详解BP神经网络

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

#BackPropagation Neuron NetWok
  BP神经网络学习算法可以说是目前最成功的神经网络学习算法。显示任务中使用神经网络时，大多数是使用BP算法进行训练.
  在我看来BP神经网络就是一个”万能的模型+误差修正函数“，每次根据训练得到的结果与预想结果进行误差分析，进而修改权值和阈值，一步一步得到能输出和预想结果一致的模型。举一个例子：比如某厂商生产一种产品，投放到市场之后得到了消费者的反馈，根据消费者的反馈，厂商对产品进一步升级，优化，从而生产出让消费者更满意的产品。这就是BP神经网络的核心。
  下面就让我们来看看BP算法到底是什么东西。BP网络由输入层、隐藏层、输出层组成。给定训练集***D***={(x₁,y₁),(x₂,y₂…(x_n,y_n)},其中x_nϵR^d，y_nϵR^l,表示输入示例由d个属性组成，输出l维实值变量。现在，我们看看如何求得输出值，以及怎么由输出值调整权值和阈值。
       
   神经元是以生物研究及大脑的响应机制而建立的拓扑结构网络，模拟神经冲突的过程，多个树突的末端接受外部信号，并传输给神经元处理融合，最后通过轴突将神经传给其它神经元或者效应器。神经元的拓扑结构如图：
             

  对于第i个神经元，X₁、X₂、…、X_j为神经元的输入，输入常为对系统模型关键影响的自变量，W₁、W₂、…、W_j为连接权值调节各个输入量的占重比。将信号结合输入到神经元有多种方式，选取最便捷的线性加权求和可得neti神经元净输入:
$$Ne{t}_{in}=\sum _{i=1}^n{w}_i\ast x_i$$
  $\theta$_i表示该神经元的阈值，根据生物学中的知识，只有当神经元接收到的信息达到阈值是才会被激活。因此，我们将$Ne{t}_{in}$和${\theta }_j$进行比较，然后通过激活函数处理以产生神经元的输出。
  激活函数：激活函数这里我们不多重述。如果输出值有一定的范围约束，比如用来分类，一般我们用的最多的是Sigmod函数，它可以把输入从负无穷大到正无穷大的信号变换成0到1之间输出。如果没有约束的话，我们可以使用线性激活函数(即权值相乘之和)。这样我们得到的输出为：
$$y_j=f(Ne{t}_{in}-{\theta }_j)$$
  我们可以将公式化简一下，设第一个输入永远值为$\theta$,权值为-1，则我们可以得到公式：
$$y_j=f(\sum _{i=0}^n{w}_i\ast x_i)$$
  其中w₀=-1,x₀=$\theta$_j,其中f为选择的激活函数。
  已经知道在BP神经网络模型中，我们有三层结构，输入层、隐藏层、输出层,因此输入层到隐藏层的权值，设为$v_{ih}$,隐藏层第h个神经元的阈值我们设为${\gamma }_h$。隐藏层到输出层的权值，设为$w_{hj}$,输出层第j个神经元的阈值我们用${\theta }_j$表示。在下面这张图里，有d输入神经元,q个隐藏神经元，隐藏有q个隐藏神经元阈值，$l$个输出神经元，因此有$l$个输出神经元阈值。

  其中${\beta }_j$中的$b_h=f({\alpha }_h-{\gamma }_h)$。隐藏层和输出层的激活函数，在这里我们暂时全部用$Sigmod$函数。
  在某个训练示例$(x_k,y_k)$中，假设神经网络的训练输出为$y_{k^{,}}=(y_1^{k^{,}},y_2^{k^{,}},\cdots ,y_l^{k^{,}})$,输出为$l$维向量，其中
$$y_i^{k^{,}}=f({\beta }_i-{\theta }_i)$$
  那么这次预测结果的误差我们可以用最小二乘法表示：
$$E_k=\frac{1}{2}\sum _{j=1}^l(y_j^{k^{,}}-y_j^k{)}^2$$
  而我们现在要做的就是根据这个误差去调整$（d+l+1）q+l$个参数的值，一步一步缩小$E_k$。那么从现在开始，我们就要进入数学的世界了。这里我们使用最常用的算法：梯度下降法来更新参数。函数永远是沿着梯度的方向变化最快，那么我们对每一个需要调整的参数求偏导数，如果偏导数>0,则要按照偏导数相反的方向变化；如果偏导数<0，则按照此方向变化即可。于是我们使用-1*偏导数则可以得到参数需要变化的值。同时我们设定一个学习速率$\eta$，这个学习速率不能太快，也不能太慢。太快可能会导致越过最优解；太慢可能会降低算法的效率。(具体设多少就属于玄学调参的领域了)。因此我们可以得到一个参数调整公式：
$$Param+=-\eta \frac{\partial E_k}{\partial Param}$$
  首先我们看看隐藏层到输出层的权值调整值：
$$\Delta w_{hj}=-\eta \frac{\partial E_k}{\partial w_{hj}}$$
  好，我们从上到下缕一缕这个偏导该怎么求，我们把每一个公式都罗列出来：
#####  1.输入层到隐藏层：
$${\alpha }_h=\sum _{i=1}^d{v}_{ih}\ast x_i\cdots \cdots \cdots \cdots \cdots \cdots \cdots (1)$$
$$\left|\begin{array}{ccccc}{x}_1& x_2& x_3& \cdots & x_d\end{array}\right|\cdot \left|\begin{array}{ccccc}{v}_{11}& v_{12}& v_{13}& \cdots & v_{1q}\\ v_{21}& v_{22}& v_{23}& \cdots & w_{2q}\\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ v_{d1}& w_{d2}& w_{d3}& \cdots & w_{dq}\end{array}\right|$$
#####  2.经过隐藏层的激活函数：
$$b_h=f({\alpha }_h-{\gamma }_h)\cdots \cdots \cdots \cdots \cdots \cdots \cdots (2)$$
#####  3.隐藏层到输出层：
$${\beta }_j=\sum _{h=1}^q{w}_{hj}\ast b_h\cdots \cdots \cdots \cdots \cdots \cdots \cdots (3)$$
#####  用矩阵表示
$$\left|\begin{array}{ccccc}{b}_1& b_2& b_3& \cdots & b_q\end{array}\right|\cdot \left|\begin{array}{ccccc}{w}_{11}& w_{12}& w_{13}& \cdots & w_{1l}\\ w_{21}& w_{22}& w_{23}& \cdots & w_{2l}\\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ w_{q1}& w_{q2}& w_{q3}& \cdots & w_{ql}\end{array}\right|$$

