组合学习神经网络共45页文档

神经网络的学习过程就是学习控制着空间变换方式（物质组成方式）的权重矩阵 W ， 那如何学习每一层的权重矩阵 W 呢？ 2.3.1、激活函数
激活函数的主要作用是提供网络的非线性建模能力。如果没有激活函数，那么该网络 仅能够表达线性映射，此时即便有再多的隐藏层，其整个网络跟单层神经网络也是等价 的。因此也可以认为，只有加入了激活函数之后，深度神经网络才具备了分层的非线性 映射学习能力。
线性可分视角：神经网络的学习就是学习如何利用矩阵的线性变换加激活函数的非 线性变换，将原始输入空间投向线性可分/稀疏的空间去分类/回归。
增加节点数：增加维度，即增加线性转换能力。 增加层数：增加激活函数的次数，即增加非线性转换次数。
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2.2.2、物理视角：“物质组成”
回想上文由碳氧原子通过不同组合形成若干分子的例子。从分子层面继续迭代这种 组合思想，可以形成DNA，细胞，组织，器官，最终可以形成一个完整的人。不同层级之 间都是以类似的几种规则再不断形成新物质。
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➢Sigmoid
sigmoid 是使用范围最广的一类激活函数，具 有指数函数形状，它在物理意义上最为接近生物神 经元。此外，(0, 1) 的输出还可以被表示作概率， 或用于输入的归一化，代表性的如Sigmoid交叉熵 损失函数。
然而，sigmoid也有其自身的缺陷，最明显的 就是饱和性。 软饱和激活函数：
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➢Tanh
➢ReLU
可以看到，当x<0时，ReLU硬饱和，
tanh也是一种非常常见的激活函数。 与sigmoid相比，它的输出均值是0， 使得其收敛速度要比sigmoid快，减少 迭代次数。然而，从途中可以看出， tanh一样具有软饱和性，从而造成梯 度消失。

• 神经元的基本工作机制
– 神经元有两种状态—兴奋和抑制（也不能认为神经元只能
表达或传递二值逻辑信号）
– 当神经元接收到其它神经元经由突触传来的激励信号时，多 个输入在神经元中以代数和的方式叠加。如果叠加总量超
过某个阈值，神经元就会被激发进入兴奋状态，发出 输出脉冲，并由轴突的突触传递给其它神经元。
• 脱机训练往往需要很长时间，为了获得最佳效果，常常要重复试 验多次。
• 网络收敛性的问题。
第10页，共30页。
1.3 人工神经网络的特点
– 总之，ANN是基于人类大脑的结构和功能建立起来的学 科，尽管它只是大脑的低级近似，但它的许多特点和人 类的智能特点类似，有着较强的识别能力和广泛的应用
前景。
第4页，共30页。
1.2 人工神经网络的发展
• 第一次高潮期 — 感知器模型和ANN – 1957年，计算机专家Frank Rosenblatt开始从事感知器
的研究，并制成硬件，通常被认为是最早的神经网络 模型。
– 1959年，两位电机工程师Bernard Widrow和Marcian Haff开发出一种叫作自适应线性单元的网络模型，并描
（阶跃，符号）
1 W *Pb0
Af(W *Pb) 0 W *Pb0
f
f
1
1
n
-1
n
-b
-1
无偏差阈值型激活函数
有偏差阈值型激活函数
第19页，共30页。
2.2 人工神经元模型
－线性函数
A f( W * P b ) W * P b
f
1
n
-1
无偏差线性激活函数
f
1
n
-b
-1
有偏差线性激活函数

