其中,是由上一层的单元到单元的连接的权重;是上一层的单元的输出;是单元的偏置。需要说明的是偏置充当阀值,用来改变单元的活性。给定单元的净输入,单元的输出,如下所示:

3.后向传播误差
(1)对于输出层单元,误差用下式计算:

其中,是单元的实际输出,而给定训练元组的已知目标值。需要说明的是,是逻辑斯缔函数的导数。
(2)对于隐藏层单元,它的误差用下式计算:

其中,是由下一较高层中单元到单元的连接权重,而是单元的误差。
(3)权重更新,如下所示:

其中,是权重的改变量,变量是学习率,通常取0.0和1.0之间的常数值。
(4)偏置更新,如下所示:

其中,的改变量。

(5)权重和偏置更新
如果每处理一个样本就更新权重和偏置,称为实例更新(case update);如果处理完训练集中的所有元组之后再更新权重和偏置,称为周期更新(epoch update)。理论上,反向传播算法的数据推导使用周期更新,但是在实践中,实例更新通常产生更加准确的结果。
说明:误差反向传播的过程就是将误差分摊给各层所有单元,从而获得各层单元的误差信号,进而修正各单元的权值,即权值调整的过程。
4.终止条件
如果满足条件之一,就可以停止训练,如下所示:
(1)前一周期所有的都太小,小于某个指定的阀值。
(2)前一周期误分类的元组百分比小于某个阀值。
(3)超过预先指定的周期数。
实践中,权重收敛可能需要数十万个周期。神经网络的训练有很多的经验和技巧,比如可以使用一种称为模拟退火的技术,使神经网络确保收敛到全局最优。

三.用BP训练多层前馈神经网络
举个例子具体说明使用BP算法训练多层前馈神经网络的每个细节,如下所示:多层前馈神经网络及BP算法-LMLPHP设置学习率为0.9,第一个训练元组为,其类标号为1。神经网络的初始权重和偏置值如表1所示:多层前馈神经网络及BP算法-LMLPHP根据给定的元组,计算每个神经元的净输入和输出,如表2所示:多层前馈神经网络及BP算法-LMLPHP每个神经元的误差值如表3所示:多层前馈神经网络及BP算法-LMLPHP说明:从误差的计算过程来理解反向(BP)传播算法也许更加直观和容易。权重和偏置的更新如表4所示:多层前馈神经网络及BP算法-LMLPHP说明:将该神经网络模型训练好后,就可以得到权重和偏执参数,进而做二分类。

四.用Python实现BP神经网络[3]
神经网络拓扑结构,如下所示:多层前馈神经网络及BP算法-LMLPHP解析:
1.第33和35行:l1和l2分别表示第1层和第2层神经元的输出。(第0层表示元组输入)
2.第37行:l2_error与相对应。
3.第40行:l2_delta与输出层误差相对应。
4.第42行:l1_error与相对应。
5.第43行:l1_delta与隐藏层误差相对应。
6.第45行:l1.T.dot(l2_delta)与相对应,而syn1与相对应。
7.第46行:l0.T.dot(l1_delta)与相对应,而syn0与相对应。
说明:一边代码,一边方程,做到代码与方程的映射。这是一个基础的三层BP神经网络,但是麻雀虽小五脏俱全。主要的不足有几点:没有考虑偏置;没有考虑学习率;没有考虑正则化;使用的是周期更新,而不是实例更新(一个样本)和批量更新(m个样本)。但是,足以理解前馈神经网络和BP算法的工作原理。神经网络和BP算法的详细数学推导参考[5]。

参考文献:
[1]数据挖掘:概念与技术[第三版][2]使用Python构造神经网络:http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-neurnet/
[3]一个11行Python代码实现的神经网络:http://python.jobbole.com/82758/
[4]用BP人工神经网络识别手写数字:http://blog.csdn.net/gzlaiyonghao/article/details/7109898
[5]反向传导算法:http://ufldl.stanford.edu/wiki/index.php/%E5%8F%8D%E5%90%91%E4%BC%A0%E5%AF%BC%E7%AE%97%E6%B3%95

09-02 06:12