实践认识--ANN

Posted 2020-08-24 小河沟大河沟

1. 常用激活函数 

       激活函数的选择是构建神经网络过程中的重要环节，下面简要介绍常用的激活函数。

(1) 线性函数 ( Liner Function )

 

(2) 斜面函数 ( Ramp Function )

 

(3) 阈值函数 ( Threshold Function )

 

 

 

       以上3个激活函数都属于线性函数，下面介绍两个常用的非线性激活函数。

(4) S形函数 ( Sigmoid Function )

　　该函数的导函数：

(5) 双极S形函数 

　　该函数的导函数：

　　S形函数与双极S形函数的图像如下：

图3. S形函数与双极S形函数图像

　　双极S形函数与S形函数主要区别在于函数的值域，双极S形函数值域是(-1,1)，而S形函数值域是(0,1)。

　　由于S形函数与双极S形函数都是可导的(导函数是连续函数)，因此适合用在BP神经网络中。（BP算法要求激活函数可导）

 2.数据预处理 

       在训练神经网络前一般需要对数据进行预处理，一种重要的预处理手段是归一化处理。下面简要介绍归一化处理的原理与方法。

(1) 什么是归一化？ 

数据归一化，就是将数据映射到[0,1]或[-1,1]区间或更小的区间，比如(0.1,0.9) 。

(2) 为什么要归一化处理？ 

<1>输入数据的单位不一样，有些数据的范围可能特别大，导致的结果是神经网络收敛慢、训练时间长。

<2>数据范围大的输入在模式分类中的作用可能会偏大，而数据范围小的输入作用就可能会偏小。

<3>由于神经网络输出层的激活函数的值域是有限制的，因此需要将网络训练的目标数据映射到激活函数的值域。例如神经网络的输出层若采用S形激活函数，由于S形函数的值域限制在(0,1)，也就是说神经网络的输出只能限制在(0,1)，所以训练数据的输出就要归一化到[0,1]区间。

<4>S形激活函数在(0,1)区间以外区域很平缓，区分度太小。例如S形函数f(X)在参数a=1时，f(100)与f(5)只相差0.0067。

(3) 归一化算法 

　　一种简单而快速的归一化算法是线性转换算法。线性转换算法常见有两种形式：

       <1>y = ( x - min )/( max - min )

　　其中min为x的最小值，max为x的最大值，输入向量为x，归一化后的输出向量为y 。上式将数据归一化到 [ 0 , 1 ]区间，当激活函数采用S形函数时（值域为(0,1)）时这条式子适用。

       <2>y = 2 * ( x - min ) / ( max - min ) - 1

       这条公式将数据归一化到 [ -1 , 1 ] 区间。当激活函数采用双极S形函数（值域为(-1,1)）时这条式子适用。

(4) Matlab数据归一化处理函数 

　　Matlab中归一化处理数据可以采用premnmx ， postmnmx ， tramnmx 这3个函数。

<1> premnmx

语法：[pn,minp,maxp,tn,mint,maxt] = premnmx(p,t)

参数：

pn： p矩阵按行归一化后的矩阵

minp，maxp：p矩阵每一行的最小值，最大值

tn：t矩阵按行归一化后的矩阵

mint，maxt：t矩阵每一行的最小值，最大值

作用：将矩阵p，t归一化到[-1,1] ，主要用于归一化处理训练数据集。

<2> tramnmx

语法：[pn] = tramnmx(p,minp,maxp)

参数：

minp，maxp：premnmx函数计算的矩阵的最小，最大值

pn：归一化后的矩阵

作用：主要用于归一化处理待分类的输入数据。

<3> postmnmx

语法： [p,t] = postmnmx(pn,minp,maxp,tn,mint,maxt)

