机器学习算法简介人工神经网络算法

Posted 2021-04-24 联合征信

人工神经网络（Artificial Neural Network，即ANN ）算法是一种模仿生物神经网络运行机制，进行分布式并行信息处理的算法模型。神经网络模型由大量的节点（或称神经元）相互联接构成，每个节点代表一种特定的函数，即激励函数（activation function）；输入信号被赋予不同的权重，并汇总到相应节点；人工神经网络的输出信号则因网络的连接方式、权重值和激励函数的不同而不同。

一、从神经元到人工神经网络

人工神经网络是建立在模仿大脑活动的基础上的，因此，在理解人工神经网络算法之前，我们首先需要了解生物神经的运作机制。如下图所示，首先，神经元细胞通过树突接收到输入信号；然后，神经元会根据信号的相对重要程度或频率判断信号的重要程度，并不断积累信号；当信号累积达到一定的阈值后，神经元细胞就会被激活，产生一个输出信号，并通过轴突向外传递。

单层的人工神经网络模型和神经元细胞的运行机制十分相似。

图2结构描述了单层人工神经网络模型中，输入信号（x1，x2，x3）和输出信号y之间的传递机制。和神经元的运行原理一样，不同的输入信号x被赋予不同的权重w后，汇总到一个节点，通过激活函数f判断后，产生一个输出信号y。

上述内容就是简单的人工神经网络算法的运行机制，实际运用中，人工神经网络算法更加复杂，如可能拥有更多的层、更多的节点等，但总体上，人工神经网络算法都是由以下三个要素组成：

1.激活函数，根据输入信号判断并产生输出信号；

2.网络拓扑结构，体现人工神经网络中的节点数量、层级数量以及它们的联系结构；

3.训练算法，用于决定不同输入信号的权重如何确定。

二、激活函数

激活函数是人工神经网络处理和传递信号的机制，常见的激活函数由以下几种：

 

除上述3中激活函数外，较为常用的还用ReLU函数、ELU函数和PReLU函数等。

三、网络拓扑结构

网络拓扑结构决定了人工神经网络算法的学习能力，一般来说，拥有越庞大、越复杂的拓扑结构的算法具有越强的学习能力，能够识别更加细微的特征。虽然人工神经网络模型可以有无数种拓扑结构，但其基本要素仅以下三种：（1）层数；（2）信息是否可以反向传播；（3）每一层中节点的数量。

如图4所示，从样本数据中获得输入信号的节点成为输入节点，由其组成的层称为输入层；对外输出信号的节点称为输出节点，其对应的层称为输出层。图4的拓扑结构中仅含有一组权重，因此，称该结构为单层人工神经网络。单层人工神经网络主要用于简单的图片识别，尤其是用于线性可分的图形。

为了创建更复杂的拓扑结构，我们经常使用的方法就是加入更多的层，即加入隐含层，如下图所示。

根据信息传播方向，人工神经网络算法可以分为前馈式神经网络，即仅允许信息从输入节点至输出节点的单向传播；以及回归神经网络，即允许信息反向传播。其中，回归神经网络的发展和运用还不成熟，目前最常用的人工神经网络算法主要是前馈式神经网络。

除了层数和信息传播方向之外，人工神经网络的拓扑结构还会随着每一层中节点数量的变化而变化。输入节点的数量取决于样本数据，输出节点的数量取决于事先预设的结果数量，因此，节点数量的改变主要是指隐含层中节点数量的变化。不幸的是，实际操作中，我们没有办法确定最佳的节点数量。虽然，增加节点的数量可以使人工神经网络算法的学习能力提高，但过多的节点数量可能会导致过度拟合的问题，而且会增加训练的难度。因此，为了避免上述问题，常用的标准是在模型结果足够好的基础上，采用尽量少的节点。

四、训练方法：反向传播

反向传播（Backpropagation，BP）方法是最常用的人工神经网络训练方法。通常，BP人工神经网络算法采用重复迭代的方式进行计算，其步骤如下：

1.由于神经网络结构中没有先验知识，初始权重通常是随机设定的；

2.利用该权重，计算获得输出信号；

3.将计算得出的输出信号与训练组中的实际值进行比较，利用输出信号与实际值之间的误差反向追溯，修改权重，从而减小误差。

4.重复步骤2和3，直到达到预先设定的标准。

那么，在BP方法中，如何修改权重才能够达到减小误差的目的？我们通常采用的办法就是梯度下降法。梯度下降法的原理跟探险者在丛林中寻找水源的方法相似，检查地形并沿着倾斜度最大的斜坡向下走，最终到达地势最低的山谷，从而找到水源。

BP方法通过计算激活函数的导数来确定输入信号与误差之间的斜率，该斜率代表了输入信号的变化所引起误差的变化，同时该斜率也是权重的函数。因此，BP方法试图通过改变权重达到最大程度地降低误差的目的。

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