(4)Connections Science
(5)Neurocomputing
(6)Neural Computation
(7)International Journal of Neural Systems
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3.2 神经元与网络结构
人脑大约由1012个神经元组成，而其中的每个神经元又与约102～ 104个其他神经元相连接，如此构成一个庞大而复杂的神经元网络。 神经元是大脑处理信息的基本单元，它的结构如图所示。它是以细胞 体为主体，由许多向周围延伸的不规则树枝状纤维构成的神经细胞， 其形状很像一棵枯树的枝干。它主要由细胞体、树突、轴突和突触 (Synapse，又称神经键)组成。
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4.互连网络
互连网络有局部互连和全互连 两种。 全互连网络中的每个神经元都 与其他神经元相连。 局部互连是指互连只是局部的， 有些神经元之间没有连接关系。 Hopfield 网 络 和 Boltzmann 机 属于互连网络的类型。
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人工神经网络的学习
学习方法就是网络连接权的调整方法。 人工神经网络连接权的确定通常有两种方法：
4
5. 20世纪70年代 代表人物有Amari, Anderson, Fukushima, Grossberg, Kohonen
经过一段时间的沉寂后，研究继续进行
▪ 1972年，芬兰的T．Kohonen提出了一个与感知机等神经 网络不同的自组织映射理论(SOM)。 ▪ 1975年，福岛提出了一个自组织识别神经网络模型。 ▪ 1976年C．V．Malsburg et al发表了“地形图”的自形成
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关于神经网络的国际交流
第一届神经网络国际会议于1987年6月21至24日在美国加州圣地亚哥 召开，标志着神经网络研究在世界范围内已形成了新的热点。

概述
神经网络的发展简史
初创（1943—1969） 1943年，McCulloch和Pitts 提出了M-P模型 1949年，Hebb提出Hebb学习规则 1957年，Rosenblatt提出感知器(perceptrons) 1969年，Minsky和Papert发表“Perceptrons”
x
(0) p2
x
(0) p, n0
T
d p d p1 d p1 d p,nQ T
( p 1,2, P)
利用该样本集首先对BP网络进行训练，也即对网络的连接权系数 进行学习和调整，以使该网络实现给定的输入输出映射关系。
i
2) 误差函数
e 1 2
k
(yˆ k yk )2
yˆ, y 分别表示输出层上节点k的期望输出与实
际输出
3) 连接权值的修正
w jk (t 1) w jk (t) w jk
wjk(t+1)和wjk(t)分别表示t+1和t时刻上从 节点j到节点k的连接权值， ∆wjk为修正量。
为了使连接权值沿着e的梯度变化方向得以改 善，网络逐渐收敛，取
e 1
2
( yˆk
yk )2
e yk
( yˆ
y)
又 yk netk
f
' (netk )
k ( yˆ k yk ) f ' (netk )
节点k不是输出层上的节点
k
e netk
e Ok
Ok netk
又 e Ok
m
mwkm
Ok netk
f ' (netk )
k f ' (netk ) mwkm
Y
N