#####  4.经过输出层的激活函数：
$$y_j^{k^{,}}=f({\beta }_j-{\theta }_j)\cdots \cdots \cdots \cdots \cdots \cdots \cdots (4))$$
#####  5.误差：
$$E_k=\frac{1}{2}\sum _{j=1}^l(y_j^{k^{,}}-y_j^k{)}^2\cdots \cdots \cdots \cdots \cdots \cdots \cdots (5)$$
  综上我们可以得知$w_{hj}$先影响${\beta }_j$,再影响$y_j^{k^{,}}$,最后影响$E_k$,(一个$w$权值只会影响一个$\beta$)所以我们可得：
$$\Delta w_{hj}=-\eta \frac{\partial E_k}{\partial w_{hj}}=-\eta \frac{\partial E_k}{\partial y_j^{k^{,}}}\cdot \frac{\partial y_j^{k^{,}}}{\partial {\beta }_j}\cdot \frac{\partial {\beta }_j}{\partial w_{hj}}\cdots (6)$$
其中$\frac{\partial {\beta }_j}{\partial w_{hj}}=b_h$,前面提到过，$b_h$是第h个隐藏神经元的输出。
$$g_j=\frac{\partial E_k}{\partial y_j^{k^{,}}}\cdot \frac{\partial y_j^{k^{,}}}{\partial {\beta }_j}=(y_j^{k^{,}}-y_j^k)\cdot f^{’}({\beta }_j-{\theta }_j)\cdots (7)$$
  而我们选择的激活函数是$Sigmod$函数，该函数具有一个很好的性质
$$f(x)=\frac{1}{1+e^{-x}}\cdots f^{{}^{\prime }}(x)=f(x)(1-f(x))\cdots (8)$$
  所以我们有：
$$f^{{}^{\prime }}({\beta }_j-{\theta }_j)=f({\beta }_j-{\theta }_j)\cdot (1-f({\beta }_j-{\theta }_j))=y_j^{k^{{}^{\prime }}}\cdot (1-y_j^{k^{{}^{\prime }}})\cdots (9)$$
  综合$formula(6)(7)(9)$我们可得：
$$\Delta w_{hj}=-\eta \frac{\partial E_k}{\partial w_{hj}}=-\eta g_i{b}_h=-\eta (y_j^{k^{{}^{\prime }}}-y_j^k)\cdot y_j^{k^{{}^{\prime }}}\cdot (1-y_j^{k^{{}^{\prime }}})\cdot b_h\cdots (10)$$
####  同理：
$$\Delta {\theta }_j=-\eta \frac{\partial E_k}{\partial {\theta }_j}=-\eta \frac{\partial E_k}{\partial y_j^{k^{{}^{\prime }}}}\cdot \frac{\partial y_j^{k^{{}^{\prime }}}}{\partial {\theta }_j}=\eta \cdot g_j\cdots (11)$$
  我们再看看$\Delta v_{ih}$的值怎么求，还是由$formula(1),(2),(3),(4),(5)$推导，一个$v$权值会影响所有的$\beta$
$$\Delta v_{ih}=-\eta e_h{x}_i\cdots \cdots \cdots \cdots (12)$$
$$\Delta {\gamma }_h=\eta e_h\cdots \cdots \cdots (13)$$
  其中
$$e_h=（\sum _{j=1}^l\frac{\partial E_k}{\partial {\beta }_j}\cdot \frac{\partial {\beta }_j}{\partial b_j}）\cdot f^{{}^{\prime }}({\alpha }_h-{\gamma }_h)=(\sum _{j=1}^l(y_j^{k^{,}}-y_j^k)\cdot f^{’}({\beta }_j-{\theta }_j)\cdot w_{hj})\cdot f^{{}^{\prime }}({\alpha }_h-{\gamma }_h)\cdots \cdots \cdots (14)$$
####  至此，我们所有得公式都推导完毕了，剩下做的就是设定一个迭代终止条件，可以是误差小于一定值时终止递归，也可以是设定迭代次数。这样一个BP神经网络模型就算是设计结束。
  java实现代码和实验数据在我的github上面