ANN

本文深入探讨了神经网络的学习问题,重点介绍了多层网络和反向传播算法,包括sigmoid激活函数和误差的计算。文章还讨论了如何通过增加冲量项来优化权重更新,以及反向传播在任意深度前馈网络和有向无环网络中的应用。此外,还涉及了过度拟合、泛化能力和隐藏层表示的重要性,以及在人脸识别等实际应用中的作用。

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适合神经网络学习的问题

  • 实例是用很多“属性- 值”对表示的。要学习的目标函数是定义在可以用向量描述的实例之上的,向量由预先定义的特征组成,例如 ALVINN 例子中的像素值。这些输入属性之间可以高度相关,也可以相互独立。输入值可以是任何实数
  • 目标函数的输出可能是离散值、实数值或者由若干实数属性或离散属性组成的向量目标函数的输出可能是离散值、实数值或者由若干实数属性或离散属性组成的向量。例如,在 ALVINN 系统中输出的是 30 个属性的向量,每一个分量对应一个建议的驾驶方向。每个输出值是 0 和 1 之间的某个实数,对应于在预测相应驾驶方向时的置信度(confidence)。我们也可以训练一个单一网络,同时输出行驶方向和建议的加速度,这只要简单地把编码这两种输出预测的向量连接在一起就可以了。
  • 训练数据可能包含错误。ANN 学习算法对于训练数据中的错误有非常好的鲁棒性。
  • 可容忍长时间的训练。网络训练算法通常比像决策树学习这样的算法需要更长的训练时间。训练时间可能从几秒钟到几小时,这要看网络中权值的数量、要考虑的训练实例的数量、以及不同学习算法参数的设置等因素。
  • 可能需要快速求出目标函数值。尽管 ANN 的学习时间相对较长,但对学习的网络求值,以便把网络应用到后续的实例,通常是非常快速的。例如,ALVINN 在车辆向前行驶时,每秒应用它的神经网络若干次,以不断地更新驾驶方向。
  • 人类能否理解学到的目标函数是不重要的。神经网络方法学习到的权值经常是人类难以解释的。学到的神经网络比学到的规则难于传达给人类。

多层网络和反向传播算法

可微阈值单元
sigmoid
这里写图片描述

o=σ(wx)

σ(y)=11+ey

dσ(y)dy=σ
### 人工神经网络概述 人工神经网络(Artificial Neural Network, ANN)是一种模拟人脑神经元网络结构和工作方式的计算模型,由大量的人工神经元组成,并通过这些神经元之间的连接来传递信息[^2]。这种模型从信息处理的角度对人脑神经元网络进行了抽象,建立了简单的数学模型并按照不同方式进行连接形成复杂的网络结构[^3]。 #### ANN的工作机制 具体来说,在一个多层感知器类型的ANN中: - 输入信号 \( x_i \) 被送入隐藏层中的各个节点; - 隐藏层第\( h \)个神经元接收到加权后的输入信号之和作为其净输入\[ α_h=\sum_{i=1}^{d}{v_{ih}x_i}\][^1]; - 接着该神经元会应用激活函数\( f() \),加上偏置项\( γ_h \),得到最终输出\[ b_h=f(α_h+γ_h)\]; - 这些来自隐藏层的结果再成为下一层——输出层各单元的新输入源; - 输出层第\( j \)个神经元接收到来自所有前向关联的隐含层单位经过权重调整过的贡献总和\[ β_j=\sum_{h=1}^{q}{w_{hj}b_h}\]; - 同样地,这个值也会被传给激活函数以及相应的阈值参数\( θ_j \),从而得出整个系统的预测输出\[ y_j=f(β_j+θ_j)\]; 因此,ANN能够通过对输入数据的学习自动提取特征,并利用所学得的知识完成分类、回归等各种任务。 ```python import numpy as np def activate(x): return 1 / (1 + np.exp(-x)) # Sigmoid activation function example # Example of computing output for a single neuron in hidden layer and then an output neuron alpha_h = sum([vi * xi for vi, xi in zip(v_weights, inputs)]) bh = activate(alpha_h + gamma) beta_j = sum([wj * bh for wj in w_weights]) yj = activate(beta_j + theta) ```
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