《神经网络电子教案》PPT课件一、教案简介1. 课程背景：介绍神经网络的基本概念、发展历程和应用领域。

2. 教学目标：使学生了解神经网络的基本原理，掌握神经网络的主要模型和应用。

3. 适用对象：计算机科学、、机器学习等领域的学生。

二、教学内容1. 神经网络的基本概念：神经元、连接、权重、激活函数等。

2. 神经网络的发展历程：生物神经网络、人工神经网络、深度学习等。

3. 神经网络的主要模型：前馈神经网络、卷积神经网络、递归神经网络等。

4. 神经网络的应用领域：图像识别、自然语言处理、推荐系统等。

三、教学方法1. 讲授：讲解神经网络的基本概念、发展历程和主要模型。

2. 案例分析：分析神经网络在图像识别、自然语言处理等领域的应用案例。

3. 互动讨论：引导学生提问、解答疑问，增强课堂活跃度。

4. 练习题：布置课后练习题，巩固所学知识。

四、教学资源1. PPT课件：展示神经网络的基本概念、发展历程、主要模型和应用案例。

2. 参考教材：推荐国内外优秀教材，供学生课后自学。

3. 网络资源：介绍相关领域的在线课程、论文、博客等资源。

五、教学评价1. 课后作业：评估学生对神经网络知识的掌握程度。

2. 课堂互动：评价学生在课堂上的参与程度和提问质量。

3. 小组项目：鼓励学生团队合作，解决实际问题。

4. 期末考试：全面测试学生对神经网络知识的掌握情况。

教案编辑专员：日期：2024六、教学安排1. 课时：共计32课时，每课时45分钟。

2. 授课方式：课堂讲授、案例分析、互动讨论相结合。

3. 课程进度安排：课时1-4：神经网络的基本概念及发展历程课时5-8：前馈神经网络的原理及应用课时9-12：卷积神经网络的原理及应用课时13-16：递归神经网络的原理及应用课时17-20：神经网络在各领域的应用案例分析课时21-24：课后练习及小组项目讨论课时25-28：课堂互动、提问与解答课时29-32：期末考试复习及考试七、教学注意事项1. 确保学生具备一定的数学基础，如线性代数、微积分等。

不断迭代，权重逐渐调整到最优解附近。
牛顿法
总结词
牛顿法是一种基于二阶泰勒级数的优化算法，通过迭 代更新参数，以找到损失函数的极小值点。在神经网 络训练中，牛顿法可以用于寻找最优解。
详细描述
牛顿法的基本思想是，利用二阶泰勒级数近似损失函数 ，并找到该函数的极小值点。在神经网络训练中，牛顿 法可以用于寻找最优解。具体来说，根据二阶导数矩阵 （海森矩阵）和当前点的梯度向量，计算出参数更新的 方向和步长，然后更新参数。通过不断迭代，参数逐渐 调整到最优解附近。与梯度下降法相比，牛顿法在迭代 过程中不仅考虑了梯度信息，还考虑了二阶导数信息， 因此具有更快的收敛速度和更好的全局搜索能力。
07
未来展望与挑战
深度学习的发展趋势
模型可解释性
随着深度学习在各领域的广泛应用，模型的可解释性成为研究热 点，旨在提高模型决策的透明度和可信度。
持续学习与终身学习
随着数据不断增长和模型持续更新，如何实现模型的持续学习和终 身学习成为未来的重要研究方向。
多模态学习
随着多媒体数据的普及，如何实现图像、语音、文本等多模态数据 的融合与交互，成为深度学习的另一发展趋势。
深度学习
通过构建深层的神经网络结构， 提高了对复杂数据的处理能力。
循环神经网络
适用于序列数据，如自然语言 处理和语音识别等领域。
02
神经网络的基本结构
感知机模型
感知机模型是神经网络的基本单 元，由一个输入层和一个输出层 组成，通过一个或多个权重和偏
置项来计算输出。
感知机模型只能实现线性分类， 对于非线性问题无法处理。
详细描述
反向传播算法的基本思想是，首先计算神经网络的输出层与实际值之间的误差，然后将误差逐层反向传播，并根 据梯度下降法更新每一层的权重。通过不断迭代，权重逐渐调整，使得神经网络的输出逐渐接近实际值，从而降 低误差。反向传播算法的核心是计算每一层的梯度，即权重的导数，以便更新权重。

8-1图像生成文本问题引入入
8-5showandtell模型
8-2图像生成文本评测指标
8-4multi-modalrnn模型
8-6showattendandtell模型
8-10图像特征抽取(1)-文本描述文件解析
8-8图像生成文本模型对比与总结
8-9数据介绍，词表生成
8-7bottom-uptop-downattention模型
第6章图像风格转换
06
6-1卷积神经网络的应用
6-2卷积神经网络的能力
6-3图像风格转换v1算法
6-4vgg16预训练模型格式
6-5vgg16预训练模型读取函数封装
6-6vgg16模型搭建与载入类的封装
第6章图像风格转换
单击此处添加文本具体内容，简明扼要的阐述您的观点。根据需要可酌情增减文字，与类别封装
06
7-12数据集封装
第7章循环神经网络
7-13计算图输入定义
7-14计算图实现
7-15指标计算与梯度算子实现
7-18textcnn实现
7-17lstm单元内部结构实现
7-16训练流程实现
第7章循环神经网络
7-19循环神经网络总结
第8章图像生成文本
08
第8章图像生成文本
02
9-9文本生成图像text2img
03
9-10对抗生成网络总结
04
9-11dcgan实战引入
05
9-12数据生成器实现
06
第9章对抗神经网络
9-13dcgan生成器器实现
9-14dcgan判别器实现
9-15dcgan计算图构建实现与损失函数实现
9-16dcgan训练算子实现
9-17训练流程实现与效果展示9-14DCGAN判别器实现9-15DCGAN计算图构建实现与损失函数实现9-16DCGAN训练算子实现9-17训练流程实现与效果展示

