第6章 人工神经网络初学教程
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人工神经网络教程人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)是一种受到生物神经元系统启发的计算模型,用于模拟和处理复杂的问题。
它由许多人工神经元组成,通过连接的方式形成网络,可以进行数据的学习和预测,广泛应用于图像识别、语音识别、自然语言处理等领域。
人工神经网络的基本结构是由多层神经元组成的,包括输入层、隐藏层和输出层。
输入层接收外部的输入数据,而输出层输出结果。
隐藏层则在输入层和输出层之间进行信息的处理和传递。
每个神经元都有多个输入和一个输出,输入和输出之间通过权重进行连接。
神经元接收到输入后,通过激活函数进行处理,得出输出结果。
人工神经网络的学习过程是通过反向传播算法进行的。
首先,通过前向传播计算网络的输出结果,与期望的输出结果进行比较,计算出误差。
然后,误差通过反向传播逐层传递回输入层,并根据梯度下降算法不断调整权重,使得网络的输出结果与期望结果更加接近。
这个过程反复进行,直到网络的输出结果达到预期的精度要求。
人工神经网络有许多不同的类型,包括前馈神经网络、递归神经网络和卷积神经网络等。
前馈神经网络是最常见且简单的一种类型,每个神经元的输出只和上一层的神经元有连接。
递归神经网络具有循环连接,可以处理时序问题。
卷积神经网络主要用于图像和语音识别领域,通过卷积层和池化层等特殊结构进行特征提取。
人工神经网络的优点是可以自动从数据中学习特征,并进行预测和分类。
它具有强大的模式识别能力,可以应用于各种领域的问题。
然而,人工神经网络同时也存在一些挑战和限制。
首先,神经网络的训练和调优需要大量的数据和计算资源。
其次,网络的结构和参数需要人工设计和调整,不同问题可能需要不同的网络结构和参数设置。
此外,神经网络的过程是黑盒操作,很难解释其中的具体原理和过程。
总而言之,人工神经网络是一种强大的计算模型,可以模拟和处理复杂的问题。
它在各个领域都有广泛的应用,并且不断得到改进和优化。
目录人工神经网络入门(1)——单层人工神经网络应用示例 (1)人工神经网络入门(1)——单层人工神经网络应用示例。
(1)人工神经网络入门(2)——人工神经基本概念介绍 (5)人工神经网络入门(2)——人工神经基本概念介绍。
(5)人工神经网络入门(3)——多层人工神经网络应用示例 (11)人工神经网络入门(3)——多层人工神经网络应用示例。
(11)人工神经网络入门(4)—— 简介 (16)/2009-04/123886********* 4.html人工神经网络入门(1)——单层人工神经网络应用示例豆豆网技术应用频道 2009年04月05日【字号:小中大】收藏本文关键字:ibatisnet尾递归NVelocity SourceSafe SharpMap本文示例源代码或素材下载1 介绍还记得在2年前刚刚接触RoboCup的时候,从学长口中听说了ANN(人工神经网络),这个东西可神奇了,他能通过学会从而对一些问题进行足够好处理。
就像咱们人一样,可以通过学习,了解新的知识。
但是2年了,一直想学习ANN,但是一直没有成功。
原因很多,其中主要的原因是咱们国内的教程中关于这个技术的介绍过于理论化,以至于我们基础差和自学者望而却步。
现在,我希望通过一个简单的示例,让大家先有一个感性的认识,然后再了解一些相应的理论,从而达到更好的学习效果。
2 范例程序的使用和说明本程序示例2个简单的运算:1 AND运算:就是咱们常用的求和运算,如:1 AND 0 = 12 OR运算:就是咱们常用的求并运算,如:1 OR 0 = 1启动程序后,你将会看到如下的界面:点击“开始训练AND”按钮后,程序就开始训练AND 运算,并在训练结束后提示咱们。
同时界面变成如下:你只需要点击“0 0”按钮,就会在“计算结果”下面显示经过训练以后的ANN计算出来的结果。
如下所示:“计算结果”显示为“1.74E-10”,说明0 AND 0 = 0.这个结果就是我们想要的。
人工神经网络大脑是由约100亿个高度互联的神经元组成的,这些神经元构成一个协同处理的复杂网络结构,即神经网络,成为认知的物质与生理基础。
人工神经网络是模拟大脑构建的计算模型,由大量模拟神经元的处理单元——人工神经元构成,形成一个大规模的非线性自适应系统,拥有学习、记忆、计算以及智能处理能力,可以在一定程度上模拟人脑的信息储存、检索和处理能力。
6.1 感知机6.1.1 感知机模型1957年康奈尔大学的Rosenblatt提出了感知机的概念。
感知机模拟生物神经元,接收一个或者多个输入,处理后输出一个结果。
图6-1是感知机的示意图。
图6-1 感知机示意图感知机可以有一到多个输入,每个输入带有一个权重w,用来表示该输入的i和b构成了感知机的参数集合。
感知机重要程度,每个感知机有一个偏置b,wi计算输入的线性组合(或者叫作预激活)并将其交予激活函数f(a)得到输出y。
