{j}^{T}X)\end{align}\]

 

2- 感知器

　　在1958年,美国心理学家Frank Rosenblatt提出一种具有单层计算单元的神经网络,称为感知器(Perceptron)。它其实就是基于M-P模型的结构。我们可以看看它的拓扑结构图。

　　这个结构非常简单，其实就是输入输出两层神经元之间的简单连接。

　　我们一般采用符号函数来当作单层感知器的传递函数，即输出\[\begin{equation}\omicron_{j}=sgn(net_{j}^{'}-T_{j})=sgn(\sum_{i=0}^{n}\omega_{ij}x_{i})=sgn(W_{j}^{T}X)\end{equation}\]

公式（5）可以进一步表达为：

\[\omicron_{j}=\left\{ \begin{array}{rr}-1,\quad W_{j}^{T}X>0\\1,\quad W_{j}^{T}X<0\end{array}\right.\]

 　　2.1 单层感知器的局限性

　　　　虽然单层感知器简单而优雅，但它显然不够聪明——它仅对线性问题具有分类能力。什么是线性问题呢？简单来讲，就是用一条直线可分的图形。比如，逻辑“与”和逻辑“或”就是线性问题，我们可以用一条直线来分隔0和1。

　　　　A. 逻辑“与”的真值表和二维样本图如图：

　　　　B. 逻辑“或”的真值表如图：

 

　　　　为什么感知器就可以解决线性问题呢？这是由它的传递函数决定的。这里以两个输入分量 $x_{1}$ 和 $x_{2}$ 组成的二维空间为例，方程$$\omega_{1j}x_{1}+\omega_{2j}x_{2}-T_{j}=0$$确定的直线就是二维输入样本空间上的一条分界线。

　　　　如果要让它来处理非线性的问题，单层感知器网就无能为力了。例如下面的“异或”，就无法用一条直线来分割开来，因此单层感知器网就没办法实现“异或”的功能。

 　　　　仅对线性可分问题具有分类能力，这就是单层感知器的局限所在。显然它能够解决的实际问题是很有限的。也正因为这样，单层感知器在解决实际问题时很少被采用。

 

　　2.2 多层感知器的瓶颈

　　　　既然一条直线无法解决分类问题，当然就会有人想到用弯曲的折线来进行样本分类，即多层感知器。其原理就是在输入层和输出层之间加入隐层，，以形成能够将样本正确分类的凸域。多层感知器的拓扑结构如图5所示。

 

　　　　我们可以比较一下单层感知器和多层感知器的分类能力：

　　　　由上图可以看出，随着隐层层数的增多，凸域将可以形成任意的形状，因此可以解决任何复杂的分类问题。实际上，Kolmogorov理论指出：双隐层感知器就足以解决任何复杂的分类问题。

　　　　多层感知器确实是非常理想的分类器，但问题也随之而来：隐层的权值怎么训练？对于各隐层的节点来说，它们并不存在期望输出，所以也无法通过感知器的学习规则来训练多层感知器。因此，多层感知器心有余而力不足，虽然武功高强，但却无力可施。

 

3- BP算法

　　3.1 BP网络的拓扑结构

　　　　BP网络实际上就是多层感知器，因此它的拓扑结构和多层感知器的拓扑结构相同。由于单隐层（三层）感知器已经能够解决简单的非线性问题，因此应用最为普遍。三层感知器的拓扑结构如图所示。

　　3.2 BP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。为什么要选 择这个函数，等下在介绍BP网络的学习算法的时候会进行进一步的介绍。S函数有单极性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：$$f(x)=\frac{1}{1+e^{-x}}$$

其函数曲线如图所示：

　　　　

　　　　双极性S型函数定义如下：$$f(x)=\frac{1-e^{-x}}{1+e^{-x}}$$

　　　　其函数曲线如图所示：

 

　　3.3 BP网络的学习算法

　　　　BP网络的学习算法就是BP算法， 以三层感知器为例，当网络输出与期望输出不等时，存在输出误差 $E$，定义如下：

\[\begin{equation}E=\frac{1}{2}(t-y)^{2}=\frac{1}{2}\sum_{k=1}^{l}(t_{k}-y_{k})^{2}\end{equation}\]

其中，$t$ 为训练样本的真实输出，$o$ 为BP网络输出。

　　　　对于每个神经节点 $j$，由（3）（4）知BP网络输出\[\begin{equation}\omicron_{j}=\varphi(net_{j})=\varphi(\sum_{k=1}^{n}\omega_{kj}x_{k})\end{equation}\]

