神經網路近似mse多少

『壹』 一文讀懂神經網路

要說近幾年最引人注目的技術，無疑的，非人工智慧莫屬。無論你是否身處科技互聯網行業，隨處可見人工智慧的身影：從 AlphaGo 擊敗世界圍棋冠軍，到無人駕駛概念的興起，再到科技巨頭 All in AI，以及各大高校向社會輸送海量的人工智慧專業的畢業生。以至於人們開始萌生一個想法：新的革命就要來了，我們的世界將再次發生一次巨變；而後開始焦慮：我的工作是否會被機器取代？我該如何才能抓住這次革命？

人工智慧背後的核心技術是深度神經網路（Deep Neural Network），大概是一年前這個時候，我正在回老家的高鐵上學習 3Blue1Brown 的 Neural Network 系列視頻課程，短短 4 集 60 多分鍾的時間，就把神經網路從 High Level 到推導細節說得清清楚楚，當時的我除了獲得新知的興奮之外，還有一點新的認知，算是給頭腦中的革命性的技術潑了盆冷水：神經網路可以解決一些復雜的、以前很難通過寫程序來完成的任務——例如圖像、語音識別等，但它的實現機制告訴我，神經網路依然沒有達到生物級別的智能，短期內期待它來取代人也是不可能的。

一年後的今天，依然在這個春運的時間點，將我對神經網路的理解寫下來，算是對這部分知識的一個學習筆記，運氣好的話，還可以讓不了解神經網路的同學了解起來。

維基網路這樣解釋 神經網路 ：

這個定義比較寬泛，你甚至還可以用它來定義其它的機器學習演算法，例如之前我們一起學習的邏輯回歸和 GBDT 決策樹。下面我們具體一點，下圖是一個邏輯回歸的示意圖：

其中 x1 和 x2 表示輸入，w1 和 w2 是模型的參數，z 是一個線性函數：

接著我們對 z 做一個 sigmod 變換（圖中藍色圓），得到輸出 y：

其實，上面的邏輯回歸就可以看成是一個只有 1 層 輸入層 ， 1 層 輸出層 的神經網路，圖中容納數字的圈兒被稱作 神經元 ；其中，層與層之間的連接 w1、w2 以及 b，是這個 神經網路的參數 ，層之間如果每個神經元之間都保持著連接，這樣的層被稱為 全連接層 （Full Connection Layer），或 稠密層 （Dense Layer）；此外，sigmoid 函數又被稱作 激活函數 （Activation Function），除了 sigmoid 外，常用的激活函數還有 ReLU、tanh 函數等，這些函數都起到將線性函數進行非線性變換的作用。我們還剩下一個重要的概念： 隱藏層 ，它需要把 2 個以上的邏輯回歸疊加起來加以說明：

如上圖所示，除輸入層和輸出層以外，其他的層都叫做 隱藏層 。如果我們多疊加幾層，這個神經網路又可以被稱作 深度神經網路 （Deep Neural Network），有同學可能會問多少層才算「深」呢？這個沒有絕對的定論，個人認為 3 層以上就算吧：）

以上，便是神經網路，以及神經網路中包含的概念，可見，神經網路並不特別，廣義上講，它就是

可見，神經網路和人腦神經也沒有任何關聯，如果我們說起它的另一個名字—— 多層感知機（Mutilayer Perceptron） ，就更不會覺得有多麼玄乎了，多層感知機創造於 80 年代，可為什麼直到 30 年後的今天才爆發呢？你想得沒錯，因為改了個名字……開個玩笑；實際上深度學習這項技術也經歷過很長一段時間的黑暗低谷期，直到人們開始利用 GPU 來極大的提升訓練模型的速度，以及幾個標志性的事件：如 AlphaGo戰勝李世石、Google 開源 TensorFlow 框架等等，感興趣的同學可以翻一下這里的歷史。

就拿上圖中的 3 個邏輯回歸組成的神經網路作為例子，它和普通的邏輯回歸比起來，有什麼優勢呢？我們先來看下單邏輯回歸有什麼劣勢，對於某些情況來說，邏輯回歸可能永遠無法使其分類，如下面數據：

這 4 個樣本畫在坐標系中如下圖所示

因為邏輯回歸的決策邊界（Decision Boundary）是一條直線，所以上圖中的兩個分類，無論你怎麼做，都無法找到一條直線將它們分開，但如果藉助神經網路，就可以做到這一點。

由 3 個邏輯回歸組成的網路（這里先忽略 bias）如下：

觀察整個網路的計算過程，在進入輸出層之前，該網路所做的計算實際上是：

即把輸入先做了一次線性變換（Linear Transformation），得到 [z1, z2] ，再把 [z1, z2] 做了一個非線性變換（sigmoid），得到 [x1', x2'] ，（線性變換的概念可以參考 這個視頻 ）。從這里開始，後面的操作就和一個普通的邏輯回歸沒有任何差別了，所以它們的差異在於： 我們的數據在輸入到模型之前，先做了一層特徵變換處理（Feature Transformation，有時又叫做特徵抽取 Feature Extraction），使之前不可能被分類的數據變得可以分類了 。

