神经网络BP模型
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发布时间：2022-04-23 07:32
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时间：2022-06-17 17:45
一、BP模型概述
误差逆传播(Error Back-Propagation)神经网络模型简称为BP(Back-Propagation)网络模型。
Pall Werbas博士于1974年在他的博士论文中提出了误差逆传播学习算法。完整提出并被广泛接受误差逆传播学习算法的是以Rumelhart和McCelland为首的科学家小组。他们在1986年出版“Parallel Distributed Processing，Explorations in the Microstructure of Cognition”(《并行分布信息处理》)一书中，对误差逆传播学习算法进行了详尽的分析与介绍，并对这一算法的潜在能力进行了深入探讨。
BP网络是一种具有3层或3层以上的阶层型神经网络。上、下层之间各神经元实现全连接，即下层的每一个神经元与上层的每一个神经元都实现权连接，而每一层各神经元之间无连接。网络按有教师示教的方式进行学习，当一对学习模式提供给网络后，神经元的激活值从输入层经各隐含层向输出层传播，在输出层的各神经元获得网络的输入响应。在这之后，按减小期望输出与实际输出的误差的方向，从输入层经各隐含层逐层修正各连接权，最后回到输入层，故得名“误差逆传播学习算法”。随着这种误差逆传播修正的不断进行，网络对输入模式响应的正确率也不断提高。
BP网络主要应用于以下几个方面：
1)函数*近：用输入模式与相应的期望输出模式学习一个网络*近一个函数；
2)模式识别：用一个特定的期望输出模式将它与输入模式联系起来；
3)分类：把输入模式以所定义的合适方式进行分类；
4)数据压缩：减少输出矢量的维数以便于传输或存储。
在人工神经网络的实际应用中，80%～90%的人工神经网络模型采用BP网络或它的变化形式，它也是前向网络的核心部分，体现了人工神经网络最精华的部分。
二、BP模型原理
下面以三层BP网络为例，说明学习和应用的原理。
1.数据定义
P对学习模式(xp，dp)，p=1，2，…，P；
输入模式矩阵X[N][P]=(x1，x2，…，xP)；
目标模式矩阵d[M][P]=(d1，d2，…，dP)。
三层BP网络结构
输入层神经元节点数S0=N，i=1，2，…，S0；
隐含层神经元节点数S1，j=1，2，…，S1；
神经元激活函数f1[S1]；
权值矩阵W1[S1][S0]；
偏差向量b1[S1]。
输出层神经元节点数S2=M，k=1，2，…，S2；
神经元激活函数f2[S2]；
权值矩阵W2[S2][S1]；
偏差向量b2[S2]。
学习参数
目标误差ϵ；
初始权更新值Δ0；
最大权更新值Δmax；
权更新值增大倍数η+；
权更新值减小倍数η-。
2.误差函数定义
对第p个输入模式的误差的计算公式为
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y2kp为BP网的计算输出。
3.BP网络学习公式推导
BP网络学习公式推导的指导思想是，对网络的权值W、偏差b修正，使误差函数沿负梯度方向下降，直到网络输出误差精度达到目标精度要求，学习结束。
各层输出计算公式
输入层
y0i=xi，i=1，2，…，S0；
隐含层
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y1j=f1(z1j)，
j=1，2，…，S1；
输出层
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y2k=f2(z2k)，
k=1，2，…，S2。
输出节点的误差公式
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对输出层节点的梯度公式推导
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E是多个y2m的函数，但只有一个y2k与wkj有关，各y2m间相互独立。
其中
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则
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设输出层节点误差为
δ2k=(dk-y2k)·f2′(z2k)，
则
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同理可得
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对隐含层节点的梯度公式推导
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E是多个y2k的函数，针对某一个w1ji，对应一个y1j，它与所有的y2k有关。因此，上式只存在对k的求和，其中
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则
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设隐含层节点误差为
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则
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同理可得
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4.采用弹性BP算法(RPROP)计算权值W、偏差b的修正值ΔW，Δb
1993年德国 Martin Riedmiller和Heinrich Braun 在他们的论文“A Direct Adaptive Method for Faster Backpropagation Learning：The RPROP Algorithm”中，提出Resilient Backpropagation算法——弹性BP算法(RPROP)。这种方法试图消除梯度的大小对权步的有害影响，因此，只有梯度的符号被认为表示权更新的方向。
