• 转 神经网络


    神经网络在解决一些复杂的非线性分类问题时,相对于线性回归、逻辑回归,都被证明是一个更好的算法。其实神经网络也可以看做的逻辑回归的组合(叠加,级联等)。

            一个典型神经网络的模型如下图所示:

                     

            上述模型由3个部分组成:输入层、隐藏层、输出层。其中输入层输入特征值,输出层的输出作为我们分类的依据。例如一个20*20大小的手写数字图片的识别举例,那么输入层的输入便可以是20*20=400个像素点的像素值,即模型中的a1;输出层的输出便可以看做是该幅图片是0到9其中某个数字的概率。而隐藏层、输出层中的每个节点其实都可以看做是逻辑回归得到的。逻辑回归的模型可以看做这样(如下图所示):

                            

            有了神经网络的模型,我们的目的就是求解模型里边的参数theta,为此我们还需知道该模型的代价函数以及每一个节点的“梯度值”。

            代价函数的定义如下:

                                                   

          代价函数关于每一个节点处theta的梯度可以用反向传播算法计算出来。反向传播算法的思想是由于我们无法直观的得到隐藏层的输出,但我们已知输出层的输出,通过反向传播,倒退其参数。

    我们以以下模型举例,来说明反向传播的思路、过程:

                          

    该模型与给出的第一个模型不同的是,它具有两个隐藏层。

            为了熟悉这个模型,我们需要先了解前向传播的过程,对于此模型,前向传播的过程如下:

                      

    其中,a1,z2等参数的意义可以参照本文给出的第一个神经网络模型,类比得出。

    然后我们定义误差delta符号具有如下含义(之后推导梯度要用):

                   

    误差delta的计算过程如下:

                 

    然后我们通过反向传播算法求得节点的梯度,反向传播算法的过程如下:

          

    有了代价函数与梯度函数,我们可以先用数值的方法检测我们的梯度结果。之后我们就可以像之前那样调用matlab的fminunc函数求得最优的theta参数。

    需要注意的是,在初始化theta参数时,需要赋予theta随机值,而不能是固定为0或是什么,这就避免了训练之后,每个节点的参数都是一样的。

    下面给出计算代价与梯度的代码:

     