我們繼續來看下特徵變換的效果，假設 為 ，帶入上述公式，算出 4 個樣本對應的 [x1', x2'] 如下：

再將變換後的 4 個點繪制在坐標系中：

顯然，在做了特徵變換之後，這兩個分類就可以很容易的被一條決策邊界分開了。

所以， 神經網路的優勢在於，它可以幫助我們自動的完成特徵變換或特徵提取 ，尤其對於聲音、圖像等復雜問題，因為在面對這些問題時，人們很難清晰明確的告訴你，哪些特徵是有用的。

在解決特徵變換的同時，神經網路也引入了新的問題，就是我們需要設計各式各樣的網路結構來針對性的應對不同的場景，例如使用卷積神經網路（CNN）來處理圖像、使用長短期記憶網路（LSTM）來處理序列問題、使用生成式對抗網路（GAN）來寫詩和作圖等，就連去年自然語言處理（NLP）中取得突破性進展的 Transformer/Bert 也是一種特定的網路結構。所以， 學好神經網路，對理解其他更高級的網路結構也是有幫助的 。

上面說了，神經網路可以看作一個非線性函數，該函數的參數是連接神經元的所有的 Weights 和 Biases，該函數可以簡寫為 f(W, B) ，以手寫數字識別的任務作為例子：識別 MNIST 數據集 中的數字，數據集（MNIST 數據集是深度學習中的 HelloWorld）包含上萬張不同的人寫的數字圖片，共有 0-9 十種數字，每張圖片為 28*28=784 個像素，我們設計一個這樣的網路來完成該任務：

把該網路函數所具備的屬性補齊：

接下來的問題是，這個函數是如何產生的？這個問題本質上問的是這些參數的值是怎麼確定的。

在機器學習中，有另一個函數 c 來衡量 f 的好壞，c 的參數是一堆數據集，你輸入給 c 一批 Weights 和 Biases，c 輸出 Bad 或 Good，當結果是 Bad 時，你需要繼續調整 f 的 Weights 和 Biases，再次輸入給 c，如此往復，直到 c 給出 Good 為止，這個 c 就是損失函數 Cost Function（或 Loss Function）。在手寫數字識別的列子中，c 可以描述如下：

可見，要完成手寫數字識別任務，只需要調整這 12730 個參數，讓損失函數輸出一個足夠小的值即可，推而廣之，絕大部分神經網路、機器學習的問題，都可以看成是定義損失函數、以及參數調優的問題。

在手寫識別任務中，我們既可以使用交叉熵（Cross Entropy）損失函數，也可以使用 MSE（Mean Squared Error）作為損失函數，接下來，就剩下如何調優參數了。

神經網路的參數調優也沒有使用特別的技術，依然是大家剛接觸機器學習，就學到的梯度下降演算法，梯度下降解決了上面迭代過程中的遺留問題——當損失函數給出 Bad 結果時，如何調整參數，能讓 Loss 減少得最快。

梯度可以理解為：

把 Loss 對應到 H，12730 個參數對應到 (x,y)，則 Loss 對所有參數的梯度可以表示為下面向量，該向量的長度為 12730：
$$
abla L(w,b) = left[

frac{partial L}{partial w_1},
frac{partial L}{partial w_2},...,
frac{partial L}{partial b_{26}}

ight] ^ op
$$
所以，每次迭代過程可以概括為

用梯度來調整參數的式子如下（為了簡化，這里省略了 bias）：

上式中， 是學習率，意為每次朝下降最快的方向前進一小步，避免優化過頭（Overshoot）。

由於神經網路參數繁多，所以需要更高效的計算梯度的演算法，於是，反向傳播演算法（Backpropagation）呼之欲出。

在學習反向傳播演算法之前，我們先復習一下微積分中的鏈式法則（Chain Rule）：設 g = u(h) ， h = f(x) 是兩個可導函數，x 的一個很小的變化 △x 會使 h 產生一個很小的變化 △h，從而 g 也產生一個較小的變化 △g，現要求 △g/△x，可以使用鏈式法則：

有了以上基礎，理解反向傳播演算法就簡單了。

假設我們的演示網路只有 2 層，輸入輸出都只有 2 個神經元，如下圖所示：

其中 是輸入， 是輸出， 是樣本的目標值，這里使用的損失函數 L 為 MSE；圖中的上標 (1) 或 (2) 分別表示參數屬於第 (1) 層或第 (2) 層，下標 1 或 2 分別表示該層的第 1 或 第 2 個神經元。

