[神经网络]从反向传播(BP)到去噪自动编码器(DAE)

本文探讨神经网络训练机制,重点讲解BP算法和自动编码器(AE)。BP通过误差反传播训练,但存在梯度消失、局部最优等问题。AE通过无监督学习进行特征学习,可逐层训练并有监督微调用于分类。DAE是AE的改进版,引入噪声提升网络泛化能力,能学习更鲁棒的输入表示。

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本文主要总结一下神经网络几种训练机制,不仅简单介绍这几种训练机制的步骤和优缺点,而且从发展,进化的角度理清训练机制不断改进的思路和解决方案,以加深对这几种网络的理解,文中没有公式,适合DL入门者。

BP

BP(back propagation ),也叫误差反传播,是传统神经网络(相对于深度神经网络)中采用的训练机制。改方法通过随机设定网络参数的初值,计算输入在当前网络下的输出结果,然后根据输出与label(真值)之间的差值,采用迭代算法对整个网络的参数整体调整,直到收敛。 
特点: 
(1):采用梯度下降法,迭代地整体调整网络参数 
(2):随机初始化网络参数 
(3):采用有标签数据训练 
缺点: 
(1):整体调整过程中,误差(校正)信号会越来越小,梯度会越来越稀疏 

### 堆叠自编码器的概念 堆叠自编码器(Stacked Auto-Encoder, SAE)是一种深度学习模型,其核心思想是通过逐层叠加多个自编码器来构建深层神经网络结构[^1]。每个自编码器负责提取输入数据的不同层次特征,在完成单个自编码器的训练后,将其作为下一层自编码器的输入。 由于传统反向传播算法在多隐层网络中的局限性——即随着层数增加,误差信号逐渐衰减,导致训练效率低下甚至失效[^3],因此引入了预训练机制。具体而言,堆叠自编码器采用无监督方式对每一层单独进行预训练,随后再执行有监督的整体微调,从而显著提升训练效果和收敛速度。 --- ### 堆叠自编码器的实现方法 #### 预训练阶段 在预训练过程中,每一个独立的自编码器被视作一个浅层网络,并使用无监督学习技术对其进行初始化权重调整。例如,可以基于降自动编码器(Denoising Auto-Encoder, DAE)或者稀疏自动编码器(Sparse Auto-Encoder, SAE)等变体形式实施局部优化。 以下是Python代码示例展示如何定义并训练单一自编码器: ```python import tensorflow as tf from tensorflow.keras.layers import Input, Dense from tensorflow.keras.models import Model def create_autoencoder(input_dim, encoding_dim): input_layer = Input(shape=(input_dim,)) encoded = Dense(encoding_dim, activation='relu')(input_layer) decoded = Dense(input_dim, activation='sigmoid')(encoded) autoencoder = Model(inputs=input_layer, outputs=decoded) encoder = Model(inputs=input_layer, outputs=encoded) autoencoder.compile(optimizer='adam', loss='mse') return autoencoder, encoder # Example usage autoencoder_1, encoder_1 = create_autoencoder(784, 128) ``` 上述代码片段展示了创建第一个自编码器的过程。类似地,可依次扩展至后续各层。 #### 微调阶段 经过逐层预训练之后,所有已训练好的参数会被组合成完整的深架构,并进一步借助标注样本集开展端到端全局精修操作。此环节通常依赖于标准BP算法及其改进版本完成最终目标函数最小化求解任务。 值得注意的是,在实际工程实践中可能会遇到某些特殊情况影响性能表现,比如当某个特定子模块未能充分参与整个流程时可能造成整体效能受损现象发生[^2]。 --- ### 应用场景分析 堆叠自编码器因其强大的表达能力和灵活性广泛应用于各类领域之中,下面列举几个典型例子说明其价值所在: 1. **图像分类** 利用SAE可以从高维像素空间抽取低维度语义表示用于区分不同类型对象类别。文献《Learning Compact and Discriminative Stacked Autoencoder for Hyperspectral Image Classification》探讨了一种紧凑型判别式超光谱影像分类方案,有效提高了识别精度水平[^4]。 2. **社区发现** 结合集成聚类框架设计出一种新颖的社会网络社群探测办法(CDMES),它能够很好地适应因不同相似度计算策略引发的数据分布差异挑战[^5]。 3. **异常检测** 自动编码器擅长捕捉正常模式下的规律特性,故而非常适合用来监测偏离常规的行为事件。 ---
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