神经网络原理 pdf神经网络是一种模仿人脑神经元网络结构和工作原理的计算模型，它由大量的人工神经元组成，并通过它们之间的连接进行信息传递和处理。

神经网络在近年来得到了广泛的应用，如图像识别、语音识别、自然语言处理等领域都取得了显著的成果。

本文将介绍神经网络的基本原理，包括神经元模型、激活函数、网络结构和训练方法等内容。

首先，我们来介绍神经元模型。

神经元是神经网络的基本组成单元，它接收来自其他神经元的输入信号，并通过激活函数处理后产生输出。

常用的神经元模型包括，感知机模型、Sigmoid模型、ReLU模型等。

这些模型在不同的场景下有不同的应用，选择合适的神经元模型对神经网络的性能有着重要的影响。

其次，激活函数也是神经网络中的重要组成部分。

激活函数决定了神经元的输出方式，常用的激活函数有，Sigmoid函数、tanh函数、ReLU函数等。

不同的激活函数对神经网络的训练速度和收敛性有着不同的影响，选择合适的激活函数可以提高神经网络的性能。

接着，我们来谈谈神经网络的结构。

神经网络的结构包括输入层、隐藏层和输出层，其中隐藏层可以有多层。

神经网络的结构决定了网络的拟合能力和表达能力，合理的网络结构可以提高神经网络的性能。

此外，还有一些特殊的网络结构，如卷积神经网络、循环神经网络等，它们在特定的领域有着重要的应用。

最后，我们来介绍神经网络的训练方法。

常用的训练方法包括，梯度下降法、反向传播算法、随机梯度下降法等。

这些训练方法可以有效地调整神经网络中的参数，使得网络能够更好地拟合训练数据。

此外，还有一些提高训练效果的技巧，如正则化、Dropout等，它们可以有效地避免过拟合问题。

综上所述，神经网络是一种强大的计算模型，它在各个领域都有着重要的应用。

了解神经网络的原理对于深入理解神经网络的工作原理和提高神经网络的性能都有着重要的意义。

希望本文对您有所帮助，谢谢阅读！。

(c) 初始权值围绕随机选取的样本分布
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W 1 j* (t 1) W 1 j* (t ) (t )[X W 1 j* (t )]
5.1 LVQ网络
5.1.4 网络设计
（3）学习率(t)的设计
学习率(t)变化规律可参考SOFM网络的学习率的设计。网络的学习过程 可分为两个阶段。第一阶段为粗学习和粗调整阶段，该阶段时刻t的学习率(t) 可以取较大的值，这样有利于快速确定各输入模式在竞争层中所对应的映射位 置。一旦各输入模式有了相对的映射位置后，则转入精学习和细调整阶段。
5.1.5.1 LVQ网络在苹果等级判别中的应用包晓安,钟乐海,张娜.基于人工神
经网络的苹果等级判别方法研究.中国农业科学.2004,37（3）：464-468
2.步骤 (3)网络的改进
由于苹果的色泽、横径和果形指数对分类结果的影响依次递减，不能 按照同样的权重对待，故在输入层和竞争层中加入了一个修正层，对原 始数据进行了尺度变换，使苹果色泽的竞争能力分别提高到苹果横径的 2倍和果形指数的4倍。故修正层的权值矩阵为： 4 0 0 0 2 0 0 0 1
T
W1的权值由计算机随机产生1个4行20列的矩阵。W1 需要修正，直到 40 个训练样本全部正确划分，即网络迭代收敛为止。
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5.1 LVQ网络
5.1.5 举例
5.1.5.1 LVQ网络在苹果等级判别中的应用包晓安,钟乐海,张娜.基于人工神
＠调整量后权向量为
j{ 1,2 ,..., m}
ˆ TX ˆ) max (W j
ˆ * (t ) W * W ˆ * (t ) ( X ˆ W ˆ *) W j* (t 1) W j j j j