現在我們來計算 和 ，掌握了這 2 個參數的偏導數計算之後，整個梯度的計算就掌握了。

所謂反向傳播演算法，指的是從右向左來計算每個參數的偏導數，先計算 ，根據鏈式法則

對左邊項用鏈式法則展開

又 是輸出值， 可以直接通過 MSE 的導數算出：

而 ，則 就是 sigmoid 函數的導數在 處的值，即

於是 就算出來了：

再來看 這一項，因為

所以

注意：上面式子對於所有的 和 都成立，且結果非常直觀，即 對 的偏導為左邊的輸入 的大小；同時，這里還隱含著另一層意思：需要調整哪個 來影響 ，才能使 Loss 下降得最快，從該式子可以看出，當然是先調整較大的 值所對應的 ，效果才最顯著 。

於是，最後一層參數 的偏導數就算出來了

我們再來算上一層的 ，根據鏈式法則 ：

繼續展開左邊這一項

你發現沒有，這幾乎和計算最後一層一摸一樣，但需要注意的是，這里的 對 Loss 造成的影響有多條路徑，於是對於只有 2 個輸出的本例來說：

上式中， 都已經在最後一層算出，下面我們來看下 ，因為

於是

同理

注意：這里也引申出梯度下降的調參直覺：即要使 Loss 下降得最快，優先調整 weight 值比較大的 weight。

至此， 也算出來了

觀察上式， 所謂每個參數的偏導數，通過反向傳播演算法，都可以轉換成線性加權（Weighted Sum）計算 ，歸納如下：

式子中 n 代表分類數，(l) 表示第 l 層，i 表示第 l 層的第 i 個神經元。 既然反向傳播就是一個線性加權，那整個神經網路就可以藉助於 GPU 的矩陣並行計算了 。

最後，當你明白了神經網路的原理，是不是越發的認為，它就是在做一堆的微積分運算，當然，作為能證明一個人是否學過微積分，神經網路還是值得學一下的。Just kidding ..

本文我們通過

這四點，全面的學習了神經網路這個知識點，希望本文能給你帶來幫助。

參考：

『貳』 神經網路BP模型

一、BP模型概述

誤差逆傳播(Error Back-Propagation)神經網路模型簡稱為BP(Back-Propagation)網路模型。

Pall Werbas博士於1974年在他的博士論文中提出了誤差逆傳播學習演算法。完整提出並被廣泛接受誤差逆傳播學習演算法的是以Rumelhart和McCelland為首的科學家小組。他們在1986年出版「Parallel Distributed Processing，Explorations in the Microstructure of Cognition」(《並行分布信息處理》)一書中，對誤差逆傳播學習演算法進行了詳盡的分析與介紹，並對這一演算法的潛在能力進行了深入探討。

BP網路是一種具有3層或3層以上的階層型神經網路。上、下層之間各神經元實現全連接，即下層的每一個神經元與上層的每一個神經元都實現權連接，而每一層各神經元之間無連接。網路按有教師示教的方式進行學習，當一對學習模式提供給網路後，神經元的激活值從輸入層經各隱含層向輸出層傳播，在輸出層的各神經元獲得網路的輸入響應。在這之後，按減小期望輸出與實際輸出的誤差的方向，從輸入層經各隱含層逐層修正各連接權，最後回到輸入層，故得名「誤差逆傳播學習演算法」。隨著這種誤差逆傳播修正的不斷進行，網路對輸入模式響應的正確率也不斷提高。

BP網路主要應用於以下幾個方面：

1)函數逼近：用輸入模式與相應的期望輸出模式學習一個網路逼近一個函數；

2)模式識別：用一個特定的期望輸出模式將它與輸入模式聯系起來；

3)分類：把輸入模式以所定義的合適方式進行分類；

4)數據壓縮：減少輸出矢量的維數以便於傳輸或存儲。

在人工神經網路的實際應用中，80%～90%的人工神經網路模型採用BP網路或它的變化形式，它也是前向網路的核心部分，體現了人工神經網路最精華的部分。

二、BP模型原理

下面以三層BP網路為例，說明學習和應用的原理。

1.數據定義

P對學習模式(x_p，d_p)，p=1，2，…，P；

輸入模式矩陣X[N][P]=(x₁，x₂，…，x_P)；

目標模式矩陣d[M][P]=(d₁，d₂，…，d_P)。

三層BP網路結構

輸入層神經元節點數S0=N，i=1，2，…，S0；

隱含層神經元節點數S1，j=1，2，…，S1；

神經元激活函數f1[S1]；

權值矩陣W1[S1][S0]；

偏差向量b1[S1]。

輸出層神經元節點數S2=M，k=1，2，…，S2；

神經元激活函數f2[S2]；

權值矩陣W2[S2][S1]；

偏差向量b2[S2]。

學習參數

目標誤差ϵ；

初始權更新值Δ₀；

最大權更新值Δ_max；

權更新值增大倍數η⁺；

權更新值減小倍數η^-。

2.誤差函數定義

對第p個輸入模式的誤差的計算公式為

中國礦產資源評價新技術與評價新模型

y2_kp為BP網的計算輸出。

3.BP網路學習公式推導

BP網路學習公式推導的指導思想是，對網路的權值W、偏差b修正，使誤差函數沿負梯度方向下降，直到網路輸出誤差精度達到目標精度要求，學習結束。

各層輸出計算公式

輸入層

y0_i=x_i，i=1，2，…，S0；

隱含層

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y1_j=f1(z1_j)，

j=1，2，…，S1；

輸出層

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y2_k=f2(z2_k)，

k=1，2，…，S2。

輸出節點的誤差公式

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對輸出層節點的梯度公式推導

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E是多個y2_m的函數，但只有一個y2_k與w_kj有關，各y2_m間相互獨立。