权改变的大小仅仅由权专门的“更新值”
确定
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其中
表示在模式集的所有模式(批学习)上求和的梯度信息，(t)表示t时刻或第t次学习。
权更新遵循规则：如果导数是正(增加误差)，这个权由它的更新值减少。如果导数是负，更新值增加。
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RPROP算法是根据局部梯度信息实现权步的直接修改。对于每个权，我们引入它的
各自的更新值
，它独自确定权更新值的大小。这是基于符号相关的自适应过程，它基
于在误差函数E上的局部梯度信息，按照以下的学习规则更新
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其中0＜η-＜1＜η+。
在每个时刻，如果目标函数的梯度改变它的符号，它表示最后的更新太大，更新值
应由权更新值减小倍数因子η-得到减少；如果目标函数的梯度保持它的符号，更新值应由权更新值增大倍数因子η+得到增大。
为了减少自由地可调参数的数目，增大倍数因子η+和减小倍数因子η–被设置到固定值
η+=1.2，
η-=0.5，
这两个值在大量的实践中得到了很好的效果。
RPROP算法采用了两个参数：初始权更新值Δ0和最大权更新值Δmax
当学习开始时，所有的更新值被设置为初始值Δ0，因为它直接确定了前面权步的大小，它应该按照权自身的初值进行选择，例如，Δ0=0.1(默认设置)。
为了使权不至于变得太大，设置最大权更新值*Δmax，默认上界设置为
Δmax=50.0。
在很多实验中，发现通过设置最大权更新值Δmax到相当小的值，例如
Δmax=1.0。
我们可能达到误差减小的平滑性能。
5.计算修正权值W、偏差b
第t次学习，权值W、偏差b的的修正公式
W(t)=W(t-1)+ΔW(t)，
b(t)=b(t-1)+Δb(t)，
其中，t为学习次数。
6.BP网络学习成功结束条件每次学习累积误差平方和
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每次学习平均误差
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当平均误差MSE＜ε，BP网络学习成功结束。
7.BP网络应用预测
在应用BP网络时，提供网络输入给输入层，应用给定的BP网络及BP网络学习得到的权值W、偏差b，网络输入经过从输入层经各隐含层向输出层的“顺传播”过程，计算出BP网的预测输出。
8.神经元激活函数f
线性函数
f(x)=x，
f′(x)=1，
f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围(-∞，+∞)。
一般用于输出层，可使网络输出任何值。
S型函数S(x)
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f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围(0，1)。
f′(x)=f(x)[1-f(x)]，
f′(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围(0，
]。
一般用于隐含层，可使范围(-∞，+∞)的输入，变成(0，1)的网络输出，对较大的输入，放大系数较小；而对较小的输入，放大系数较大，所以可用来处理和*近非线性的输入/输出关系。
在用于模式识别时，可用于输出层，产生*近于0或1的二值输出。
双曲正切S型函数
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f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围(-1，1)。
f′(x)=1-f(x)·f(x)，
f′(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围(0，1]。
一般用于隐含层，可使范围(-∞，+∞)的输入，变成(-1，1)的网络输出，对较大的输入，放大系数较小；而对较小的输入，放大系数较大，所以可用来处理和*近非线性的输入/输出关系。
阶梯函数
类型1
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f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围{0，1}。
f′(x)=0。
类型2
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f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围{-1，1}。
f′(x)=0。
斜坡函数
类型1
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f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围[0，1]。
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f′(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围{0，1}。
类型2
中国矿产资源评价新技术与评价新模型
f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围[-1，1]。
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f′(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围{0，1}。
三、总体算法
1.三层BP网络(含输入层，隐含层，输出层)权值W、偏差b初始化总体算法
(1)输入参数X[N][P]，S0，S1，f1[S1]，S2，f2[S2]；
(2)计算输入模式X[N][P]各个变量的最大值，最小值矩阵 Xmax[N]，Xmin[N]；