基于神经网络和聚类的预测 算法
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
45、法律的制定是为了保证每一个人 自由发 挥自己 的才能 ，而不 是为了 束缚他 的才能 。—— 罗财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非

《神经网络电子教案》PPT课件第一章：神经网络简介1.1 神经网络的定义1.2 神经网络的发展历程1.3 神经网络的应用领域1.4 神经网络的基本组成第二章：人工神经元模型2.1 人工神经元的结构2.2 人工神经元的激活函数2.3 人工神经元的训练方法2.4 人工神经元的应用案例第三章：感知机3.1 感知机的原理3.2 感知机的训练算法3.3 感知机的局限性3.4 感知机的应用案例第四章：多层前馈神经网络4.1 多层前馈神经网络的结构4.2 反向传播算法4.3 多层前馈神经网络的训练过程4.4 多层前馈神经网络的应用案例第五章：卷积神经网络5.1 卷积神经网络的原理5.2 卷积神经网络的结构5.3 卷积神经网络的训练过程5.4 卷积神经网络的应用案例第六章：递归神经网络6.1 递归神经网络的原理6.2 递归神经网络的结构6.3 递归神经网络的训练过程6.4 递归神经网络的应用案例第七章：长短时记忆网络（LSTM）7.1 LSTM的原理7.2 LSTM的结构7.3 LSTM的训练过程7.4 LSTM的应用案例第八章：对抗网络（GAN）8.1 GAN的原理8.2 GAN的结构8.3 GAN的训练过程8.4 GAN的应用案例第九章：强化学习与神经网络9.1 强化学习的原理9.2 强化学习与神经网络的结合9.3 强化学习算法的训练过程9.4 强化学习与神经网络的应用案例第十章：神经网络的优化算法10.1 梯度下降算法10.2 动量梯度下降算法10.3 随机梯度下降算法10.4 批梯度下降算法10.5 其他优化算法简介第十一章：神经网络在自然语言处理中的应用11.1 词嵌入（Word Embedding）11.2 递归神经网络在文本分类中的应用11.3 长短时记忆网络（LSTM）在序列中的应用11.4 对抗网络（GAN）在自然语言中的应用第十二章：神经网络在计算机视觉中的应用12.1 卷积神经网络在图像分类中的应用12.2 递归神经网络在视频分析中的应用12.3 对抗网络（GAN）在图像合成中的应用12.4 强化学习在目标检测中的应用第十三章：神经网络在推荐系统中的应用13.1 基于内容的推荐系统13.2 协同过滤推荐系统13.3 基于神经网络的混合推荐系统13.4 对抗网络（GAN）在推荐系统中的应用第十四章：神经网络在语音识别中的应用14.1 自动语音识别的原理14.2 基于神经网络的语音识别模型14.3 深度学习在语音识别中的应用14.4 语音识别技术的应用案例第十五章：神经网络在生物医学信号处理中的应用15.1 生物医学信号的特点15.2 神经网络在医学影像分析中的应用15.3 神经网络在生理信号处理中的应用15.4 神经网络在其他生物医学信号处理中的应用重点和难点解析重点：1. 神经网络的基本概念、发展历程和应用领域。