其中

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則

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設輸出層節點誤差為

δ2_k=(d_k-y2_k)·f2′(z2_k)，

則

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同理可得

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對隱含層節點的梯度公式推導

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E是多個y2_k的函數，針對某一個w1_ji，對應一個y1_j，它與所有的y2_k有關。因此，上式只存在對k的求和，其中

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則

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設隱含層節點誤差為

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則

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同理可得

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4.採用彈性BP演算法(RPROP)計算權值W、偏差b的修正值ΔW，Δb

1993年德國 Martin Riedmiller和Heinrich Braun 在他們的論文「A Direct Adaptive Method for Faster Backpropagation Learning：The RPROP Algorithm」中，提出Resilient Backpropagation演算法——彈性BP演算法(RPROP)。這種方法試圖消除梯度的大小對權步的有害影響，因此，只有梯度的符號被認為表示權更新的方向。

權改變的大小僅僅由權專門的「更新值」

確定

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其中

表示在模式集的所有模式(批學習)上求和的梯度信息，(t)表示t時刻或第t次學習。

權更新遵循規則：如果導數是正(增加誤差)，這個權由它的更新值減少。如果導數是負，更新值增加。

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RPROP演算法是根據局部梯度信息實現權步的直接修改。對於每個權，我們引入它的

各自的更新值

，它獨自確定權更新值的大小。這是基於符號相關的自適應過程，它基

於在誤差函數E上的局部梯度信息，按照以下的學習規則更新

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其中0＜η^-＜1＜η⁺。

在每個時刻，如果目標函數的梯度改變它的符號，它表示最後的更新太大，更新值

應由權更新值減小倍數因子η^-得到減少；如果目標函數的梯度保持它的符號，更新值應由權更新值增大倍數因子η⁺得到增大。

為了減少自由地可調參數的數目，增大倍數因子η⁺和減小倍數因子η^–被設置到固定值

η⁺=1.2，

η^-=0.5，

這兩個值在大量的實踐中得到了很好的效果。

RPROP演算法採用了兩個參數：初始權更新值Δ₀和最大權更新值Δ_max

當學習開始時，所有的更新值被設置為初始值Δ₀，因為它直接確定了前面權步的大小，它應該按照權自身的初值進行選擇，例如，Δ₀=0.1(默認設置)。

為了使權不至於變得太大，設置最大權更新值限制Δ_max，默認上界設置為

Δ_max=50.0。

在很多實驗中，發現通過設置最大權更新值Δ_max到相當小的值，例如

Δ_max=1.0。

我們可能達到誤差減小的平滑性能。

5.計算修正權值W、偏差b

第t次學習，權值W、偏差b的的修正公式

W^(t)=W^(t-1)+ΔW^(t)，

b^(t)=b^(t-1)+Δb^(t)，

其中，t為學習次數。

6.BP網路學習成功結束條件每次學習累積誤差平方和

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每次學習平均誤差

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當平均誤差MSE＜ε，BP網路學習成功結束。

7.BP網路應用預測

在應用BP網路時，提供網路輸入給輸入層，應用給定的BP網路及BP網路學習得到的權值W、偏差b，網路輸入經過從輸入層經各隱含層向輸出層的「順傳播」過程，計算出BP網的預測輸出。

8.神經元激活函數f

線性函數

f(x)=x，

f′(x)=1，

f(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍(-∞，+∞)。

一般用於輸出層，可使網路輸出任何值。

S型函數S(x)

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f(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍(0，1)。

f′(x)=f(x)[1-f(x)]，

f′(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍(0，

]。

一般用於隱含層，可使范圍(-∞，+∞)的輸入，變成(0，1)的網路輸出，對較大的輸入，放大系數較小；而對較小的輸入，放大系數較大，所以可用來處理和逼近非線性的輸入/輸出關系。

在用於模式識別時，可用於輸出層，產生逼近於0或1的二值輸出。

雙曲正切S型函數

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f(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍(-1，1)。

f′(x)=1-f(x)·f(x)，

f′(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍(0，1]。

一般用於隱含層，可使范圍(-∞，+∞)的輸入，變成(-1，1)的網路輸出，對較大的輸入，放大系數較小；而對較小的輸入，放大系數較大，所以可用來處理和逼近非線性的輸入/輸出關系。

