机器学习——神经网络模型

在“M-P神经元模型”中，神经元接收到来自个其他神经元传递过来的输入信号，这些输入信号通过带权重的连接进行传递，神经元接收到的总输入值将与神经元的阈值进行比较，然后通过“激活函数”处理以产生神经元的输出。常用Sigmoid函数作为激活函数。

把许多个这样的神经元按一定额层次结构连接起来，就得到了神经网络。事实上，从计算机科学的角度看，我们可以先不考虑神经网络是否真的模拟了生物神经网络，只需将一个神经网络视为包含了许多参数的数学模型，这个模型是若干个函数，例如相互嵌套而得。

感知机由两层神经元组成，输入层接收外界输入信号后传递给输出层，输出层是M-P神经元，亦称“阈值逻辑单元”。感知机能容易实现与、或、非运算，但它不能解决异或这样简单的非线性可分问题。

要解决非线性可分问题，需要考虑使用多层功能神经元，其输入层与输出层之间的层神经元称为隐层，隐层和输出层神经元都是拥有激活函数的功能神经元。这样的神经网络结构通常称为“多层前馈神经网络”。神经网络的学习过程，就是根据训练数据来调整神经元之间的“连接权”以及每个功能神经元的阈值；换言之，神经网络“学”到的东西，蕴涵在连接权与阈值中。

多层网络的训练通常采用误差逆传播算法（BP）。假定有输入实例由个属性描述，输出维实值向量，含个隐层神经元的单隐层前馈网络，其中输出层第个神经元的阈值用表示，隐层第个神经元的阈值用表示；输入层第个神经元与隐层第个神经元之间的连接权为，隐层第个神经元与输出层第个神经元之间的连接权为。

记隐层第个神经元接收到的输入为

 其中表示样本的第个属性值；

 输出层第个神经元接收到的输入为

其中为隐层第个神经元的输出，假设隐层和输出层神经元都是用Sigmoid函数作为激活函数。即，表示Sigmoid函数。

对训练例，，假定神经网络模型的预测输出为，脚标和上标分别表示样例属性向量的维数、样本序号，即

则网络在训练例上的均方误差为

这里有个参数需确定：输入层到隐层的个权值、隐层到输出层的个权值、个隐层神经元的阈值、个输出层神经元的阈值。

 

 

其中表示学习率，它控制着算法每一轮迭代中的更新步长，若太大则容易振荡，太小则收敛速度又会过慢。还要特别注意理解上述画波浪线的句子。 

对每个训练样例，BP算法执行以下操作：先将输入示例提供给输入层神经元，然后逐层将信号前传，直到产生输出层的结果；然后计算输出层的误差，再将误差逆向传播至隐层神经元，最后根据隐层神经元的误差来对连接权和阈值进行调整。这个迭代过程循环进行，直到达到某些停止条件为止，如训练误差已达到一个很小的值。

一点需要注意的是，更新公式中的不需要赋初值，因为只要给各层权值和阈值赋初值之后，再输入样例，自然就能得到的值了，并且它只起到一个中介作用。

另一点需要注意的是BP算法的目标是要最小化训练集上的累积误差

也就是说，上述“标准BP算法”的更新规则是基于单个的推导而得。累积BP算法与标准BP算法都很常用。一般来说，标准BP算法每次更新至针对单个样例，参数更新得非常频繁，而且对不同样例进行更新的效果可能出现“抵消”现象。因此，为了达到同样的累积误差极小值点，标准BP算法往往需进行更多次数的迭代。累积BP算法直接针对累积误差最小化，它在读取整个训练集一遍后才对参数进行更新，其参数更新频率低得多。但在很多任务中，累积误差下降到一定程度后，进一步下降会非常缓慢，这时标准BP往往会更快获得较好得解。它们得区别类似于随机梯度下降（SGD）与梯度下降（GD）之间的区别。

可以证明，只需一个包含足够多神经元的隐层，多层前馈前馈网络就能以任意精度逼近任意复杂度的连续函数。正是由于其强大的表示能力，BP神经网络经常遭遇过拟合，其训练误差持续降低，但测试误差却可能上升。有两种策略常用来缓解BP网络的过拟合。第一种策略是“早停”：将数据分成训练集和验证集，训练集用来计算梯度、更新连接权和阈值，验证集用来估计误差，若训练集误差降低但验证集误差升高，则停止训练，同时返回具有最小验证集误差的连接权和阈值。第二种策略是“正则化”，其基本思想是在代价函数中增加一个“惩罚项”，这样训练过程将会偏好比较小的参数项，使得网络输出更加“光滑”，从而对过拟合有所缓解。

若代价函数仅有一个局部极小值点（此式的代价函数为凸函数），那么找到的局部极小值点也就是全局最小值点；然而，如果误差函数具有多个局部极小值点，则不能保证找到的解是全局最小值点。在现实任务中，我们通常采用以下策略来“跳出”局部极小：

· 以多组不同参数值初始化多个神经网络，按标准方法训练后，取其中误差最小的解作为最终参数。这相当于从多个不同的初始点开始搜索，这样就可能陷入不同的局部极小，从中进行选择有可能获得更接近全局最小的结果。

  · 使用“模拟退火”技术。

  · 使用随机梯度下降。

  · 使用“遗传算法”。

其他常见的神经网络主要有RBF网络、ART网络、SOM网络、级联相关网络、Elman网络、Boltzmann机等。

典型的深度学习模型就是很深层的神经网络，训练时往往不用BP算法，而采用“预训练+微调”或“权共享”的方式，这有效地节省了训练开销。从另一个角度讲，深度学习是通过多层处理，逐渐将“底层”特征表示转化为“高层”特征表示，最后用“简单模型”来完成复杂的分类等学习任务。

标签：误差,机器,阈值,模型,隐层,神经网络,BP,神经元
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