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如何驱动神经网络

发布时间:2023-01-25 16:30:21

1. 如何训练神经网络

1、先别着急写代码

训练神经网络前,别管代码,先从预处理数据集开始。我们先花几个小时的时间,了解数据的分布并找出其中的规律。

Andrej有一次在整理数据时发现了重复的样本,还有一次发现了图像和标签中的错误。所以先看一眼数据能避免我们走很多弯路。

由于神经网络实际上是数据集的压缩版本,因此您将能够查看网络(错误)预测并了解它们的来源。如果你的网络给你的预测看起来与你在数据中看到的内容不一致,那么就会有所收获。

一旦从数据中发现规律,可以编写一些代码对他们进行搜索、过滤、排序。把数据可视化能帮助我们发现异常值,而异常值总能揭示数据的质量或预处理中的一些错误。

2、设置端到端的训练评估框架

处理完数据集,接下来就能开始训练模型了吗?并不能!下一步是建立一个完整的训练+评估框架。

在这个阶段,我们选择一个简单又不至于搞砸的模型,比如线性分类器、CNN,可视化损失。获得准确度等衡量模型的标准,用模型进行预测。

这个阶段的技巧有:

· 固定随机种子

使用固定的随机种子,来保证运行代码两次都获得相同的结果,消除差异因素。

· 简单化

在此阶段不要有任何幻想,不要扩增数据。扩增数据后面会用到,但是在这里不要使用,现在引入只会导致错误。

· 在评估中添加有效数字

在绘制测试集损失时,对整个测试集进行评估,不要只绘制批次测试损失图像,然后用Tensorboard对它们进行平滑处理。

· 在初始阶段验证损失函数

验证函数是否从正确的损失值开始。例如,如果正确初始化最后一层,则应在softmax初始化时测量-log(1/n_classes)。

· 初始化

正确初始化最后一层的权重。如果回归一些平均值为50的值,则将最终偏差初始化为50。如果有一个比例为1:10的不平衡数据集,请设置对数的偏差,使网络预测概率在初始化时为0.1。正确设置这些可以加速模型的收敛。

· 人类基线

监控除人为可解释和可检查的损失之外的指标。尽可能评估人的准确性并与之进行比较。或者对测试数据进行两次注释,并且对于每个示例,将一个注释视为预测,将第二个注释视为事实。

· 设置一个独立于输入的基线

最简单的方法是将所有输入设置为零,看看模型是否学会从输入中提取任何信息。

· 过拟合一个batch

增加了模型的容量并验证我们可以达到的最低损失。

· 验证减少训练损失

尝试稍微增加数据容量。

2. 如何建立神经网络模型

人工神经网络有很多种,我只会最常用的BP神经网络。不同的网络有不同的结构和不同的学习算法。
简单点说,人工神经网络就是一个函数。只是这个函数有别于一般的函数。它比普通的函数多了一个学习的过程。
在学习的过程中,它根据正确结果不停地校正自己的网络结构,最后达到一个满意的精度。这时,它才开始真正的工作阶段。
学习人工神经网络最好先安装MathWords公司出的MatLab软件。利用该软件,你可以在一周之内就学会建立你自己的人工神经网络解题模型。
如果你想自己编程实现人工神经网络,那就需要找一本有关的书籍,专门看神经网络学习算法的那部分内容。因为“学习算法”是人工神经网络的核心。最常用的BP人工神经网络,使用的就是BP学习算法。

3. 如何用python和scikit learn实现神经网络

1:神经网络算法简介

2:Backpropagation算法详细介绍

3:非线性转化方程举例

4:自己实现神经网络算法NeuralNetwork

5:基于NeuralNetwork的XOR实例

6:基于NeuralNetwork的手写数字识别实例

7:scikit-learn中BernoulliRBM使用实例

8:scikit-learn中的手写数字识别实例

一:神经网络算法简介

1:背景

以人脑神经网络为启发,历史上出现过很多版本,但最着名的是backpropagation

2:多层向前神经网络(Multilayer Feed-Forward Neural Network)

4. 神经网络如何用单片机实现

主要考虑三个方向:

1)网络本身,神网本质上是一组矩阵,矩阵在单片机中的表现可以通过数组来实现。

2)输入输出,神网的应用就是把输入阵列与网络本身的矩阵点乘叉乘后算术求和,产生输出矩阵,把输入输出的算法做到单片机里也不是难事。

3)训练,神网的权值矩阵都是训练出来的,采用诸如前向或反向的算法,可以做离线也可以做在线,如果做离线就没有必要把算法实现在单片机内,PC上就可以做,然后导入矩阵即可;如果做在线则是相对较难的技术,需要在单片机上实现,对于单片机本身的资源要求也较高。

简单说,1)是基础,也最容易;1)+2)就已经是神经网络的应用了,也容易实现。1)+2)+Matlab神经网络离线训练是易于实现,且富有弹性的应用方式;1)+2)+在线训练基本上就是具备自己学习能力的机器人,这是学术界一直探索的方向。

5. 深层神经网络的超参数调试、正则化及优化

训练集  ( Training set )

       作用是用来拟合模型,通过设置分类器的参数,训练分类模型。后续结合验证集作用时,会选出同一参数的不同取值,拟合出多个分类器。

验证集  ( Dev set )

       作用是当通过训练集训练出多个模型后,为了能找出效果最佳的模型,使用各个模型对验证集数据进行预测,并记录模型准确率。选出效果最佳的模型所对应的参数,即用来调整模型参数。如svm中的参数c和核函数等。

测试集 ( Test set )