階梯函數

類型1

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f(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍{0，1}。

f′(x)=0。

類型2

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f(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍{-1，1}。

f′(x)=0。

斜坡函數

類型1

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f(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍[0，1]。

中國礦產資源評價新技術與評價新模型

f′(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍{0，1}。

類型2

中國礦產資源評價新技術與評價新模型

f(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍[-1，1]。

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f′(x)的輸入范圍(-∞，+∞)，輸出范圍{0，1}。

三、總體演算法

1.三層BP網路(含輸入層，隱含層，輸出層)權值W、偏差b初始化總體演算法

(1)輸入參數X[N][P]，S₀，S₁，f₁[S₁]，S₂，f₂[S₂]；

(2)計算輸入模式X[N][P]各個變數的最大值，最小值矩陣 X_max[N]，X_min[N]；

(3)隱含層的權值W₁，偏差b₁初始化。

情形1：隱含層激活函數f( )都是雙曲正切S型函數

1)計算輸入模式X[N][P]的每個變數的范圍向量X_rng[N]；

2)計算輸入模式X的每個變數的范圍均值向量X_mid[N]；

3)計算W，b的幅度因子W_mag；

4)產生[-1，1]之間均勻分布的S₀×1維隨機數矩陣R_and[S₁]；

5)產生均值為0，方差為1的正態分布的S₁×S₀維隨機數矩陣Randnr[S₁][S₀]，隨機數范圍大致在[-1，1]；

6)計算W[S₁][S₀]，b[S₁]；

7)計算隱含層的初始化權值W₁[S₁][S₀]；

8)計算隱含層的初始化偏差b₁[S₁]；

9))輸出W₁[S₁][S₀]，b₁[S₁]。

情形2：隱含層激活函數f( )都是S型函數

1)計算輸入模式X[N][P]的每個變數的范圍向量X_rng[N]；

2)計算輸入模式X的每個變數的范圍均值向量X_mid[N]；

3)計算W，b的幅度因子W_mag；

4)產生[-1，1]之間均勻分布的S₀×1維隨機數矩陣R_and[S₁]；

5)產生均值為0，方差為1的正態分布的S₁×S₀維隨機數矩陣R_andnr[S₁][S₀]，隨機數范圍大致在[-1，1]；

6)計算W[S₁][S₀]，b[S₁]；

7)計算隱含層的初始化權值W₁[S₁][S₀]；

8)計算隱含層的初始化偏差b₁[S₁]；

9)輸出W₁[S₁][S₀]，b₁[S₁]。

情形3：隱含層激活函數f( )為其他函數的情形

1)計算輸入模式X[N][P]的每個變數的范圍向量X_rng[N]；

2)計算輸入模式X的每個變數的范圍均值向量X_mid[N]；

3)計算W，b的幅度因子W_mag；

4)產生[-1，1]之間均勻分布的S₀×1維隨機數矩陣R_and[S₁]；

5)產生均值為0，方差為1的正態分布的S₁×S₀維隨機數矩陣R_andnr[S₁][S₀]，隨機數范圍大致在[-1，1]；

6)計算W[S₁][S₀]，b[S₁]；

7)計算隱含層的初始化權值W₁[S₁][S₀]；

8)計算隱含層的初始化偏差b₁[S₁]；

9)輸出W₁[S₁][S₀]，b₁[S₁]。

(4)輸出層的權值W₂，偏差b₂初始化

1)產生[-1，1]之間均勻分布的S₂×S₁維隨機數矩陣W₂[S₂][S₁]；

2)產生[-1，1]之間均勻分布的S₂×1維隨機數矩陣b₂[S₂]；

3)輸出W₂[S₂][S₁]，b₂[S₂]。

2.應用彈性BP演算法(RPROP)學習三層BP網路(含輸入層，隱含層，輸出層)權值W、偏差b總體演算法

函數：Train3BP_RPROP(S₀，X，P，S₁，W₁，b₁，f₁，S₂，W₂，b₂，f₂，d，TP)

(1)輸入參數

P對模式(x_p，d_p)，p=1，2，…，P；

三層BP網路結構；

學習參數。

(2)學習初始化

1)