同时取激励函数为单极S型，即$$\varphi(z)=\frac{1}{1+e^{-z}}$$

且函数 $\varphi$ 的导数满足：\[\begin{equation}\frac{\partial\varphi}{\partial z}=\varphi(1-\varphi)\end{equation}\]

以下推导误差的反向传递过程：

　　　　BP算法的最终目的是要调整所有权重 $\omega_{ij}$ 使的误差 $E$ 达到最小。由（6）（7）知 $E$ 是 $\omega_{ij}$ 的函数，因此要使误差最小，若采用最速下降法，则每次向 $\omega_{ij}$ 的负梯度方向调整。问题关键就转换为求解 $\partial E/\partial\omega_{ij}$。

\[\begin{equation}\frac{\partial E}{\partial\omega_{ij}}=\frac{\partial E}{\partial\omicron_{j}}\frac{\partial\omicron_{j}}{\partial net_{j}}\frac{\partial net_{j}}{\partial\omega_{ij}}\end{equation}\]

 　　　　由（1）有\[\begin{equation}\frac{\partial net_{j}}{\partial\omega_{ij}}=\frac{\partial}{\partial\omega_{ij}}(\sum_{k=1}^{n}\omega_{kj}x_{k})=x_{i}\end{equation}\]

　　　　同时由（7）（8）有\[\begin{equation}\frac{\partial\omicron_{j}}{\partial net_{j}}=\frac{\partial}{\partial net_{j}}\varphi(net_{j})=\varphi(net_{j})\big(1-\varphi(net_{j})\big)\end{equation}\]

最后分析 $\partial E/\partial\omega_{ij}$ 第一项：

　　（1）若神经元 $j$ 为输出层，则此时 $\omicron_{j}=y$ 且

\[\begin{equation}\frac{\partial E}{\partial\omicron_{j}}=\frac{\partial E}{\partial y}=\frac{\partial}{\partial y}\frac{1}{3}(t-y)^{2}=y-t\end{equation}\]

　　（2）若 $j$ 为隐藏层，首先假设神经元 $j$ 传递的下一层神经元为 $L=u,v,\cdots,w$，那么

$$\frac{\partial E(\omicron_{j})}{\partial\omicron_{j}}=\frac{\partial E(net_{u},net_{v},\cdots,net_{w})}{\partial\omicron_{j}}$$

 故

\[\begin{equation}\frac{\partial E}{\partial\omicron_{j}}=\sum_{l\in L}\big(\frac{\partial E}{\partial net_{l}}\frac{\partial net_{l}}{\partial\omicron_{j}}\big)=\sum_{l\in L}\big(\frac{\partial E}{\partial\omicron_{l}}\frac{\partial\omicron_{l}}{\partial net_{l}}\omega_{jl}\big)\end{equation}\]

到此，我们得到了 $\frac{\partial E}{\partial\omicron_{j}}$ 和 $\frac{\partial E}{\partial\omicron_{l}}$ 的递推关系，从而由后一层 $\frac{\partial E}{\partial\omicron_{j}}$ 可以推得前一层，而最终输出层的 $\frac{\partial E}{\partial\omicron_{j}}$ 已经由公式（12）推出。

　　　　联合（9）-（13）即可知 $\Delta\omega_{ij}$，为记忆简单，记

\[\begin{equation}\frac{\partial E}{\partial\omega_{ij}}=\delta_{j}x_{i}\end{equation}\]

其中

\[\delta_{j}=\frac{\partial E}{\partial\omicron_{j}}\frac{\partial\omicron_{j}}{\partial net_{j}}=\left\{\begin{array}{ll}(\omicron_{j}-t_{j})\varphi(net_{j})\big(1-\varphi(net_{j})\big)\quad &若 j 为输出层\\\big(\sum\nolimits_{l\in L}\delta_{l}\omega_{jl}\big)\varphi(net_{j})\big(1-\varphi(net_{j})\big)\quad &若 j 为隐藏层\end{array}\right.\]

　　　　至此，我们得到 $\Delta\omega_{ij}$，则 $\omega_{ij}$更新公式为：

$$\omega_{ij}:=\omega_{ij}+\Delta\omega_{ij}=\omega_{ij}-\alpha\frac{\partial E}{\partial\omega_{ij}}$$

 

 

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[1] BP神经网络

[2] Wikipedia: Backpropagation