第七章. 有监督的Hebb学习

本文介绍了Hebb规则及联想存储器的工作原理,并探讨了如何通过不同的学习规则改进存储器性能,包括仿逆规则和增量规则等。此外还讨论了输入向量数量对权重的影响。

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    线性联想器:a=purelin(Wp), 属于联想存储器的一种
    联想存储器:学习Q对标准输入输出向量,{p1,t1}, ..., {pq,tq}. 输入p=px时输出t=tx,输入发生微小波动时输出也应只发生微小波动。
    Hebb规则:正的输入产生正的输出,则增加权值,w_new = w_old + alpha*p*t,当t表示对应时刻网络的实际输出时,这是一种无监督学习。而当t表示期望输出时,这就是有监督学习。
    性能:如果输入原型向量是标准正交的,则Hebb规则能为每个输入生成正确的输出结果。如果输入原型向量不是标准正交的,输出结果会有偏差,而型原型输入向量之间的相关总和越高,偏差越大。为了减小误差,可以采用多种方法,包括“仿逆规则”
    仿逆规则
条件:误差判定函数选定为矩阵的二阶范数,且向量维数大于向量数。
W = T * P+, P+为P的仿逆矩阵,P+ = inv(P' * P)*P'。(不需要对向量规格化)
应用
    自联想存储器:W = sigma(pj * pj')
变形
    1. 如果输入向量过多,会使权值矩阵元素过大,可以增加一个大于0小于1的系数(alpha, 学习速度)。也可以增加一个衰减项,使学习规则像一个平滑滤波器,w_new = (1-gama) w_old + alpha*p*t,gama可以称为遗忘系数,越趋近于1表示遗忘得越快。
    2. 增量规则,t表示 (期望输出 - 实际输出)。增量规则调整权值以使均方误差最小,与仿逆规则得到的结果相同。 优点是每输入一次向量就改变一次权值。


<think>好的,我现在需要帮助用户了解Hebb学习率的概念和实现方法,特别是神经网络中的权重更新规则。首先,我得回忆一下Hebb学习规则的基本知识。根据用户提供的引用[1],Hebb学习规则是一种无导师学习学习信号等于神经元的输出。这意味着权重的调整依赖于前后神经元的激活情况。 接下来,我需要明确用户的问题是关于“Hebb学习率”,但通常Hebb规则更多是关于权重更新,而不是学习率。可能用户混淆了学习率和权重更新规则。所以,在回答时,我需要先澄清Hebb学习规则的基本原理,然后说明其权重更新方法,再讨论如何结合学习率。 用户提供的引用[1]提到,Hebb规则用于调整权矩阵,比如在线性联想器中。引用[2]区分了有导师和无导师学习Hebb属于后者。因此,在解释时,我需要强调无导师学习的特性,即没有目标输出,仅依靠输入和输出的相关性。 然后,考虑实现方法。通常,Hebb的权重更新公式是Δw = η * x * y,其中η是学习率,x是输入,y是输出。这里的学习率η是用户提到的“学习率”,需要解释它的作用,比如控制更新幅度。可以引用用户提供的引用[4],其中讨论了学习率调整的问题,如RMSProp,但Hebb通常使用固定学习率,不过也可以结合自适应方法。 可能需要给出一个具体的例子,比如如何用Python实现Hebb规则。引用[3]展示了神经网络权重的初始化,可以作为参考。例如,初始化权重后,通过输入和输出的乘积来更新权重,并乘以学习率。 同时,要注意用户可能存在的疑问,比如Hebb规则的局限性,如权重可能无界增长,因此需要标准化或其他机制。引用[5]提到了权重和高斯函数的关系,但这里可能不直接相关,不过可以提到权值的调整影响神经元的响应中心。 最后,生成相关问题,帮助用户深入理解,比如与其他学习规则的对比,优化方法,应用场景等,类似示例中的结构。需要确保问题覆盖Hebb的不同方面,并引导用户进一步探索。 总结回答结构:先介绍概念,解释原理,给出数学公式,说明实现步骤,代码示例,讨论优缺点,最后相关问题。确保引用正确,如引用[1][2]说明无导师学习,引用[3]代码结构,引用[4]学习率调整。</think>### Hebb学习规则解析与权重更新实现 #### 1. Hebb学习规则核心原理 Hebb学习规则由神经心理学家Donald Hebb提出,核心思想是**神经元间的连接强度(权重)与前后神经元激活的相关性成正比**,即“共同激活的神经元会加强连接”[^1]。其数学表达式为: $$ \Delta w_{ij} = \eta \cdot x_i \cdot y_j $$ 其中: - $w_{ij}$:输入神经元$i$到输出神经元$j$的权重 - $x_i$:输入信号(前神经元激活值) - $y_j$:输出信号(后神经元激活值) - $\eta$:学习率(控制权重更新幅度) #### 2. 实现步骤与代码示例 ```python import numpy as np class HebbianNetwork: def __init__(self, input_size, output_size, lr=0.01): self.weights = np.random.randn(input_size, output_size) * 0.1 self.lr = lr # 学习率参数 def train(self, x, y): # Hebb规则更新权重 delta_w = self.lr * np.outer(x, y) # 外积计算权重增量 self.weights += delta_w return self.weights ``` *代码说明*:通过`np.outer()`计算输入向量与输出向量的外积,乘以学习率后更新权重矩阵[^3] #### 3. 学习率的作用与优化 - 基础作用:$\eta$控制权重更新幅度,过大会导致震荡,过小收敛慢 - 自适应优化:可结合RMSProp等算法动态调整学习率[^4] $$ \eta_{eff} = \frac{\eta}{\sqrt{E[g^2]_t + \epsilon}} $$ 其中$E[g^2]_t$为历史梯度平方的移动平均 #### 4. 特点与局限性 **优势**: - 生物学合理性高,符合神经可塑性原理 - 无监督学习特性适合特征提取任务[^2] **缺陷**: - 权重可能无限增长(需引入归一化) - 仅捕获线性相关性 - 对噪声敏感
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