；

2)各層W，b的梯度值

，

初始化為零矩陣。

(3)由輸入模式X求第一次學習各層輸出y₀，y₁，y₂及第一次學習平均誤差MSE

(4)進入學習循環

epoch=1

(5)判斷每次學習誤差是否達到目標誤差要求

如果MSE＜ϵ，

則，跳出epoch循環，

轉到(12)。

(6)保存第epoch-1次學習產生的各層W，b的梯度值

，

(7)求第epoch次學習各層W，b的梯度值

，

1)求各層誤差反向傳播值δ；

2)求第p次各層W，b的梯度值

，

；

3)求p=1，2，…，P次模式產生的W，b的梯度值

，

的累加。

(8)如果epoch=1，則將第epoch-1次學習的各層W，b的梯度值

，

設為第epoch次學習產生的各層W，b的梯度值

，

。

(9)求各層W，b的更新

1)求權更新值Δ_ij更新；

2)求W，b的權更新值

，

；

3)求第epoch次學習修正後的各層W，b。

(10)用修正後各層W、b，由X求第epoch次學習各層輸出y₀，y₁，y₂及第epoch次學習誤差MSE

(11)epoch=epoch+1，

如果epoch≤MAX_EPOCH，轉到(5)；

否則，轉到(12)。

(12)輸出處理

1)如果MSE＜ε，

則學習達到目標誤差要求，輸出W₁，b₁，W₂，b₂。

2)如果MSE≥ε，

則學習沒有達到目標誤差要求，再次學習。

(13)結束

3.三層BP網路(含輸入層，隱含層，輸出層)預測總體演算法

首先應用Train3lBP_RPROP( )學習三層BP網路(含輸入層，隱含層，輸出層)權值W、偏差b，然後應用三層BP網路(含輸入層，隱含層，輸出層)預測。

函數：Simu3lBP( )。

1)輸入參數：

P個需預測的輸入數據向量x_p，p=1，2，…，P；

三層BP網路結構；

學習得到的各層權值W、偏差b。

2)計算P個需預測的輸入數據向量x_p(p=1，2，…，P)的網路輸出 y₂[S₂][P]，輸出預測結果y₂[S₂][P]。

四、總體演算法流程圖

BP網路總體演算法流程圖見附圖2。

五、數據流圖

BP網數據流圖見附圖1。

六、實例

實例一 全國銅礦化探異常數據BP 模型分類

1.全國銅礦化探異常數據准備

在全國銅礦化探數據上用穩健統計學方法選取銅異常下限值33.1，生成全國銅礦化探異常數據。

2.模型數據准備

根據全國銅礦化探異常數據，選取7類33個礦點的化探數據作為模型數據。這7類分別是岩漿岩型銅礦、斑岩型銅礦、矽卡岩型、海相火山型銅礦、陸相火山型銅礦、受變質型銅礦、海相沉積型銅礦，另添加了一類沒有銅異常的模型(表8-1)。

3.測試數據准備

全國化探數據作為測試數據集。

4.BP網路結構

隱層數2，輸入層到輸出層向量維數分別為14，9、5、1。學習率設置為0.9，系統誤差1e-5。沒有動量項。

表8-1 模型數據表

續表

5.計算結果圖

如圖8-2、圖8-3。

圖8-2

圖8-3 全國銅礦礦床類型BP模型分類示意圖

實例二 全國金礦礦石量品位數據BP 模型分類

1.模型數據准備

根據全國金礦儲量品位數據，選取4類34個礦床數據作為模型數據，這4類分別是綠岩型金礦、與中酸性浸入岩有關的熱液型金礦、微細浸染型型金礦、火山熱液型金礦(表8-2)。

2.測試數據准備

模型樣本點和部分金礦點金屬量、礦石量、品位數據作為測試數據集。

3.BP網路結構

輸入層為三維，隱層1層，隱層為三維，輸出層為四維，學習率設置為0.8，系統誤差1e-4，迭代次數5000。

表8-2 模型數據

4.計算結果

結果見表8-3、8-4。

表8-3 訓練學習結果

表8-4 預測結果(部分)

續表

『叄』 神經網路演算法

20 世紀五、六⼗年代，科學家 Frank Rosenblatt其受到 Warren McCulloch 和 Walter Pitts早期的⼯作的影響，發明了感知機（Perceptrons）。

⼀個感知器接受⼏個⼆進制輸⼊， ，並產⽣⼀個⼆進制輸出：

如上圖所示的感知機有三個輸⼊： 。通常可以有更多或更少輸⼊。 我們再引⼊權重： ，衡量輸入對輸出的重要性。感知機的輸出為0 或者 1，則由分配權重後的總和 ⼩於等於或者⼤於閾值決定。和權重⼀樣，閾值（threshold）是⼀個實數，⼀個神經元的參數。⽤更精確的代數形式如下：

給三個因素設置權重來作出決定：

可以把這三個因素對應地⽤⼆進制變數 來表⽰。例如，如果天⽓好，我們把

，如果不好， 。類似地，如果你的朋友陪你去， ，否則 。 也類似。

這三個對於可能對你來說，「電影好不好看」對你來說最重要，而天氣顯得不是那麼的重要。所以你會這樣分配權值： ，然後定義閾值threshold=5。

現在，你可以使⽤感知器來給這種決策建⽴數學模型。

例如：

隨著權重和閾值的變化，你可以得到不同的決策模型。很明顯，感知機不是⼈做出決策使⽤的全部模型。但是這個例⼦說明了⼀個感知機如何能權衡不同的依據來決策。這看上去也可以⼤致解釋⼀個感知機⽹絡有時確實能夠做出一些不錯的決定。

