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1、考拉BP神经网络的matlab实现学习历程(一) 考拉BP神经网络的matlab实现学习历程(一)本文考拉BP神经网络的matlab实现学习历程系列由论坛超级版主akjuan整理和原创,我们在此表示特别感谢这两天在学习bp,总结和汇报一下,和大家一起学习。希望初入神经网络能有所收获,给新手一些帮组和启发。也希望熟悉bp的高手,多提宝贵意见和建议。 学习内容总结成五个小节,具体内容如下:第一节内容:包括神经网络的基础知识,BP网络的特点,bp主要应用的场合,使用时应注意的问题。第二节内容:主要是阐述BP中几个容易混绕的概念和问题,包括什么是网络的泛化能力?过拟合是什么,怎么处理?学习速率有什么作
2、用?神经网络的权值和阈值分别是个什么概念?用BP逼近非线性函数,如何提高训练精度?第三节内容:主要阐述使用matlab实现,为了充分利用数据,得到最优的网络训练结果,在网络建立前,应该进行的基本数据处理问题,包括:BP神经网络matlab实现的基本步骤,数据归一化问题和方法,输入训练数据的乱序排法,以及分类方法,如何查看和保存训练的结果,每次结果不一样问题。第四节内容:bp神经网络进行交通预测的Matlab例子及源代码,bp神经网络进行交通预测的Matlab程序的优化(主要是按设置误差要求,寻找最优网络过程)第五节内容:bp神经网络处理蠓虫分类问题的matlab例子及源代码。不多说,先如主题,
3、第一节,很基础,高手见谅。什么是神经网络?神经网络是由很多神经元组成的,首先我们看一下,什么是神经元上面这个图表示的就是一个神经元,我们不管其它书上说的那些什么树突,轴突的。我用个比较粗浅的解释,可能不太全面科学,但对初学者很容易理解:1、我们把输入信号看成你在matlab中需要输入的数据,输进去神经网络后2、这些数据的每一个都会被乘个数,即权值w,然后这些东东与阀值b相加后求和得到u,3、上面只是线性变化,为了达到能处理非线性的目的,u做了个变换,变换的规则和传输函数有关可能还有人问,那么那个阀值是什么呢?简单理解就是让这些数据做了个平移,这就是神经元工作的过程。处理后的结果又作为输入,可输
4、给别的神经元,很多这样的神经元,就组成了网络。在matlab中具体用什么算法实现这些,我们先不管,我们需要注意的是怎么使用。比如使用BP的神经网络newff()构建一个网络,这些在后面的学习将提到。BP网络的特点网络实质上实现了一个从输入到输出的映射功能,而数学理论已证明它具有实现任何复杂非线性映射的功能。这使得它特别适合于求解内部机制复杂的问题。我们无需建立模型,或了解其内部过程,只需输入,获得输出。只要BPNN结构优秀,一般20个输入函数以下的问题都能在50000次的学习以内收敛到最低误差附近。而且理论上,一个三层的神经网络,能够以任意精度逼近给定的函数,这是非常诱人的期望;网络能通过学习
5、带正确答案的实例集自动提取“合理的”求解规则,即具有自学习能力;网络具有一定的推广、概括能力。bp主要应用回归预测(可以进行拟合,数据处理分析,事物预测,控制等)、 分类识别(进行类型划分,模式识别等),在后面的学习中,我都将给出实例程序。但无论那种网络,什么方法,解决问题的精确度都无法打到100%的,但并不影响其使用,因为现实中很多复杂的问题,精确的解释是毫无意义的,有意义的解析必定会损失精度。BP注意问题1、BP算法的学习速度很慢,其原因主要有:a 由于BP算法本质上为梯度下降法,而它所要优化的目标函数又非常复杂,因此,必然会出现“锯齿形现象”,这使得BP算法低效;b 存在麻痹现象,由于优