实验十二: 神经网络及其在数据拟合中的应用（设计性实验）一、实验目的1.了解神经网络的基本知识。

2.学会用matlab神经网络工具箱进行数据拟合。

3.通过实例学习matlab神经网络工具箱的应用。

二、实验原理人工神经网络是在对复杂的生物神经网络研究和理解的基础上发展起来的。

我们知道, 人脑是由大约个高度互连的单元构成, 这些单元称为神经元, 每个神经元约有个连接。

仿照生物的神经元, 可以用数学方式表示神经元, 引入人工神经元的概念, 并由神经元的互连可以定义出不同种类的神经网络。

1.神经网络的概念及结构单个人工神经元的数学表示形式如图1所示。

其中, 为一组输入信号, 它们经过权值加权后求和, 再加上阈值, 则得出的值。

可以认为该值为输入信号与阈值所构成的广义输入信号的线性组合。

该信号经过传输函数可以得出神经元的输出信号。

图1由若干个神经元相互连接, 则可以构成一种网络, 称为神经网络。

由于连接方式的不同, 神经网络的类型也不同。

这里仅介绍前馈神经网络, 因为其权值训练中采用误差逆向传播的方式, 所以这类神经网络更多地称为反向传播（back propagation）神经网络, 简称BP神经网络。

BP网的基本结构如下图所示:MATLAB的神经网络工具箱提供了现成的函数和神经网络类, 可以使用newff()函数来建立一个前馈的BP神经网络模型。

newff()的具体调用格式如下:net=newff(x,y,[h1,h2,…,hk],{f1,f2,…,fk})其中, x为输入向量, y为输出（目标）向量。

[h1,h2,…,hk]是一个行向量, 用以存储神经网络各层的节点数, 该向量的大小等于神经网络隐层的层数。

{f1,f2,…,fk}为一个元胞数组, 由若干个字符串构成, 每个字符串对应于该层的传输函数类型。

当这些参数设定好后, 就建立了一个神经网络数据对象net, 它的一些重要属性在下表给出。

2.神经网络的训练和泛化若建立了神经网络模型net, 则可以调用train()函数对神经网络参数进行训练。

一、感知器的学习结构感知器的学习是神经网络最典型的学习。

目前，在控制上应用的是多层前馈网络，这是一种感知器模型，学习算法是BP法，故是有教师学习算法。

一个有教师的学习系统可以用图1—7表示。

这种学习系统分成三个部分：输入部，训练部和输出部。

神经网络学习系统框图1-7 图神经网络的学习一般需要多次重复训练，使误差值逐渐向零趋近，最后到达零。

则这时才会使输出与期望一致。

故而神经网络的学习是消耗一定时期的，有的学习过程要重复很多次，甚至达万次级。

原因在于神经网络的权系数W有很多分量W ，W ，----W ；也即是一n12个多参数修改系统。

系统的参数的调整就必定耗时耗量。

目前，提高神经网络的学习速度，减少学习重复次数是十分重要的研究课题，也是实时控制中的关键问题。

二、感知器的学习算法．感知器是有单层计算单元的神经网络，由线性元件及阀值元件组成。

感知器如图1-9所示。

图1-9 感知器结构感知器的数学模型：(1-12)其中：f[.]是阶跃函数，并且有(1-13)θ是阀值。

感知器的最大作用就是可以对输入的样本分类，故它可作分类器，感知器对输入信号的分类如下：即是，当感知器的输出为1时，输入样本称为A类；输出为-1时，输入样本称为B类。

从上可知感知器的分类边界是：(1-15)在输入样本只有两个分量X1，X2时，则有分类边界条件：(1-16)即W X +W X -θ=0 (1-17) 2121也可写成(1-18)这时的分类情况如固1—10所示。

感知器的学习算法目的在于找寻恰当的权系数w＝(w1．w2，…，Wn)，。

当d熊产生期望值xn)，…，x2，(xt＝x定的样本使系统对一个特．x分类为A类时，期望值d＝1；X为B类时，d=-1。

为了方便说明感知器学习算法，把阀值θ并人权系数w中，同时，样本x也相应增加一个分量x 。

故令：n+1W =-θ，X =1 (1-19) n+1n+1则感知器的输出可表示为：(1-20)感知器学习算法步骤如下：1．对权系数w置初值对权系数w＝(W．W ，…，W ，W )的n+11n2各个分量置一个较小的零随机值，但W ＝—g。