現在我們隊上面的結構做一點變化，令b=-threshold，即把閾值移到不等號左邊，變成偏置， 那麼感知器的規則可以重寫為:

引⼊偏置只是我們描述感知器的⼀個很⼩的變動，但是我們後⾯會看到它引導更進⼀步的符號簡化。因此，我們不再⽤閾值，⽽總是使⽤偏置。

感知機是首個可以學習的人工神經網路，它的出現引起的神經網路的第一層高潮。需要指出的是，感知機只能做簡單的線性分類任務，而且Minsky在1969年出版的《Perceptron》書中，證明了感知機對XOR（異或）這樣的問題都無法解決。但是感知機的提出，對神經網路的發展是具有重要意義的。

通過上面的感知機的觀察我們發現一個問題，每個感知機的輸出只有0和1，這就意味著有時我們只是在單個感知機上稍微修改了一點點權值w或者偏置b，就可能造成最終輸出完全的反轉。也就是說，感知機的輸出是一個階躍函數。如下圖所示，在0附近的時候，輸出的變化是非常明顯的，而在遠離0的地方，我們可能調整好久參數也不會發生輸出的變化。

這樣階躍的跳變並不是我們想要的，我們需要的是當我們隊權值w或者偏置b做出微小的調整後，輸出也相應的發生微小的改變芹則禪。這同時也意味值我們的輸出不再只是0和1，還可以輸出小數。由此我們引入了S型神經元。

S型神經元使用 S 型函數，也叫Sigmoid function函數，我們用它作為激活函數。其表達式如下：

圖像如下圖所示：

利⽤實際的 σ 函數，我們得到⼀個，就像上⾯說明的，平滑的感知器。 σ 函數的平滑特性，正是關鍵因素，⽽不是其細部形式盯明。 σ 的平滑意味著權重和偏置的微⼩變化，即 ∆w 和 ∆b，會從神經元產⽣⼀個微⼩的輸出變化 ∆output。實際上，微積分告訴我們

∆output 可以很好地近似表⽰為：

上面的式子是⼀個反映權重、偏置變化嫌塵和輸出變化的線性函數。這⼀線性使得我們可以通過選擇權重和偏置的微⼩變化來達到輸出的微⼩變化。所以當 S 型神經元和感知器本質上是相同的，但S型神經元在計算處理如何變化權重和偏置來使輸出變化的時候會更加容易。

有了對S型神經元的了解，我們就可以介紹神經網路的基本結構了。具體如下：

在⽹絡中最左邊的稱為輸⼊層，其中的神經元稱為輸⼊神經元。最右邊的，即輸出層包含有輸出神經元，在圖中，輸出層只有⼀個神經元。中間層，既然這層中的神經元既不是輸⼊也不是輸出，則被稱為隱藏層。

這就是神經網路的基本結構，隨著後面的發展神經網路的層數也隨之不斷增加和復雜。

我們回顧一下神經網路發展的歷程。神經網路的發展歷史曲折盪漾，既有被人捧上天的時刻，也有摔落在街頭無人問津的時段，中間經歷了數次大起大落。

從單層神經網路（感知機）開始，到包含一個隱藏層的兩層神經網路，再到多層的深度神經網路，一共有三次興起過程。詳見下圖。

我們希望有⼀個演算法，能讓我們找到權重和偏置，以⾄於⽹絡的輸出 y(x) 能夠擬合所有的 訓練輸⼊ x。為了量化我們如何實現這個⽬標，我們定義⼀個代價函數：

這⾥ w 表⽰所有的⽹絡中權重的集合， b 是所有的偏置， n 是訓練輸⼊數據的個數，
a 是表⽰當輸⼊為 x 時輸出的向量，求和則是在總的訓練輸⼊ x 上進⾏的。當然，輸出 a 取決於 x, w和 b，但是為了保持符號的簡潔性，我沒有明確地指出這種依賴關系。符號 ∥v∥ 是指向量 v 的模。我們把 C 稱為⼆次代價函數；有時也稱被稱為均⽅誤差或者 MSE。觀察⼆次代價函數的形式我們可以看到 C(w, b) 是⾮負的，因為求和公式中的每⼀項都是⾮負的。此外，代價函數 C(w,b)的值相當⼩，即 C(w; b) ≈ 0，精確地說，是當對於所有的訓練輸⼊ x， y(x) 接近於輸出 a 時。因

此如果我們的學習演算法能找到合適的權重和偏置，使得 C(w; b) ≈ 0，它就能很好地⼯作。相反，當 C(w; b) 很⼤時就不怎麼好了，那意味著對於⼤量地輸⼊， y(x) 與輸出 a 相差很⼤。因此我們的訓練演算法的⽬的，是最⼩化權重和偏置的代價函數 C(w; b)。換句話說，我們想要找到⼀系列能讓代價盡可能⼩的權重和偏置。我們將采⽤稱為梯度下降的演算法來達到這個⽬的。