    [plain] view plaincopy
    1. function [J grad] = nnCostFunction(nn_params, ...  
    2.                                    input_layer_size, ...  
    3.                                    hidden_layer_size, ...  
    4.                                    num_labels, ...  
    5.                                    X, y, lambda)  
    6. %NNCOSTFUNCTION Implements the neural network cost function for a two layer  
    7. %neural network which performs classification  
    8. %   [J grad] = NNCOSTFUNCTON(nn_params, hidden_layer_size, num_labels, ...  
    9. %   X, y, lambda) computes the cost and gradient of the neural network. The  
    10. %   parameters for the neural network are "unrolled" into the vector  
    11. %   nn_params and need to be converted back into the weight matrices.   
    12. %   
    13. %   The returned parameter grad should be a "unrolled" vector of the  
    14. %   partial derivatives of the neural network.  
    15. %  
    16.   
    17. % Reshape nn_params back into the parameters Theta1 and Theta2, the weight matrices  
    18. % for our 2 layer neural network  
    19. Theta1 = reshape(nn_params(1:hidden_layer_size * (input_layer_size + 1)), ...  
    20.                  hidden_layer_size, (input_layer_size + 1));  
    21.   
    22. Theta2 = reshape(nn_params((1 + (hidden_layer_size * (input_layer_size + 1))):end), ...  
    23.                  num_labels, (hidden_layer_size + 1));  
    24.   
    25. % Setup some useful variables  
    26. m = size(X, 1);  
    27.            
    28. % You need to return the following variables correctly   
    29. J = 0;  
    30. Theta1_grad = zeros(size(Theta1));  
    31. Theta2_grad = zeros(size(Theta2));  
    32.   
    33. % ====================== YOUR CODE HERE ======================  
    34. % Instructions: You should complete the code by working through the  
    35. %               following parts.  
    36. %  
    37. % Part 1: Feedforward the neural network and return the cost in the  
    38. %         variable J. After implementing Part 1, you can verify that your  
    39. %         cost function computation is correct by verifying the cost  
    40. %         computed in ex4.m  
    41. %  
    42. % Part 2: Implement the backpropagation algorithm to compute the gradients  
    43. %         Theta1_grad and Theta2_grad. You should return the partial derivatives of  
    44. %         the cost function with respect to Theta1 and Theta2 in Theta1_grad and  
    45. %         Theta2_grad, respectively. After implementing Part 2, you can check  
    46. %         that your implementation is correct by running checkNNGradients  
    47. %  
    48. %         Note: The vector y passed into the function is a vector of labels  
    49. %               containing values from 1..K. You need to map this vector into a   
    50. %               binary vector of 1's and 0's to be used with the neural network  
    51. %               cost function.  
    52. %  
    53. %         Hint: We recommend implementing backpropagation using a for-loop  
    54. %               over the training examples if you are implementing it for the   
    55. %               first time.  
    56. %  
    57. % Part 3: Implement regularization with the cost function and gradients.  
    58. %  
    59. %         Hint: You can implement this around the code for  
    60. %               backpropagation. That is, you can compute the gradients for  
    61. %               the regularization separately and then add them to Theta1_grad  
    62. %               and Theta2_grad from Part 2.  
    63. %  
    64. J_tmp=zeros(m,1);  
    65. for i=1:m  
    66.     y_vec=zeros(num_labels,1);  
    67.     y_vec(y(i))=1;  
    68.     a1 = [ones(1, 1) X(i,:)]';  
    69.     z2=Theta1*a1;  
    70.     a2=sigmoid(z2);  
    71.     a2=[ones(1,size(a2,2)); a2];  
    72.     z3=Theta2*a2;  
    73.     a3=sigmoid(z3);  
    74.     hThetaX=a3;  
    75.     J_tmp(i)=sum(-y_vec.*log(hThetaX)-(1-y_vec).*log(1-hThetaX));  
    76. end  
    77. J=1/m*sum(J_tmp);  
    78. J=J+lambda/(2*m)*(sum(sum(Theta1(:,2:end).^2))+sum(sum(Theta2(:,2:end).^2)));  
    79.   
    80. Delta1 = zeros( hidden_layer_size, (input_layer_size + 1));  
    81. Delta2 = zeros( num_labels, (hidden_layer_size + 1));  
    82. for t=1:m  
    83.     y_vec=zeros(num_labels,1);  
    84.     y_vec(y(t))=1;  
    85.     a1 = [1 X(t,:)]';  
    86.     z2=Theta1*a1;  
    87.     a2=sigmoid(z2);  
    88.     a2=[ones(1,size(a2,2)); a2];  
    89.     z3=Theta2*a2;  
    90.     a3=sigmoid(z3);  
    91.     delta_3=a3-y_vec;  
    92.     gz2=[0;sigmoidGradient(z2)];  
    93.     delta_2=Theta2'*delta_3.*gz2;  
    94.     delta_2=delta_2(2:end);  
    95.     Delta2=Delta2+delta_3*a2';  
    96.     Delta1=Delta1+delta_2*a1';  
    97. end  
    98. Theta1_grad=1/m*Delta1;  
    99. Theta2_grad=1/m*Delta2;  
    100.   
    101. Theta1(:,1)=0;  
    102. Theta1_grad=Theta1_grad+lambda/m*Theta1;  
    103. Theta2(:,1)=0;  
    104. Theta2_grad=Theta2_grad+lambda/m*Theta2;  
    105. % -------------------------------------------------------------  
    106.   
    107. % =========================================================================  
    108.   
    109. % Unroll gradients  
    110. grad = [Theta1_grad(:) ; Theta2_grad(:)];  
    111.   
    112.   
    113. end  

    最后总结一下,对于一个典型的神经网络,训练过程如下:

     

         

       

    按照这个步骤,我们就可以求得神经网络的参数theta。

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