神经网络算法的数学原理

一、bp神经网络原理

BP神经网络称为“深度学习之旅的开端”，是神经网络的入门算法。
各种高大上的神经网络都是基于BP网络出发的，最基础的原理都是由BP网络而来，另外由于BP神经网络结构简单，算法经典，是神经网络中应用最广泛的一种。

开始发展——在工神经网络的发展历史上，感知机网络曾对工神经网络的发展发挥了极大的作用，它的出现曾掀起了们研究工神经元网络的热潮。 单层感知网络（M-P模型）做为最初的神经网络，具有模型清晰、结构简单、计算量小等优点。

只能解决线性可分——但是，随着研究工作的深入，们它还存在不足，例如无法处理非线性问题，即使计算单元的作用函数不用阀函数而用其他较复杂的非线性函数，仍然只能解决解决线性可分问题．不能实现某些基本功能，从而限了它的应用。
多层前馈网络——增强网络的分类和识别能力、解决非线性问题的唯一途径是采用多层前馈网络，即在输入层和输出层之间加上隐含层。

BP神经网络登场——20世纪80年代中期，DavidRunelhart。 GeoffreyHinton和RonaldW-llians、DavidParker等分别独立了误差反向传播算法，简称BP，系统解决了多层神经网络隐含层连接权学习问题，并在数学上给出了完整推导。 们把采用这种算法进行误差校正的多层前馈网络称为BP网。
BP神经网络具有任意复杂的模式分类能力和优良的多维函数映射能力，解决了简单感知器不能解决的异或和一些其他问题。 从结构上讲，BP网络具有输入层、隐层和输出层；从本质上讲，BP算法就是以网络误差平方为目标函数、采用梯度下降法来计算目标函数的最小值。

二、深入浅出BP神经网络算法的原理

深入浅出BP神经网络算法的原理
相信每位刚接触神经网络的时候都会先碰到BP算法的问题，如何形象快速地理解BP神经网络就是我们学习的高级乐趣了（画外音：乐趣？你在跟我谈乐趣？）
本篇博文就是要简单粗地帮助各位童鞋快速入门采取BP算法的神经网络。
BP神经网络是怎样的一种定义？看这句话：一种按“误差逆传播算法训练”的多层前馈网络。
BP的思想就是：利用输出后的误差来估计输出层前一层的误差，再用这层误差来估计更前一层误差，如此获取所有各层误差估计。 这里的误差估计可以理解为某种偏导数，我们就是根据这种偏导数来调整各层的连接权值，再用调整后的连接权值重新计算输出误差。 直到输出的误差达到符合的要求或者迭代次数溢出设定值。
说来说去，“误差”这个词说的很多嘛，说明这个算法是不是跟误差有很大的关系？
没错，BP的传播对象就是“误差”，传播目的就是得到所有层的估计误差。
它的学习规则是：使用最速下降法，通过反向传播（就是一层一层往前传）不断调整网络的权值和阈值，最后使全误差系数最小。
它的学习本质就是：对各连接权值的动态调整。
拓扑结构如上图：输入层（input），隐层（hidelayer），输出层（output）
BP网络的优势就是能学习和储存大量的输入输出的关系，而不用事先指出这种数学关系。 那么它是如何学习的？
BP利用处处可导的活函数来描述该层输入与该层输出的关系，常用S型函数δ来当作活函数。
我们现在开始有监督的BP神经网络学习算法：
1、正向传播得到输出层误差e
=>输入层输入样本=>各隐层=>输出层
2、判断是否反向传播
=>若输出层误差与期望不符=>反向传播
3、误差反向传播
=>误差在各层显示=>修正各层单元的权值，直到误差减少到可接受程度。
算法阐述起来比较简单，接下来通过数学公式来认识BP的真实面目。
假设我们的网络结构是一个含有N个神经元的输入层，含有P个神经元的隐层，含有Q个神经元的输出层。
这些变量分别如下：
认识好以上变量后，开始计算：
一、用（-1，1）内的随机数初始化误差函数，并设定精度ε，最多迭代次数M
二、随机选取第k个输入样本及对应的期望输出
重复以下步骤至误差达到要求：
三、计算隐含层各神经元的输入和输出
四、计算误差函数e对输出层各神经元的偏导数，根据输出层期望输出和实际输出以及输出层输入等参数计算。
五、计算误差函数对隐层各神经元的偏导数，根据后一层（这里即输出层）的灵敏度（稍后介绍灵敏度）δo(k)，后一层连接权值w，以及该层的输入值等参数计算
六、利用第四步中的偏导数来修正输出层连接权值
七、利用第五步中的偏导数来修正隐层连接权值
八、计算全误差（m个样本，q个类别）
比较具体的计算方法介绍好了，接下来用比较简洁的数学公式来大致地概括这个过程，相信看完上述的详细步骤都会有些了解和悟。
假设我们的神经网络是这样的，此时有两个隐层。
我们先来理解灵敏度是什么？
看下面一个公式：
这个公式是误差对b的一个偏导数，这个b是怎么？它是一个基，灵敏度δ就是误差对基的变化率，也就是导数。
因为?u/?b=1，所以?E/?b=?E/?u=δ，也就是说bias基的灵敏度?E/?b=δ等于误差E对一个节点全部输入u的导数?E/?u。
也可以认为这里的灵敏度等于误差E对该层输入的导数，注意了，这里的输入是上图U级别的输入，即已经完成层与层权值计算后的输入。
每一个隐层第l层的灵敏度为：
这里的“?”表示每个元素相乘，不懂的可与上面详细公式对比理解
而输出层的灵敏度计算方法不同，为：
而最后的修正权值为灵敏度乘以该层的输入值，注意了，这里的输入可是未曾乘以权值的输入，即上图的Xi级别。
对于每一个权值(W)ij都有一个特定的学习率ηIj，由算法学习完成。