下面我們將代價函數簡化為C(v)。它可以是任意的多元實值函數， 。
注意我們⽤ v 代替了 w 和 b 以強調它可能是任意的函數，我們現在先不局限於神經⽹絡的環境。

為了使問題更加簡單我們先考慮兩個變數的情況，想像 C 是⼀個只有兩個變數 和 的函數，我們的目的是找到 和 使得C最小。

如上圖所示，我們的目的就是找到局部最小值。對於這樣的一個問題，一種方法就是通過微積分的方法來解決，我們可以通過計算導數來求解C的極值點。但是對於神經網路來說，我們往往面對的是非常道的權值和偏置，也就是說v的維數不只是兩維，有可能是億萬維的。對於一個高維的函數C(v)求導數幾乎是不可能的。

在這種情況下，有人提出了一個有趣的演算法。想像一下一個小球從山頂滾下山谷的過程， 我們的⽇常經驗告訴我們這個球最終會滾到⾕底。我們先暫時忽略相關的物理定理， 對球體的⾁眼觀察是為了激發我們的想像⽽不是束縛我們的思維。因此與其陷進物理學⾥凌亂的細節，不如我們就這樣問⾃⼰：如果我們扮演⼀天的上帝，能夠構造⾃⼰的物理定律，能夠⽀配球體可以如何滾動，那麼我們將會採取什麼樣的運動學定律來讓球體能夠總是滾落到⾕底呢？

為了更精確地描述這個問題，讓我們思考⼀下，當我們在 和 ⽅向分別將球體移動⼀個很⼩的量，即 ∆ 和 ∆ 時，球體將會發⽣什麼情況。微積分告訴我們 C 將會有如下變化：

也可以用向量表示為

現在我們的問題就轉換為不斷尋找一個小於0的∆C，使得C+∆C不斷變小。

假設我們選取：

這⾥的 η 是個很⼩的正數（稱為學習速率），於是

由於 ∥∇C∥2 ≥ 0，這保證了 ∆C ≤ 0，即，如果我們按照上述⽅程的規則去改變 v，那麼 C
會⼀直減⼩，不會增加。

所以我們可以通過不斷改變v來C的值不斷下降，是小球滾到最低點。

總結⼀下，梯度下降演算法⼯作的⽅式就是重復計算梯度 ∇C，然後沿著相反的⽅向移動，沿著⼭⾕「滾落」。我們可以想像它像這樣：

為了使梯度下降能夠正確地運⾏，我們需要選擇合適的學習速率η，確保C不斷減少，直到找到最小值。

知道了兩個變數的函數 C 的梯度下降方法，我們可以很容易的把它推廣到多維。我們假設 C 是⼀個有 m 個變數 的多元函數。 ∆C 將會變為：

其中， ∇C為

∆v為：

更新規則為：

在回到神經網路中，w和b的更新規則為：

前面提到神經⽹絡如何使⽤梯度下降演算法來學習他們⾃⾝的權重和偏置。但是，這⾥還留下了⼀個問題：我們並沒有討論如何計算代價函數的梯度。這里就需要用到一個非常重要的演算法：反向傳播演算法（backpropagation）。

反向傳播演算法的啟示是數學中的鏈式法則。

四個方程：

輸出層誤差方程：

當前層誤差方程：

誤差方程關於偏置的關系：

誤差方程關於權值的關系

演算法描述：

檢視這個演算法，你可以看到為何它被稱作反向傳播。我們從最後⼀層開始向後計算誤差向量δ。這看起來有點奇怪，為何要從後⾯開始。但是如果你認真思考反向傳播的證明，這種反向移動其實是代價函數是⽹絡輸出的函數的結果。為了理解代價隨前⾯層的權重和偏置變化的規律，我們需要重復作⽤鏈式法則，反向地獲得需要的表達式。

參考鏈接： http://neuralnetworksanddeeplearning.com/

『肆』 神經網路的准確率是怎麼計算的

其實神經網路的准確率的標準是自己定義的。
我把你的例子賦予某種意義講解：
1，期望輸出[1 0 0 1]，每個元素代表一個屬性是否存在。像著4個元素分別表示：是否肺炎，是否肝炎，是否腎炎，是否膽炎，1表示是，0表示不是。

2，你的神經網路輸出必定不可能全部都是輸出只有0,1的輸出。絕大部分是像[ 0.9968 0.0000 0.0001 0.9970]這樣的輸出，所以只要輸出中的某個元素大於一定的值，例如0.7，我們就認為這個元素是1，即是有某種炎。否則為0，所以你的[ 0.9968 0.0000 0.0001 0.9970]可以看成是[1,0,0,1],。

3，所以一般神經網路的輸出要按一定的標準定義成另一種輸出（像上面說的），看調整後的輸出和期望輸出是否一致，一致的話算正確，不一致算錯誤。
4，用總量為n的檢驗樣本對網路進行評價，輸出調整後的輸出，統計錯誤的個數，記為m。
所以檢驗正確率可以定義為n/m。