BP神经网络模型推导

BP神经网络模型推导
BP神经网络模型推导

The project describes teaching process of multi-layer neural network employing backpropagation algorithm. To illustrate this process the three layer neural network with two inputs and one output,which is shown in the picture below, is used:

Each neuron is composed of two units. First unit adds products of weights coefficients and input signals. The second unit realise nonlinear function, called neuron activation function. Signal e is adder output signal, and y =

f(e) is output signal of nonlinear element. Signal y is also output signal of neuron.

To teach the neural network we need training data set. The training data set

consists of input signals (x1 and x2 ) assigned with corresponding target (desired output) z. The network training is an iterative process. In each iteration weights coefficients of nodes are modified using new data from training data set. Modification is calculated using algorithm described below: Each teaching step starts with forcing both input signals from training set. After this stage we can determine output signals values for each neuron in each network layer. Pictures below illustrate how signal is propagating through the network, Symbols w(xm)n represent weights of connections between network input x m and neuron n in input layer. Symbols y n represents output signal of neuron n.

Propagation of signals through the hidden layer. Symbols w mn represent weights of connections between output of neuron m and input of neuron n in the next layer.

Propagation of signals through the output layer.

In the next algorithm step the output signal of the network y is compared with the desired output value (the target), which is found in training data set. The difference is called error signal δ of output layer neuron.

It is impossible to compute error signal for internal neurons directly, because output values of these neurons are unknown. For many years the effective method for training multiplayer networks has been unknown. Only in the middle eighties the backpropagation algorithm has been worked out. The idea is to propagate error signal δ (computed in single teaching step)

back to all neurons, which output signals were input for discussed neuron.

The weights' coefficients w mn used to propagate errors back are equal to this used during computing output value. Only the direction of data flow is changed (signals are propagated from output to inputs one after the other). This technique is used for all network layers. If propagated errors came from few neurons they are added. The illustration is below:

When the error signal for each neuron is computed, the weights coefficients of each neuron input node may be modified. In formulas

below df(e)/de represents derivative of neuron activation function (which weights are modified).

df1(e)/dw(x1)1 = [df1(e)/de]*[de/dw(x1)1]=[df(e)/de]*x1

Coefficient affects network teaching speed. There are a few techniques to select this parameter. The first method is to start teaching process with large value of the parameter. While weights coefficients are being established the parameter is being decreased gradually. The second, more complicated, method starts teaching with small parameter value. During the teaching process the parameter is being increased when the teaching is advanced and then decreased again in the final stage. Starting teaching process with low parameter value enables to determine weights coefficients signs.

References

Ryszard Tadeusiewcz "Sieci neuronowe", Kraków 1992

bp神经网络详解

学习是神经网络一种最重要也最令人注目的特点。在神经网络的发展进程中,学习算法的研究有着十分重要的地位。目前,人们所提出的神经网络模型都是和学习算法相应的。所以,有时人们并不去祈求对模型和算法进行严格的定义或区分。有的模型可以有多种算法.而有的算法可能可用于多种模型。不过,有时人们也称算法为模型。 自从40年代Hebb提出的学习规则以来,人们相继提出了各种各样的学习算法。其中以在1986年Rumelhart等提出的误差反向传播法,即BP(error BackPropagation)法影响最为广泛。直到今天,BP算法仍然是自动控制上最重要、应用最多的有效算法。 1.2.1 神经网络的学习机理和机构 在神经网络中,对外部环境提供的模式样本进行学习训练,并能存储这种模式,则称为感知器;对外部环境有适应能力,能自动提取外部环境变化特征,则称为认知器。 神经网络在学习中,一般分为有教师和无教师学习两种。感知器采用有教师信号进行学习,而认知器则采用无教师信号学习的。在主要神经网络如BP网络,Hopfield网络,ART网络和Kohonen网络中;BP网络和Hopfield网络是需要教师信号才能进行学习的;而ART网络和 Kohonen网络则无需教师信号就可以学习。所谓教师信号,就是在神经网络学习中由外部提供的模式样本信号。 一、感知器的学习结构 感知器的学习是神经网络最典型的学习。 目前,在控制上应用的是多层前馈网络,这是一种感知器模型,学习算法是BP法,故是有教师学习算法。 一个有教师的学习系统可以用图1—7表示。这种学习系统分成三个部分:输入部,训练部和输出部。 图1-7 神经网络学习系统框图