(3)隐含层的权值W1，偏差b1初始化。
情形1：隐含层激活函数f( )都是双曲正切S型函数
1)计算输入模式X[N][P]的每个变量的范围向量Xrng[N]；
2)计算输入模式X的每个变量的范围均值向量Xmid[N]；
3)计算W，b的幅度因子Wmag；
4)产生[-1，1]之间均匀分布的S0×1维随机数矩阵Rand[S1]；
5)产生均值为0，方差为1的正态分布的S1×S0维随机数矩阵Randnr[S1][S0]，随机数范围大致在[-1，1]；
6)计算W[S1][S0]，b[S1]；
7)计算隐含层的初始化权值W1[S1][S0]；
8)计算隐含层的初始化偏差b1[S1]；
9))输出W1[S1][S0]，b1[S1]。
情形2：隐含层激活函数f( )都是S型函数
1)计算输入模式X[N][P]的每个变量的范围向量Xrng[N]；
2)计算输入模式X的每个变量的范围均值向量Xmid[N]；
3)计算W，b的幅度因子Wmag；
4)产生[-1，1]之间均匀分布的S0×1维随机数矩阵Rand[S1]；
5)产生均值为0，方差为1的正态分布的S1×S0维随机数矩阵Randnr[S1][S0]，随机数范围大致在[-1，1]；
6)计算W[S1][S0]，b[S1]；
7)计算隐含层的初始化权值W1[S1][S0]；
8)计算隐含层的初始化偏差b1[S1]；
9)输出W1[S1][S0]，b1[S1]。
情形3：隐含层激活函数f( )为其他函数的情形
1)计算输入模式X[N][P]的每个变量的范围向量Xrng[N]；
2)计算输入模式X的每个变量的范围均值向量Xmid[N]；
3)计算W，b的幅度因子Wmag；
4)产生[-1，1]之间均匀分布的S0×1维随机数矩阵Rand[S1]；
5)产生均值为0，方差为1的正态分布的S1×S0维随机数矩阵Randnr[S1][S0]，随机数范围大致在[-1，1]；
6)计算W[S1][S0]，b[S1]；
7)计算隐含层的初始化权值W1[S1][S0]；
8)计算隐含层的初始化偏差b1[S1]；
9)输出W1[S1][S0]，b1[S1]。
(4)输出层的权值W2，偏差b2初始化
1)产生[-1，1]之间均匀分布的S2×S1维随机数矩阵W2[S2][S1]；
2)产生[-1，1]之间均匀分布的S2×1维随机数矩阵b2[S2]；
3)输出W2[S2][S1]，b2[S2]。
2.应用弹性BP算法(RPROP)学习三层BP网络(含输入层，隐含层，输出层)权值W、偏差b总体算法
函数：Train3BP_RPROP(S0，X，P，S1，W1，b1，f1，S2，W2，b2，f2，d，TP)
(1)输入参数
P对模式(xp，dp)，p=1，2，…，P；
三层BP网络结构；
学习参数。
(2)学习初始化
1)
；
2)各层W，b的梯度值
，
初始化为零矩阵。
(3)由输入模式X求第一次学习各层输出y0，y1，y2及第一次学习平均误差MSE
(4)进入学习循环
epoch=1
(5)判断每次学习误差是否达到目标误差要求
如果MSE＜ϵ，
则，跳出epoch循环，
转到(12)。
(6)保存第epoch-1次学习产生的各层W，b的梯度值
，
(7)求第epoch次学习各层W，b的梯度值
，
1)求各层误差反向传播值δ；
2)求第p次各层W，b的梯度值
，
；
3)求p=1，2，…，P次模式产生的W，b的梯度值
，
的累加。
(8)如果epoch=1，则将第epoch-1次学习的各层W，b的梯度值
，
设为第epoch次学习产生的各层W，b的梯度值
，
。
(9)求各层W，b的更新
1)求权更新值Δij更新；
2)求W，b的权更新值
，
；
3)求第epoch次学习修正后的各层W，b。
(10)用修正后各层W、b，由X求第epoch次学习各层输出y0，y1，y2及第epoch次学习误差MSE
(11)epoch=epoch+1，
如果epoch≤MAX_EPOCH，转到(5)；
否则，转到(12)。
(12)输出处理
1)如果MSE＜ε，
则学习达到目标误差要求，输出W1，b1，W2，b2。
2)如果MSE≥ε，
则学习没有达到目标误差要求，再次学习。
(13)结束
3.三层BP网络(含输入层，隐含层，输出层)预测总体算法
首先应用Train3lBP_RPROP( )学习三层BP网络(含输入层，隐含层，输出层)权值W、偏差b，然后应用三层BP网络(含输入层，隐含层，输出层)预测。
函数：Simu3lBP( )。
1)输入参数：
P个需预测的输入数据向量xp，p=1，2，…，P；
三层BP网络结构；
学习得到的各层权值W、偏差b。
2)计算P个需预测的输入数据向量xp(p=1，2，…，P)的网络输出 y2[S2][P]，输出预测结果y2[S2][P]。
四、总体算法流程图
BP网络总体算法流程图见附图2。
五、数据流图
BP网数据流图见附图1。
六、实例
实例一 全国铜矿化探异常数据BP 模型分类
1.全国铜矿化探异常数据准备
在全国铜矿化探数据上用稳健统计学方法选取铜异常下限值33.1，生成全国铜矿化探异常数据。
2.模型数据准备
根据全国铜矿化探异常数据，选取7类33个矿点的化探数据作为模型数据。这7类分别是岩浆岩型铜矿、斑岩型铜矿、矽卡岩型、海相火山型铜矿、陆相火山型铜矿、受变质型铜矿、海相沉积型铜矿，另添加了一类没有铜异常的模型(表8-1)。
3.测试数据准备
全国化探数据作为测试数据集。
4.BP网络结构
隐层数2，输入层到输出层向量维数分别为14，9、5、1。学习率设置为0.9，系统误差1e-5。没有动量项。
表8-1 模型数据表
续表
5.计算结果图
如图8-2、图8-3。
图8-2
图8-3 全国铜矿矿床类型BP模型分类示意图
实例二 全国金矿矿石量品位数据BP 模型分类
1.模型数据准备
根据全国金矿储量品位数据，选取4类34个矿床数据作为模型数据，这4类分别是绿岩型金矿、与中酸性浸入岩有关的热液型金矿、微细浸染型型金矿、火山热液型金矿(表8-2)。
2.测试数据准备
模型样本点和部分金矿点金属量、矿石量、品位数据作为测试数据集。
3.BP网络结构
输入层为三维，隐层1层，隐层为三维，输出层为四维，学习率设置为0.8，系统误差1e-4，迭代次数5000。
表8-2 模型数据
4.计算结果
结果见表8-3、8-4。
表8-3 训练学习结果
表8-4 预测结果(部分)
续表
