Stanford机器学习笔记-5.神经网络Neural Networks (part two)
5 Neural Networks (part two)
content:
5 Neural Networks (part two)
5.1 cost function
5.2 Back Propagation
5.3 神经网络总结
接上一篇4. Neural Networks (part one).本文将先定义神经网络的代价函数,然后介绍逆向传播(Back Propagation: BP)算法,它能有效求解代价函数对连接权重的偏导,最后对训练神经网络的过程进行总结。
5.1 cost function

(注:正则化相关内容参见3.Bayesian statistics and Regularization)
5.2 Back Propagation

(详细推导过程参见反向传播算法,以及李宏毅的机器学习课程:youtube,B站)。

图5-1 BP算法步骤
在实现反向传播算法时,有如下几个需要注意的地方。
- 需要对所有的连接权重(包括偏移单元)初始化为接近0但不全等于0的随机数。如果所有参数都用相同的值作为初始值,那么所有隐藏层单元最终会得到与输入值有关的、相同的函数(也就是说,所有神经元的激活值都会取相同的值,对于任何输入x 都会有:
)。随机初始化的目的是使对称失效。具体地,我们可以如图5-2一样随机初始化。(matlab实现见后文代码1) - 如果实现的BP算法计算出的梯度(偏导数)是错误的,那么用该模型来预测新的值肯定是不科学的。所以,我们应该在应用之前就判断BP算法是否正确。具体的,可以通过数值的方法(如图5-3所示的)计算出较精确的偏导,然后再和BP算法计算出来的进行比较,若两者相差在正常的误差范围内,则BP算法计算出的应该是比较正确的,否则说明算法实现有误。注意在检查完后,在真正训练模型时不应该再运行数值计算偏导的方法,否则将会运行很慢。(matlab实现见后文代码2)
- 用matlab实现时要注意matlab的函数参数不能为矩阵,而连接权重为矩阵,所以在传递初始化连接权重前先将其向量化,再用reshape函数恢复。(见后文代码3)

图5-2 随机初始化连接权重

图5-3 数值方法求代价函数偏导的近似值
5.3 神经网络总结
第一步,设计神经网络结构。

隐藏层单元个数通常都是不确定的。
一般选取神经网络隐藏层单元个数的几个经验公式如下:

参考https://www.zhihu.com/question/46530834
此外,MNIST手写数字识别中给出了以不同的神经网络结构训练的结果,供参考
第二步,实现正向传播(FP)和反向传播算法,这一步包括如下的子步骤。

第三步,用数值方法检查求偏导的正确性

第四步,用梯度下降法或更先进的优化算法求使得代价函数最小的连接权重

在第四步中,由于代价函数是非凸(non-convex)函数,所以在优化过程中可能陷入局部最优值,但不一定比全局最优差很多(如图5-4),在实际应用中通常不是大问题。也会有一些启发式的算法(如模拟退火算法,遗传算法等)来帮助跳出局部最优。