BP神经网络详细讲解

PS:这篇介绍神经网络是很详细的,有一步一步的推导公式!神经网络是DL(深度学习)的基础。 如果对神经网络已经有所了解,可以直接跳到“三、BP算法的执行步骤“ 部分,算法框架清晰明了。 另外,如果对NN 很感兴趣,也可以参阅最后两篇参考博文,也很不错! 学习是神经网络一种最重要也最令人注目的特点。在神经网络的发展进程中,学习算法的研究有着十分重要的地位。目前,人们所提出的神经网络模型都是和学习算法相应的。所以,有时人们并不去祈求对模型和算法进行严格的定义或区分。有的模型可以有多种算法.而有的算法可能可用于多种模型。不过,有时人们也称算法为模型。 自从40年代Hebb提出的学习规则以来,人们相继提出了各种各样的学习算法。其中以在1986年Rumelhart等提出的误差反向传播法,即BP(error BackPropagation)法影响最为广泛。直到今天,BP算法仍然是自动控制上最重要、应用最多的有效算法。 1.2.1 神经网络的学习机理和机构 在神经网络中,对外部环境提供的模式样本进行学习训练,并能存储这种模式,则称为感知器;对外部环境有适应能力,能自动提取外部环境变化特征,则称为认知器。 神经网络在学习中,一般分为有教师和无教师学习两种。感知器采用有教师信号进行学习,而认知器则采用无教师信号学习的。在主要神经网络如BP网络,Hopfield网络,ART网络和Kohonen 网络中;BP网络和Hopfield网络是需要教师信号才能进行学习的;而ART网络和Kohonen网络则无需教师信号就可以学习。所谓教师信号,就是在神经网络学习中由外部提供的模式样本信号。 一、感知器的学习结构 感知器的学习是神经网络最典型的学习。 目前,在控制上应用的是多层前馈网络,这是一种感知器模型,学习算法是BP法,故是有教师学习算法。 一个有教师的学习系统可以用图1—7表示。这种学习系统分成三个部分:输入部,训练部和输出部。

本科毕业论文---基于bp神经网络的字符识别算法的实现正文

一、原始依据(包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目 的等。) 工作基础:了解C++的基本概念和语法,熟练使用Visual C++6.0软件。 研究条件:BP神经网络的基本原理以及图像处理的基本常识。 应用环境:基于BP神经网络的图片图像文件中的字符识别。 工作目的:掌握基于Visual C++6.0应用程序的开发。 了解人工智能的基本概念并掌握神经网络算法的基本原理。 掌握Visual C++6.0中的图片处理的基本过程。 二、参考文献 [1]人工智能原理及其应用,王万森,电子工业出版社,2007. [2]VC++深入详解,孙鑫,电子工业出版社,2006. [3]人工神经网络原理, 马锐,机械工业出版社,2010. [4]Visual C++数字图像处理典型案例详解,沈晶,机械工业出版社,2012. [5]Application of Image Processing to the Characterization of Nanostructures Manuel F. M. Costa,Reviews on Advanced Materials Science,2004. 三、设计(研究)内容和要求(包括设计或研究内容、主要指标与技术参数,并根据课题性质对学生提出具体要求。) 1、掌握C++的基本概念和语法。 2、掌握二维神经网络的基本原理。了解BP神经网络的基本概念。 3、完成Visual C++中对于图像的灰度、二值化等预处理。 4、完成基于样本的神经网络的训练以及图像中数字的识别,并对其性能进 行统计和总结,分析其中的不足。 指导教师(签字) 年月日 审题小组组长(签字) 年月日

BP神经网络详细讲解

PS:这篇介绍神经网络就是很详细得,有一步一步得推导公式!神经网络就是DL(深度学习)得基础。 如果对神经网络已经有所了解,可以直接跳到“三、BP算法得执行步骤“ 部分,算法框架清晰明了。 另外,如果对NN 很感兴趣,也可以参阅最后两篇参考博文,也很不错! 学习就是神经网络一种最重要也最令人注目得特点。在神经网络得发展进程中,学习算法得研究有着十分重要得地位。目前,人们所提出得神经网络模型都就是与学习算法相应得。所以,有时人们并不去祈求对模型与算法进行严格得定义或区分。有得模型可以有多种算法.而有得算法可能可用于多种模型。不过,有时人们也称算法为模型。 自从40年代Hebb提出得学习规则以来,人们相继提出了各种各样得学习算法。其中以在1986年Rumelhart等提出得误差反向传播法,即BP(error BackPropagation)法影响最为广泛。直到今天,BP算法仍然就是自动控制上最重要、应用最多得有效算法。 1.2.1 神经网络得学习机理与机构 在神经网络中,对外部环境提供得模式样本进行学习训练,并能存储这种模式,则称为感知器;对外部环境有适应能力,能自动提取外部环境变化特征,则称为认知器。 神经网络在学习中,一般分为有教师与无教师学习两种。感知器采用有教师信号进行学习,而认知器则采用无教师信号学习得。在主要神经网络如BP网络,Hopfield网络,ART网络与Kohonen 网络中;BP网络与Hopfield网络就是需要教师信号才能进行学习得;而ART网络与Kohonen网络则无需教师信号就可以学习。所谓教师信号,就就是在神经网络学习中由外部提供得模式样本信号。 一、感知器得学习结构 感知器得学习就是神经网络最典型得学习。 目前,在控制上应用得就是多层前馈网络,这就是一种感知器模型,学习算法就是BP法,故就是有教师学习算法。 一个有教师得学习系统可以用图1—7表示。这种学习系统分成三个部分:输入部,训练部与输出部。

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