参数：

minp，maxp：premnmx函数计算的p矩阵每行的最小值，最大值

mint，maxt：premnmx函数计算的t矩阵每行的最小值，最大值

作用：将矩阵pn，tn映射回归一化处理前的范围。postmnmx函数主要用于将神经网络的输出结果映射回归一化前的数据范围。

3.使用Matlab实现神经网络 

使用Matlab建立前馈神经网络主要会使用到下面3个函数：

newff ：前馈网络创建函数

train：训练一个神经网络

sim ：使用网络进行仿真

 下面简要介绍这3个函数的用法。

(1) newff函数

<1>newff函数语法 

       newff函数参数列表有很多的可选参数，具体可以参考Matlab的帮助文档，这里介绍newff函数的一种简单的形式。

语法：net = newff ( A, B, {C} ,‘trainFun’)

参数：

A：一个n×2的矩阵，第i行元素为输入信号xi的最小值和最大值；

B：一个k维行向量，其元素为网络中各层节点数；

C：一个k维字符串行向量，每一分量为对应层神经元的激活函数；

trainFun ：为学习规则采用的训练算法。

<2>常用的激活函数

　　常用的激活函数有：

　　a) 线性函数 (Linear transfer function)

f(x) = x

　　该函数的字符串为’purelin’。

 

b) 对数S形转移函数( Logarithmic sigmoid transfer function )

    该函数的字符串为’logsig’。

c) 双曲正切S形函数 (Hyperbolic tangent sigmoid transfer function )

　　也就是上面所提到的双极S形函数。该函数的字符串为’ tansig’。

　　Matlab的安装目录下的toolbox\\nnet\\nnet\\nntransfer子目录中有所有激活函数的定义说明。

<3>常见的训练函数

    常见的训练函数有：

traingd ：梯度下降BP训练函数(Gradient descent backpropagation)

traingdx ：梯度下降自适应学习率训练函数

<4>网络配置参数

一些重要的网络配置参数如下：

net.trainparam.goal  ：神经网络训练的目标误差

net.trainparam.show   ： 显示中间结果的周期

net.trainparam.epochs 　：最大迭代次数

net.trainParam.lr    ： 学习率

(2) train函数

    网络训练学习函数。

语法：[ net, tr, Y1, E ]  = train( net, X, Y )

参数：

X：网络实际输入

Y：网络应有输出

tr：训练跟踪信息

Y1：网络实际输出

E：误差矩阵

(3) sim函数

语法：Y=sim(net,X)

参数：

net：网络

X：输入给网络的Ｋ×N矩阵，其中K为网络输入个数，N为数据样本数

Y：输出矩阵Q×N，其中Q为网络输出个数

(4) Matlab BP网络实例 

       我将Iris数据集分为2组，每组各75个样本，每组中每种花各有25个样本。其中一组作为以上程序的训练样本，另外一组作为检验样本。为了方便训练，将3类花分别编号为1，2，3 。

　　使用这些数据训练一个4输入（分别对应4个特征），3输出（分别对应该样本属于某一品种的可能性大小）的前向网络。

       Matlab程序如下：

%读取训练数据
[f1,f2,f3,f4,class] = textread(\'trainData.txt\' , \'%f%f%f%f%f\',150);  %注意数据格式，数据之间有逗号和空格之分；然后类别为1,2,3
 
%特征值归一化
[input,minI,maxI] = premnmx( [f1 , f2 , f3 , f4 ]\')  ;

%构造输出矩阵
s = length( class) ;
output = zeros( s , 3  ) ;
for i = 1 : s 
   output( i , class( i )  ) = 1 ;
end

%创建神经网络
net = newff( minmax(input) , [10 3] , { \'logsig\' \'purelin\' } , \'traingdx\' ) ; 

%设置训练参数
net.trainparam.show = 50 ;
net.trainparam.epochs = 500 ;
net.trainparam.goal = 0.01 ;
net.trainParam.lr = 0.01 ;

%开始训练
net = train( net, input , output\' ) ;

%读取测试数据
[t1 t2 t3 t4 c] = textread(\'testData.txt\' , \'%f%f%f%f%f\',150);

%测试数据归一化
testInput = tramnmx ( [t1,t2,t3,t4]\' , minI, maxI ) ;

%仿真
Y = sim( net , testInput ) 

