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人工智能神經網路bp演算法及其數學演算程序

2020-09-12 07:25:46 軟體設計

BP 演算法

這是第一次嘗試在csdn上寫blog,主要是因為我也是剛剛接觸人工智能,各方面都在摸索中,所以想通過這種方式以講代學,這篇blog內有很多不足之處,希望各路大佬能夠海涵

預備知識

在開始之前,首先需要補充一點預備知識,

1. 激活函式sigmoid函式:

sigmoid 函式是人工智能神經網路中最常使用的一類激活函式,其數學運算式為:
sigmoid函式
sigmoid函式有一個重要的性質:f’(x) = f(x)[1-f(x)],這個性質在我們求導的程序中起了很大的作用,

2. 梯度下降策略

梯度下降策略
其中,學習率一塔我們設定為0.5

接下來我們進入正題,BP演算法總共分為兩個部分,第一個部分是FP(前饋計算計算誤差)程序,我們用來計算誤差;第二個部分是BP(反饋計算更新權重),我們用來更新權重W;

一、 FP程序

在這里插入圖片描述
想必大家都已經了解到神經網路的結構,這里我就不做過多的解釋了,其中l1, l2是這個神經網路的輸入層,h1,h2,h3是這里的隱藏層,O1,O2是我這個神經網路的輸出層,其中w表示權重,b表示偏置項(b可以理解為一次函式中的y = kx + b 中的常數項,在這里我們取b1 = 0.35, b2 = 0.65,其實 b1, b2 我們可以取任意值,在此不影響結論),

為了方便更直觀的解釋,我們來設定一下權重值和偏置項的值:
在這里插入圖片描述

下面我們就來進行前饋計算:
首先我們以h1為例:

在此,我要補充一個知識:
一個神經元節點,它分為兩個部分,如圖所示:
在這里插入圖片描述

左邊一部分是我們的輸入值,我們稱之為net(h1),net(h1)經過sigmoid函式激活之后,我們可以得到Out(h1)這就是我們隱藏層的一個輸出結果,

下面我們來進行計算h1的誤差:

net(h1) = w1 * l1 + w2 * l2 + b1=2.35

(你可以發現, h1是由w1和w2 連接而成的)
然后,經過sigmoid函式激活之后我們可以得到,

Out(h1) = sigmoid(net(h1))=0.912934

同理,可得:

Out(h2) = 0.979164
Out(h3) = 0.995275

有了這三個數值,我們可以算出輸出層O1,O2的誤差:

net(O1)= W7 * Outh1 + W9 * Outh1 + W11 * Outh3 + b2 = 2.1019206
經過sigmoid函式激活之后,我們可以得到:

Outh1 = sigmoid(neth1) = 0.891090

同理,可得:

Out h2 = 0.904330

然后,我們可以得到總誤差,這里我們記作Etotal(這里我們將Out h1, Out h2 簡稱為 O1, O2):

在這里插入圖片描述

這里的1/2是為了后面反饋計算方便而添加的,
到此為止,我們已經完成了前饋計算,并且算出了總誤差值,

二、 BP程序

(1).更新(hidden layer ----- Output layer)

這里的BP程序,我們是用來更新W的值,使預測結果更加精確,在此,我們以W7為例,

這里我們需要用到高等數學里的鏈式法則,W7與下列因素相關:
在這里插入圖片描述
根據鏈式法則,我們可得:
在這里插入圖片描述

其中,等式右邊第一項等于:
在這里插入圖片描述
第二項等于:
在這里插入圖片描述
第三項等于:
在這里插入圖片描述

所以,我們可以得到總式:
在這里插入圖片描述

最后,我們求得w7的更新結果:
在這里插入圖片描述

同理,我們可得:
在這里插入圖片描述
(w1-w6 求解方法見下)

(2).更新(Input layer ----hidden layer)

這里我們以w1 為例:
這里還是應用高等數學里的鏈式法則,w1與下列因素有關:
在這里插入圖片描述
在這里插入圖片描述

所以,我們得到求導公式:
在這里插入圖片描述
這里以Eo1對Outh1的求導為例:
在這里插入圖片描述

同理可得Eo2對h1的求導公式:
在這里插入圖片描述

所以我們求得更新后的w1的值:
在這里插入圖片描述

同理可得(w1 - w6):
在這里插入圖片描述

至此,w的權重值已完成一次迭代周期,事實上,要想預估的更準確,我們需要上百次甚至上千次的迭代,直至我們權重最終的更新值影像對于實際值收斂,

代碼實作:

在這里插入圖片描述

總結:

bp演算法在我們現實中有很多應用,比如,根據某一商店的去年的銷量,我們可以來預測今年的銷量······我這里只做了簡單的演算法的數學推算,有許多不足之處,希望大家指正,

**最后:我要鳴謝b站

東方耀888

大佬,感謝大佬,有很多知識都是走他那邊學習的!!

最后的最后: 感謝各位讀者能耐心看完鄙人的文章!!萬分感謝!!🙏**

轉載請註明出處,本文鏈接:https://www.uj5u.com/ruanti/12004.html

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