图5-4 陷入局部最优(不一定比全局最优差很多)
代码1:随机初始化连接权重
function W = randInitializeWeights(L_in, L_out)
%RANDINITIALIZEWEIGHTS Randomly initialize the weights of a layer with L_in
%incoming connections and L_out outgoing connections
% W = RANDINITIALIZEWEIGHTS(L_in, L_out) randomly initializes the weights
% of a layer with L_in incoming connections and L_out outgoing
% connections.
%
% Note that W should be set to a matrix of size(L_out, + L_in) as
% the column row of W handles the "bias" terms
% W = zeros(L_out, + L_in); % Instructions: Initialize W randomly so that we break the symmetry while
% training the neural network.
%
% Note: The first row of W corresponds to the parameters for the bias units
% epsilon_init = sqrt() / (sqrt(L_out+L_in));
W = rand(L_out, + L_in) * * epsilon_init - epsilon_init; end
代码2:用数值方法求代价函数对连接权重偏导的近似值
function numgrad = computeNumericalGradient(J, theta)
%COMPUTENUMERICALGRADIENT Computes the gradient using "finite differences"
%and gives us a numerical estimate of the gradient.
% numgrad = COMPUTENUMERICALGRADIENT(J, theta) computes the numerical
% gradient of the function J around theta. Calling y = J(theta) should
% return the function value at theta. % Notes: The following code implements numerical gradient checking, and
% returns the numerical gradient.It sets numgrad(i) to (a numerical
% approximation of) the partial derivative of J with respect to the
% i-th input argument, evaluated at theta. (i.e., numgrad(i) should
% be the (approximately) the partial derivative of J with respect
% to theta(i).)
% numgrad = zeros(size(theta));
perturb = zeros(size(theta));
e = 1e-4;
for p = 1:numel(theta)
% Set perturbation vector
perturb(p) = e;
% Compute Numerical Gradient
numgrad(p) = ( J(theta + perturb) - J(theta - perturb)) / (2*e);
perturb(p) = 0;
end
end
代码3:应用FP和BP算法实现计算隐藏层为1层的神经网络的代价函数以及其对连接权重的偏导数
function [J grad] = nnCostFunction(nn_params, ...
input_layer_size, ...
hidden_layer_size, ...
num_labels, ...
X, y, lambda)
%NNCOSTFUNCTION Implements the neural network cost function for a two layer
%neural network which performs classification
% [J grad] = NNCOSTFUNCTON(nn_params, hidden_layer_size, num_labels, ...
% X, y, lambda) computes the cost and gradient of the neural network. The
% parameters for the neural network are "unrolled" into the vector
% nn_params and need to be converted back into the weight matrices.
%
% The returned parameter grad should be a "unrolled" vector of the
% partial derivatives of the neural network.
% % Reshape nn_params back into the parameters Theta1 and Theta2, the weight matrices
% for our 2 layer neural network:Theta1: 1->2; Theta2: 2->3
Theta1 = reshape(nn_params(1:hidden_layer_size * (input_layer_size + 1)), ...
hidden_layer_size, (input_layer_size + 1)); Theta2 = reshape(nn_params((1 + (hidden_layer_size * (input_layer_size + 1))):end), ...
num_labels, (hidden_layer_size + 1)); % Setup some useful variables
m = size(X, 1);
J = 0;
Theta1_grad = zeros(size(Theta1));
Theta2_grad = zeros(size(Theta2)); % Note: The vector y passed into the function is a vector of labels
% containing values from 1..K. You need to map this vector into a
% binary vector of 1's and 0's to be used with the neural network
% cost function. for i = 1:m
% compute activation by Forward Propagation
a1 = [1; X(i,:)'];
z2 = Theta1 * a1;
a2 = [1; sigmoid(z2)];
z3 = Theta2 * a2;
h = sigmoid(z3); yy = zeros(num_labels,1);