6、化的目标函数很复杂,它必然会在神经元输出接近0或1的情况下,出现一些平坦区,在这些区域内,权值误差改变很小,使训练过程几乎停顿;c 为了使网络执行BP算法,不能用传统的一维搜索法求每次迭代的步长,而必须把步长的更新规则预先赋予网络,这种方法将引起算法低效。2、网络训练失败的可能性较大,其原因有:a 从数学角度看,BP算法为一种局部搜索的优化方法,但它要解决的问题为求解复杂非线性函数的全局极值,因此,算法很有可能陷入局部极值,使训练失败;b 网络的逼近、推广能力同学习样本的典型性密切相关,而从问题中选取典型样本实例组成训练集是一个很困难的问题。3、网络结构的选择:尚无一种统一而完整的理论指导,一
7、般只能由经验选定。为此,有人称神经网络的结构选择为一种艺术。而网络的结构直接影响网络的逼近能力及推广性质。因此,应用中如何选择合适的网络结构是一个重要的问题。4、新加入的样本要影响已学习成功的网络,而且刻画每个输入样本的特征的数目也必须相同。5、采用s型激活函数,由于输出层各神经元的理想输出值只能接近于1或0,而不能打到1或0,因此设置各训练样本的期望输出分量Tkp时,不能设置为1或0,设置0.9或0.1较为适宜。考拉BP神经网络的matlab实现学习历程(二)本文考拉BP神经网络的matlab实现学习历程系列由论坛超级版主akjuan整理和原创,我们在此表示特别感谢本节主要学习BP中几个容易
8、混绕的概念和问题:什么是网络的泛化能力?过拟合是什么,怎么处理?学习速率有什么作用?神经网络的权值和阈值分别是个什么概念?用BP逼近非线性函数,如何提高训练精度?什么是网络的泛化能力?一个神经网路是否优良,与传统最小二乘之类的拟合评价不同(主要依据残差,拟合优度等),不是体现在其对已有的数据拟合能力上,而是对后来的预测能力,既泛化能力。网络的预测能力(也称泛化能力、推广能力)与训练能力(也称逼近能力、学习能力)的矛盾。一般情况下,训练能力差时,预测能力也差,并且一定程度上,随训练能力地提高,预测能力也提高。但这种趋势有一个极限,当达到此极限时,随训练能力的提高,预测能力反而下降,即出现所谓“过
9、拟合”现象。此时,网络学习了过多的样本细节,而不能反映样本内含的规律。过拟合是什么,怎么处理?神经网络计算不能一味地追求训练误差最小,这样很容易出现“过拟合”现象,只要能够实时检测误差率的变化就可以确定最佳的训练次数,比如15000次左右的学习次数,如果你不观察,设成500000次学习,不仅需要很长时间来跑,而且最后结果肯定令人大失所望。避免过拟合的一种方法是:在数据输入中,给训练的数据分类,分为正常训练用、变量数据、测试数据,在后面节将讲到如何进行这种分类。其中变量数据,在网络训练中,起到的作用就是防止过拟合状态。学习速率有什么作用?学习速率这个参数可以控制能量函数的步幅,并且如果设为自动调
10、整的话,可以在误差率经过快速下降后,将学习速率变慢,从而增加BPNN的稳定性。此时训练方法采用复制内容到剪贴板 代码:DEnet.trainFcn = traingda; % 变学习率梯度下降算法net.trainFcn = traingdx; % 变学习率动量梯度下降算法DE可以定义一个变动的学习速率,如复制内容到剪贴板 代码:DEp = -1 -1 2 2; 0 5 0 5;t = -1 -1 1 1;net = newff(p,t,3,traingda);net.trainParam.lr = 0.05;net.trainParam.lr_inc = 1.05;net = train(n