激活函数用于模拟生物神经元的激活与非激活状态,通常采用阶梯函数、sigmoid函数和分段线性函数及其变体。
图6-2给出了几种激活函数的定义和图形。
图6-2 几种激活函数6.1.2 感知机学习策略依据训练样本的数据确定wi 和b(不区分的时候统一记为θi)值的过程就是感知机的学习过程,其学习算法基于误差驱动。
首先,将未经学习的θi设置为0或者很小的随机值,然后对训练集中的每个样本进行分类预测,并根据预测结果更新参数值。
参数更新依据式(6-1)进行。
其中是样本j的实际类别;yj (t)是样本j的本次预测类别;xji是样本j的第i个特征;η是控制学习速率的超参数,叫作学习率。
显然,如果预测正确-yj(t)=0,则参数不需要更新,否则更新参数,这种更新规则类似于梯度下降算法。
学习遍历训练集中的每个样本称为一个训练周期(Epoch)。
如果在一个训练周期内对所有样本都分类正确,则模型达到收敛状态,停止训练;否则,进入下一周期,直至模型收敛,或者达到最大训练周期数。
人工神经网络人工神经网络人脑具有高度智能的复杂系统,它不必采用繁复的数字计算和逻辑运算,却能灵活处理各种复杂的,不精确的和模糊的信息。
人脑的信息处理机制极其复杂,从结构上看它是包含有140亿神经细胞的大规模神经网络。
单个神经元细胞的工作速度并不高(毫秒级),但它通过超并行处理使得整个系统实现处理的高速性和信息表现的多样性。
每个神经元都包括三个主要部分:树突、细胞体和轴突。
树突的作用是向四方收集由其他神经细胞传来的信息。
细胞体是神经元接受与处理信息的部件。
轴突的功能是传出从细胞体送来的信息。
在两个神经细胞之间的相互连接触点称为突触。
每个神经元具有兴奋和抑制两种状态,只有当所有外来刺激(输入)作用之和超过某一阀值后,神经元由抑制变为兴奋,并输出电脉冲。
神经元之间连接的强弱可随外部的激励信号自适应地变化。
这就是一般神经网络建模的生物依据。
人工神经网络(Artificial Neutral Networks,简称ANN)是由大量简单的基本元件——神经元相互连接,模拟人的大脑神经处理信息的方式,进行信息并行处理和非线性转换的复杂网络系统。
人工神经网络的基本单元的神经元模型,它有四个基本要素:(1)一个求和单元,用于求取各输入信号的加权和(线性组合)。
(2)每个神经元有一个阈值。
(3)一组连接(对应于生物神经元的突触),连接强度有个连接上的权值表示,权值为正表示激活,为负表示抑制。
(4)一个激活函数,起映射作用并将神经元输出幅度限制在一定范围内。
首先构筑合适的人工神经网络结构,固定处理单元(神经元)的数目,然后通过信息样本对神经网络的训练,不断改变处理单元间的连接强度对网络进行训练,使其具有人的大脑的记忆、辨识能力,完成各种信息的处理功能。
人工神经网络具有良好的自学习、自适应、联想记忆、并行处理和非线形转换的能力,避免了复杂数学推导,在样本缺损和参数漂移的情况下,仍能保证稳定的输出。
神经网络除在模式识别、非线性动态处理及自动控制等领域显示出极强的生命力外,还在预测、评价等方面取得了很好的应用效果。
《人工神经网络》教学大纲课程英文名称: Artificial Neural Network开课学院:信息工程学院开课学期:第 2学期课程编号:40811 学时、学分:32/2课程类别:专业选修课适用学科专业:计算机科学与技术、软件工程一、课程的教学目的与任务人工神经网络模型只是生物神经系统的一种高度简化后的近似。
它用大量的简单神经元广泛互连成一种计算结构,属于自适应非线性动力学系统,具有学习、记忆、计算和各种智能处理功能。
它在不同程度和层次上模仿人脑神经系统的结构及信息处理、存储和检索等功能。
人工神经网络是一门新兴交叉科学。
近一、二十年来,掀起了一次研究人工神经网络的新高潮以来,引起了许多领域科学家的高度重视,积极开展了大量研究工作,取得了不少突破性进展,例如系统控制、数据压缩、模式识别、系统鉴别等方面。
工程界对人工神经网络及其应用表示了极大的关注和热情,希望它能在用传统理论和方法难以解决的问题方面,发挥重要的作用。
本课程力图从工程应用的角度专门对人工神经网络及其在控制、人工智能中的专家系统和预报方面的应用作比较系统的阐述。
从几种典型人工神经网络的构成原理和比较实用而有发展前途的角度选择了四类五种模型,对每种类型,按照结构、基本原理、算法、设计和应用的层次加以介绍。
二、课程的教学基本要求本课程基于简明易懂、便于软件实现、鼓励探索的原则介绍人工神经网络的基本模型、拓扑结构和特性等。
要求学生熟悉常见的人工神经网络的结构和特性,包括智能系统描述模型、人工神经网络方法的特点等。
在本课程有限学时内,要求学生重点掌握下列几方面的知识。
(1)神经网络模型的基本理论;(2)神经网络的结构设计﹑实现算法;(3)基于MATLAB的神经网络实现技术平台;(4)神经网络在工程中的应用背景和实例;(5)神经网络理论的发展与前沿问题。
三、相关课程本课程的学习,要求学生具备:数值分析、线性代数、高级语言程序设计等方面的基础知识。