yy(y(i)) = 1; % 训练集的真实值yy J = J + sum(-yy .* log(h) - (1-yy) .* log(1-h)); % Back Propagation
delta3 = h - yy;
delta2 = (Theta2(:,2:end)' * delta3) .* sigmoidGradient(z2); %注意要除去偏移单元的连接权重 Theta2_grad = Theta2_grad + delta3 * a2';
Theta1_grad = Theta1_grad + delta2 * a1';
end J = J / m + lambda * (sum(sum(Theta1(:,2:end) .^ 2)) + sum(sum(Theta2(:,2:end) .^ 2))) / (2*m); Theta2_grad = Theta2_grad / m;
Theta2_grad(:,2:end) = Theta2_grad(:,2:end) + lambda * Theta2(:,2:end) / m; % regularized nn Theta1_grad = Theta1_grad / m;
Theta1_grad(:,2:end) = Theta1_grad(:,2:end) + lambda * Theta1(:,2:end) / m; % regularized nn % Unroll gradients
grad = [Theta1_grad(:) ; Theta2_grad(:)]; end
Stanford机器学习笔记-5.神经网络Neural Networks (part two)的更多相关文章
- Stanford机器学习笔记-4. 神经网络Neural Networks (part one)
4. Neural Networks (part one) Content: 4. Neural Networks (part one) 4.1 Non-linear Classification. ...
- Stanford机器学习---第五讲. 神经网络的学习 Neural Networks learning
原文 http://blog.csdn.net/abcjennifer/article/details/7758797 本栏目(Machine learning)包括单参数的线性回归.多参数的线性回归 ...
- 论文笔记:Diffusion-Convolutional Neural Networks (传播-卷积神经网络)
Diffusion-Convolutional Neural Networks (传播-卷积神经网络)2018-04-09 21:59:02 1. Abstract: 我们提出传播-卷积神经网络(DC ...
- 【论文笔记】Progressive Neural Networks 渐进式神经网络
Progressive NN Progressive NN是第一篇我看到的deepmind做这个问题的.思路就是说我不能忘记第一个任务的网络,同时又能使用第一个任务的网络来做第二个任务. 为了不忘记之 ...
- 论文笔记(1)-Dropout-Improving neural networks by preventing co-adaptation of feature detectors
Improving neural networks by preventing co-adaptation of feature detectors 是Hinton在2012年6月份发表的,从这篇文章 ...
- 斯坦福机器学习视频笔记 Week4 & Week5 神经网络 Neural Networks
神经网络是一种受大脑工作原理启发的模式. 它在许多应用中广泛使用:当您的手机解释并理解您的语音命令时,很可能是神经网络正在帮助理解您的语音; 当您兑现支票时,自动读取数字的机器也使用神经网络. Non ...
- Coursera 机器学习 第5章 Neural Networks: Learning 学习笔记
5.1节 Cost Function神经网络的代价函数. 上图回顾神经网络中的一些概念: L 神经网络的总层数. sl 第l层的单元数量(不包括偏差单元). 2类分类问题:二元分类和多元分类. 上 ...
- 机器学习(六)--------神经网络(Neural Networks)
无论是线性回归还是逻辑回归都有这样一个缺点,即:当特征太多时, 计算的负荷会非常大. 比如识别图像,是否是一辆汽车,可能就需要判断太多像素. 这时候就需要神经网络. 神经网络是模拟人类大脑的神经网络, ...
- 【原】Coursera—Andrew Ng机器学习—Week 4 习题—Neural Networks 神经网络
[1] Answer:C [2] Answer:D 第二层要输出四个元素a1 a2 a3 a4.输入x有两个,加一个x0是三个.所以是4 * 3 [3] Answer:C [4] Answer:C [ ...
随机推荐
- CSS级联和继承
2016-11-06 <CSS入门经典>第七章 1.在HTML中使用CSS样式表的三种方式: (1)内联的样式表. eg:<em style="background-whi ...
- iOS从info.plist获取项目的名称及版本号
NSString *executableFile = [[[NSBundle mainBundle] infoDictionary] objectForKey:(NSString *)kCFBundl ...
- Java虚拟机JVM学习07 类的卸载机制
Java虚拟机JVM学习07 类的卸载机制 类的生命周期 当Sample类被加载.连接和初始化后,它的生命周期就开始了. 当代表Sample类的Class对象不再被引用,即不可触及时,Class对象就 ...
- Android项目实战(十九):Android Studio 优秀插件: Parcelable Code Generator
Android Studio 优秀插件系列: Android Studio 优秀插件(一):GsonFormat Android Studio 优秀插件(二): Parcelable Code Gen ...
- 浅谈JSON数据解析方法
JSON数据解析 JSON是什么?? 如何把JSON数据解析出来 如何把一个字典转换为JSON JSON详细介绍 JSON(JavaScript Object Notation) 是一种轻量级的数据交 ...
- Android按键事件处理流程 -- KeyEvent
刚接触Android开发的时候,对touch.key事件的处理总是一知半解,一会是Activity里的方法,一会是各种View 中的,自己始终不清楚到底哪个在先哪个在后,总之对整个处理流程没能很好的把 ...
- C#参考书的链接推荐
Visual C#.NET入门与提高http://download.chinaitlab.com/soft/6330.htm 使用Visual C# 开发asp.NET入门http://downloa ...
- 安卓开发第一步:Android Studio安装配置
虽然本人是JAVA开发工程师平时主要开发Web App,但因为项目需求需要开发对应的移动端.一时又找不到合适的安卓开发人员,兄弟我只好被项目经理"抓来当壮丁了".俗话说好" ...
- 利用yii2 gridview实现批量删除案例
作者:白狼 出处:http://www.manks.top/article/yii2_gridview_deleteall本文版权归作者,欢迎转载,但未经作者同意必须保留此段声明,且在文章页面明显位置 ...
- get set 中 快捷键生成的get方法中 renturn 没有 this.对象 中的this 解决方法
选EDIT 进行修改