%统计识别正确率
[s1 , s2] = size( Y ) ;
hitNum = 0 ;
for i = 1 : s2
    [m , Index] = max( Y( : ,  i ) ) ;
    if( Index  == c(i)   ) 
        hitNum = hitNum + 1 ; 
    end
end
sprintf(\'识别率是 %3.3f%%\',100 * hitNum / s2 )

 实验结果：

其他的神经网络：

%产生指定类别的样本点，并在图中绘出
X = [0 1; 0 1]; % 限制类中心的范围
clusters = 5; % 指定类别数目
points = 10; % 指定每一类的点的数目
std_dev = 0.05; % 每一类的标准差
P = nngenc(X,clusters,points,std_dev);
plot(P(1,:),P(2,:),\'+r\');
title(\'输入样本向量\');
xlabel(\'p(1)\');
ylabel(\'p(2)\');

%建立网络
net=newc([0 1;0 1],5,0.1); %设置神经元数目为5
%得到网络权值，并在图上绘出
figure;
plot(P(1,:),P(2,:),\'+r\');
w=net.iw{1}
hold on;
plot(w(:,1),w(:,2),\'ob\');
hold off;
title(\'输入样本向量及初始权值\');
xlabel(\'p(1)\');
ylabel(\'p(2)\');
figure;
plot(P(1,:),P(2,:),\'+r\');
hold on;

%训练网络
net.trainParam.epochs=7;
net=init(net);
net=train(net,P);
%得到训练后的网络权值，并在图上绘出
w=net.iw{1}
plot(w(:,1),w(:,2),\'ob\');
hold off;
title(\'输入样本向量及更新后的权值\');
xlabel(\'p(1)\');
ylabel(\'p(2)\');
a=0;
p = [0.6 ;0.8];
a=sim(net,p)


%**************指定输入二维向量及其类别*******************
P = [-3 -2 -2 0 0 0 0 +2 +2 +3;
0 +1 -1 +2 +1 -1 -2 +1 -1 0];
C = [1 1 1 2 2 2 2 1 1 1];
%将这些类别转换成学习向量量化网络使用的目标向量
T = ind2vec(C)
%用不同的颜色，绘出这些输入向量
plotvec(P,C),
title(\'输入二维向量\');
xlabel(\'P(1)\');
ylabel(\'P(2)\');

%建立网络
net = newlvq(minmax(P),4,[.6 .4],0.1);
%在同一幅图上绘出输入向量及初始权重向量
figure;
plotvec(P,C)
hold on
W1=net.iw{1};
plot(W1(1,1),W1(1,2),\'ow\')
title(\'输入以及权重向量\');
xlabel(\'P(1), W(1)\');
ylabel(\'P(2), W(2)\');
hold off;

%训练网络，并再次绘出权重向量
figure;
plotvec(P,C);
hold on;
net.trainParam.epochs=150;
net.trainParam.show=Inf;
net=train(net,P,T);
plotvec(net.iw{1}\',vec2ind(net.lw{2}),\'o\');
%对于一个特定的点，得到网络的输出
p = [0.8; 0.3];
a = vec2ind(sim(net,p))

%%%%%%%%%**********随机生成1000个二维向量，作为样本，并绘出其分布*************
P = rands(2,1000);
plot(P(1,:),P(2,:),\'+r\')
title(\'初始随机样本点分布\');
xlabel(\'P(1)\');
ylabel(\'P(2)\');

%建立网络，得到初始权值
net=newsom([0 1; 0 1],[5 6]);
w1_init=net.iw{1,1}
%绘出初始权值分布图
figure;
plotsom(w1_init,net.layers{1}.distances)
%分别对不同的步长，训练网络，绘出相应的权值分布图
for i=10:30:100
    net.trainParam.epochs=i;
    net=train(net,P);
    figure;
    plotsom(net.iw{1,1},net.layers{1}.distances)
end
%对于训练好的网络，选择特定的输入向量，得到网络的输出结果
p=[0.5;0.3];
a=0;
a = sim(net,p)