11、et,p,t);y = sim(net,p)DE在后面的拟合例题中,我们也将用到学习速率这个参数。神经网络的权值和阈值分别是个什么概念?第一节中,我们已经谈到了权值和阀值的概念。这里我们更深入的说明一下,因为他们很重要,关系到网络最后的结果。权值和阈值是神经元之间的连接,将数据输入计算出一个输出,然后与实际输出比较,误差反传,不断调整权值和阈值。假如下面两个点属于不同的类,须设计分类器将他们分开引用:p1=1 1 -1;p2=1 -1 -1;这里用单层神经元感知器,假设初始权值复制内容到剪贴板 代码:DEw=0.2 0.2 0.3DE同时假设初始阀值复制内容到剪贴板 代码:DEb=-0.3DE
12、输出 a1 a2复制内容到剪贴板 代码:DEa1=hardlims(w*p1+b)a2=hardlims(w*p2+b)DE如果不能分开,还须不断调整w,b用BP逼近非线性函数,如何提高训练精度(1)调整网络结构增加网络的层数可以进一步降低误差,提高精度但会使网络复杂化,从而增加网络的训练时间。精度的提高实际上也可以通过增加隐层神经元的数目来获得,其效果更容易观察和掌握,所以应优先考虑。(2)初始值选取为了使误差尽可能小 ,需要合理选择初始权重和偏置,如果太大就容易陷入饱和区,导致停顿 。一般应选为均匀分布的小数,介于 (-1,1) 。(3)学习速率调整学习速率的选取很重要 ,大了可能导致系统
13、不稳定,小了会导致训练周期过长、收敛慢,达不到要求的误差。一般倾向于选取较小的学习速率以保持系统稳定,通过观察误差下降曲线来判断。下降较快说明学习率比较合适,若有较大振荡则说明学习率偏大。同时,由于网络规模大小的不同,学习率选择应当针对其进行调整。采用变学习速率的方案,令学习速率随学习进展而逐步减少,可收到良好的效果。(4)期望误差期望误差当然希望越小越好,但是也要有合适值。考拉BP神经网络的matlab实现学习历程(三)本文考拉BP神经网络的matlab实现学习历程系列由论坛超级版主akjuan整理和原创,我们在此表示特别感谢本节主要学习使用matlab实现bp算法的一般步骤和过程。为了充分
14、利用数据,得到最优的网络训练结果,在网络建立前应该进行的基本数据处理问题,包括:(1)BP神经网络matlab实现的基本步骤(2)数据归一化问题和方法(3)输入训练数据的乱序排法,以及分类方法(4)如何查看和保存训练的结果(5)每次结果不一样问题。用matlab实现bp,其实很简单,按下面步骤基本可以了BP神经网络matlab实现的基本步骤1、数据归一化2、数据分类,主要包括打乱数据顺序,抽取正常训练用数据、变量数据、测试数据3、建立神经网络,包括设置多少层网络(一般3层以内既可以,每层的节点数(具体节点数,尚无科学的模型和公式方法确定,可采用试凑法,但输出层的节点数应和需要输出的量个数相等)
15、,设置隐含层的传输函数等。关于网络具体建立使用方法,在后几节的例子中将会说到。4、指定训练参数进行训练,这步非常重要,在例子中,将详细进行说明5、完成训练后,就可以调用训练结果,输入测试数据,进行测试6、数据进行反归一化7、误差分析、结果预测或分类,作图等数据归一化问题归一化的意义:首先说一下,在工程应用领域中,应用BP网络的好坏最关键的仍然是输入特征选择和训练样本集的准备,若样本集代表性差、矛盾样本多、数据归一化存在问题,那么,使用多复杂的综合算法、多精致的网络结构,建立起来的模型预测效果不会多好。若想取得实际有价值的应用效果,从最基础的数据整理工作做起吧,会少走弯路的。归一化是为了加快训练网络的收敛性,具体做法是:1 把数变为(0,1)之间的小数主要是为了数据处理方便提出来的,把数据映射到01范围之内处理,更加便捷快速,应该归到数字信号处理范畴之内。2 把有量纲表达式变为无量纲表达式