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BP神經網絡算法的關鍵詞

BP算法是壹種有監督式的學習算法,其主要思想是:輸入學習樣本,使用反向傳播算法對網絡的權值和偏差進行反復的調整訓練,使輸出的向量與期望向量盡可能地接近,當網絡輸出層的誤差平方和小於指定的誤差時訓練完成,保存網絡的權值和偏差。具體步驟如下:

(1)初始化,隨機給定各連接權[w],[v]及閥值θi,rt。

(2)由給定的輸入輸出模式對計算隱層、輸出層各單元輸出

bj=f(■wijai-θj) ct=f(■vjtbj-rt)

式中:bj為隱層第j個神經元實際輸出;ct為輸出層第t個神經元的實際輸出;wij為輸入層至隱層的連接權;vjt為隱層至輸出層的連接權。

dtk=(ytk-ct)ct(1-ct) ejk=[■dtvjt] bj(1-bj)

(3)選取下壹個輸入模式對返回第2步反復訓練直到網絡設輸出誤差達到要求結束訓練。

傳統的BP算法,實質上是把壹組樣本輸入/輸出問題轉化為壹個非線性優化問題,並通過負梯度下降算法,利用叠代運算求解權值問題的壹種學習方法,但其收斂速度慢且容易陷入局部極小,為此提出了壹種新的算法,即高斯消元法。 2.1 改進算法概述

此前有人提出:任意選定壹組自由權,通過對傳遞函數建立線性方程組,解得待求權。本文在此基礎上將給定的目標輸出直接作為線性方程等式代數和來建立線性方程組,不再通過對傳遞函數求逆來計算神經元的凈輸出,簡化了運算步驟。沒有采用誤差反饋原理,因此用此法訓練出來的神經網絡結果與傳統算法是等效的。其基本思想是:由所給的輸入、輸出模式對通過作用於神經網絡來建立線性方程組,運用高斯消元法解線性方程組來求得未知權值,而未采用傳統BP網絡的非線性函數誤差反饋尋優的思想。

2.2 改進算法的具體步驟

對給定的樣本模式對,隨機選定壹組自由權,作為輸出層和隱含層之間固定權值,通過傳遞函數計算隱層的實際輸出,再將輸出層與隱層間的權值作為待求量,直接將目標輸出作為等式的右邊建立方程組來求解。

現定義如下符號(見圖1):x (p)輸入層的輸入矢量;y (p)輸入層輸入為x (p)時輸出層的實際輸出矢量;t (p)目標輸出矢量;n,m,r分別為輸入層、隱層和輸出層神經元個數;W為隱層與輸入層間的權矩陣;V為輸出層與隱層間的權矩陣。具體步驟如下:

(1)隨機給定隱層和輸入層間神經元的初始權值wij。

(2)由給定的樣本輸入xi(p)計算出隱層的實際輸出aj(p)。為方便起見將圖1網絡中的閥值寫入連接權中去,令:隱層閥值θj=wnj,x(n)=-1,則:

aj(p)=f(■wijxi(p)) (j=1,2…m-1)。

(3)計算輸出層與隱層間的權值vjr。以輸出層的第r個神經元為對象,由給定的輸出目標值tr(p)作為等式的多項式值建立方程,用線性方程組表示為:

a0(1)v1r+a1(1)v2r+…+am(1)vmr=tr(1)a0(2)v1r+a1(2)v2r+…+am(2)vmr=tr(2) ……a0(p)v1r+a1(p)v2r+…+am(p)vmr=tr(p) 簡寫為: Av=T

為了使該方程組有唯壹解,方程矩陣A為非奇異矩陣,其秩等於其增廣矩陣的秩,即:r(A)=r(A┊B),且方程的個數等於未知數的個數,故取m=p,此時方程組的唯壹解為: Vr=[v0r,v2r,…vmr](r=0,1,2…m-1)

(4)重復第三步就可以求出輸出層m個神經元的權值,以求的輸出層的權矩陣加上隨機固定的隱層與輸入層的權值就等於神經網絡最後訓練的權矩陣。 現以神經網絡最簡單的XOR問題用VC編程運算進行比較(取神經網絡結構為2-4-1型),傳統算法和改進BP算法的誤差(取動量因子α=0.001 5,步長η=1.653)

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