【机器学习-西瓜书】第5章 神经网络

本文介绍了神经网络的基础,包括M-P神经元模型、感知机与多层网络,重点讲解了反向传播算法(BP)及其解决过拟合的策略。此外,还探讨了RBF网络、ART网络、SOM网络等其他常见神经网络,以及深度学习中的无监督逐层训练和权值共享策略。

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5.1 神经元模型

定义:

神经网络是由具有适应性的简单单元组成的、广泛并行互连的网络,其组织能够模拟神武神经系统对真实世界物体所做出的交互反应。这里的简单单元指 神经元neuron。

在神经网络中,每个神经元与其他神经元相连,当超过一个”阈值 (threshold)“,该神经元将被激活,产生神经元输出。

沿用至今的M-P神经元模型

5.2 感知机与多层网络

感知机 (perceptron)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。如下图:

 感知机学习规则如下:

对于训练样例 (x, y),若当前感知机输出为\hat{y}, 则按照如下规则调整权重:

w_{i}\leftarrow w_{i} + \Delta w_{i}, \\ \Delta w_{i} = \eta (y - \hat{y})x_{i}

\eta \in (0,1) 为学习率(learning rate)。

感知机只有输出层使用激活函数处理,学习能力有限。通常线性可分linearly separable问题,即存在一个线性超平面可将数据分开,一般可使用感知机算法。

言解决非线性可分问题,需使用多层感知机:

每层神经元与下一层神经元全连接,神经元之间不存在同层内链接,也没有跨层连接,这样的神经网络通常称为”多层前馈神经网络” (multi-layer feedforward neural networks)。比如将下图(b)增加为多层:

 

5.3 反向传播算法 (BP)

通常说的 “BP网络”指:用BP算法训练的multi-layer feedforward neural network。BP算法基于梯度下降策略,以目标的负梯度方向对参数进行更新。

<think>好的,我现在需要帮助用户找到《机器学习西瓜》第三的代码实现,并且用户特别提到用Python。首先,我得回忆一下第三的内容。西瓜的第三主要是关于线性模型,包括线性回归、对数几率回归(也就是逻辑回归)、线性判别分析(LDA)以及多分类学习等。 接下来,我要考虑用户的需求。用户可能已经看过理论部分,现在需要实际的代码来加深理解或者应用。不过西瓜本身并没有提供完整的代码,通常需要参考南瓜或者其他开源项目,比如Datawhale的南瓜项目,他们可能会有配套的代码实现。 然后,我需要检查提供的引用内容。根据用户给出的引用[2],里面提到了第三的线性模型和类别划分的编码矩阵,还有解码过程。引用[3]提到了第五神经网络代码,可能不太相关。引用[1]则涉及聚类算法的代码,属于后面的节。所以主要的线索在引用[2]里,但具体代码实现可能需要更多信息。 接下来,我需要确定用户是否有其他资源可用。比如,南瓜通常会有配套的代码,或者一些开源社区如GitHub上的项目。可能需要引导用户去这些地方查找。另外,用户可能不知道南瓜的存在,所以需要提及这一点。 然后,考虑用户可能的深层需求。他们可能想通过代码来实践第三的内容,比如实现线性回归、逻辑回归或者多分类问题。因此,除了直接指出资源的位置,最好也能提供一些简单的示例代码,帮助他们入门。比如,用sklearn实现线性回归或逻辑回归,或者手动编写梯度下降的代码。 另外,用户可能遇到的问题包括数据准备、参数设置、算法理解等,所以示例代码需要简单明了,并附有必要的注释。同时,需要注意代码的正确性,比如在逻辑回归中使用sigmoid函数,处理多分类时的策略如OvR或OvO。 最后,要确保回答结构清晰,分点列出资源链接和示例代码,并提醒用户参考籍的具体页码,如引用中提到的南瓜56页和西瓜第197页,但第三可能需要不同的页码。不过用户的问题集中在第三,可能需要确认正确的引用页码,但根据现有信息,引用[2]提到了第三,所以可以引用它。 总结步骤: 1. 指出官方代码可能不完整,建议参考南瓜和开源项目。 2. 提供GitHub链接,如Datawhale的南瓜项目。 3. 给出线性回归和逻辑回归的示例代码,使用sklearn和手动实现。 4. 提及多分类学习的实现方法,如OvR和OvO。 5. 添加相关问题,帮助用户深入理解。</think>根据《机器学习》(西瓜)第三“线性模型”的理论内容,以下是代码实现思路及参考资源整理: --- ### 一、第三核心算法及对应代码实现 第三主要包含以下模型,代码实现方式如下: 1. **线性回归** - 手动实现梯度下降法: ```python import numpy as np # 生成数据 X = np.array([[1, 2], [2, 3], [3, 4]]) y = np.dot(X, np.array([1, 2])) + 3 + np.random.normal(0, 0.1, 3) # 梯度下降 w = np.random.randn(2) b = 0 lr = 0.01 for _ in range(1000): y_pred = np.dot(X, w) + b grad_w = np.dot(X.T, (y_pred - y)) / len(y) grad_b = np.mean(y_pred - y) w -= lr * grad_w b -= lr * grad_b print(f"权重: {w}, 偏置: {b}") ``` - 使用 `sklearn` 实现: ```python from sklearn.linear_model import LinearRegression model = LinearRegression().fit(X, y) print(f"权重: {model.coef_}, 偏置: {model.intercept_}") ``` 2. **对数几率回归(逻辑回归)** - Sigmoid函数与交叉熵损失实现: ```python def sigmoid(z): return 1 / (1 + np.exp(-z)) # 二分类逻辑回归梯度下降 X = np.array([[1, 2], [2, 3], [3, 4]]) y = np.array([0, 1, 1]) w = np.random.randn(2) b = 0 for _ in range(1000): logits = np.dot(X, w) + b probs = sigmoid(logits) grad_w = np.dot(X.T, (probs - y)) / len(y) grad_b = np.mean(probs - y) w -= lr * grad_w b -= lr * grad_b ``` - 使用 `sklearn` 实现: ```python from sklearn.linear_model import LogisticRegression model = LogisticRegression().fit(X, y) ``` 3. **线性判别分析(LDA)** ```python from sklearn.discriminant_analysis import LinearDiscriminantAnalysis model = LinearDiscriminantAnalysis().fit(X, y) ``` 4. **多分类学习(OvR/OvO策略)** ```python from sklearn.multiclass import OneVsRestClassifier, OneVsOneClassifier from sklearn.svm import SVC ovr_model = OneVsRestClassifier(SVC()).fit(X, y) ovo_model = OneVsOneClassifier(SVC()).fit(X, y) ``` --- ### 二、官方代码资源 1. **南瓜配套代码** - GitHub仓库地址:[https://github.com/datawhalechina/pumpkin-book](https://github.com/datawhalechina/pumpkin-book) - 第三代码文件通常命名为 `ch03_linear_models.ipynb`,包含线性回归、逻辑回归的推导与实现[^2]。 2. **第三方实现参考** - 线性模型完整实现(含梯度下降可视化):[西瓜线性模型代码示例](https://github.com/Vay-keen/Machine-learning-learning-notes) --- ### 三、关键理论对照 - **编码与解码策略**:多分类问题中,`OneVsRest` 对应“一对其余”(OvR),`OneVsOne` 对应“一对一”(OvO),分类结果通过编码矩阵组合后解码得到最终预测。 - **性能优化**:逻辑回归可通过调整正则化参数(如 `penalty='l2'`)或使用随机梯度下降(`SGDClassifier`)优化。 ---
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