       通过训练集和验证集得出最优模型后,使用测试集进行模型预测。用来衡量该最优模型的性能和分类能力。即可以把测试集当做从来不存在的数据集,当已经确定模型参数后,使用测试集进行模型性能评价。

一个有助于理解的形象比喻:

        训练集 ——  课本,学生根据课本里的内容来掌握知识。

        验证集 —— 作业,通过作业可以知道 不同学生学习情况、进步的速度快慢。

        测试集 ——  考试,考的题是平常都没有见过,考察学生举一反三的能力。

        训练集  直接参与了模型调参的过程,显然不能用来反映模型真实的能力(防止课本死记硬背的学生拥有最好的成绩,即防止 过拟合 ) 。

        验证集  参与了人工调参(超参数)的过程,也不能用来最终评判一个模型(刷题库的学生不代表其学习能力强)。

       所以要通过最终的考试 (测试集) 来考察一个学生(模型)真正的能力。

       如何将只有一个包含m个样例的数据集D,产生出训练集S和测试集T(验证集可以省略)?主要有以下三种方法:

自助法 ( bootstrapping )

       给定m个样本的数据集D,我们对它进行采样产生数据集D',每次随机从D中挑选一个样本,将其拷贝入D',然后再将样本放回原始数据集D。显然,该样本在下次采样时任然有可能被采到。这个过程重复m次后,我们就得到了含有m个样本的数据集D',这就是自助采样的结果。         样本有重复采样,也有一次也没有被采到的。从未采到的结果是 ,取极限得到

                                           

因此,使用自助法约有1/3的数据集没有被选中过,它们用于测试,这种方式叫“外包估计”。

       自助法在数据集小,难以划分训练集、测试集的时候有很大的效果,如果数据集足够大的时候,留出法和交叉验证是更好的选择。

留出法 ( hold-out )

       将整个数据集D划分为两个互斥的集合,其中一个作为训练集S,另一个作为测试集T。即,D=S∪T,S∩T=∅。在S上训练出模型,T作为测试集,来评估模型效果。

       当样本数据量较小(10000条左右及以下)时,通常取其中70%作为训练集,30%作为测试集;或60%作为训练集,验证集和测试集各20%。

交叉验证法 ( cross validation )

       如图所示,交叉验证法的实现流程大致如下:

       (1) 将整个数据集分成k个大小相似的子集,即D=D1∪D2∪...∪Dk,Di∩Dj=∅(故又称k折交叉验证法,通常取k=10 )。

       (2) 对于每一个模型Mi,算法执行k次,每次选择一个Sj(1≤j≤k)作为测试集,其它作为训练集来训练模型Mi,把训练得到的模型在Sj上进行测试,这样一来,每次都会得到一个误差E,最后对k次得到的误差求平均,就可以得到模型Mi的泛化误差。

       (3) 算法选择具有最小泛化误差的模型作为最终模型,并且在整个训练集上再次训练该模型,从而得到最终的模型。

       交叉验证的主要的目的是 为了选择不同的模型类型(比如一次线性模型、非线性模型) ,而 不是为了选择具体模型的具体参数 。比如在BP神经网络中,其目的主要为了选择模型的层数、神经元的激活函数、每层模型的神经元个数(即所谓的超参数),每一层网络神经元连接的最终权重是在模型选择(即K折交叉验证)之后,由全部的训练数据重新训练。

       假设这就是数据集,显然用简单分类器(如逻辑回归)并不能很好地拟合上述数据。这种情况称为  欠拟合  。

       相反地,如果采用一个非常复杂的分类器(如深度神经网络或含有隐藏单元的神经网络),拟合效果会非常好。但与此同时,模型的复杂度也会过高,这种称为 过拟合  。

       在两者之间,可能会存在一些复杂程度适中、数据拟合适度的分类器,拟合结果较为合理,称为 适度拟合 。

       如上图所示,训练集误差和验证集误差均较高时为 高偏差(欠拟合)  情况;训练集误差较高,验证集误差较高低时为  高方差(过拟合)  情况。

(1) 如何减小偏差(防止欠拟合)

       ① 增大神经网络规模。

(2) 如何减小方差(防止过拟合)

       ① 增加数据集样本数量;

       ② 正则化。

        参数   是指神经网络中由数据驱动并进行调整的变量,如𝑊和𝑏。

        超参数   是指无需数据驱动,而是在训练前或者训练中人为进行调整的变量。例如算法中的learning rate 𝑎(学习率)、iterations(梯度下降法循环的数量)、𝐿(隐藏层数目)、𝑛[𝑙](隐藏层单元数目)、choice of activation function(激活函数的选择)等都需要人为设置,这些数字实际上控制了最后的参数𝑊和𝑏的值,所以它们被称作超参数。

       神经网络中的超参数主要分为三类:网络参数、优化参数、正则化参数。

​网络参数

       可指网络层与层之间的交互方式(相加、相乘或者串接等)、卷积核数量和卷积核尺寸、网络层数(也称深度)和激活函数等。

优化参数

       一般指学习率(learning rate)、批样本数量(batch size)、不同优化器的参数以及部分损失函数的可调参数等。

正则化参数

       权重衰减系数,随机失活比率(dropout)等。

       正则化有利于减小训练集和验证集准确率的方差,防止过拟合。在无法增加样本数量或增加样本数量的成本过高时,正则化是一种行之有效的方法。

        一般将任意 维向量  的 - 范数定义为

                                                              

       根据定义:

       当 时, 的 范数为 ,表示向量 中非0元素的个数。

       当 时, 的 范数为 ,等于向量 中所有元素的绝对值之和。

        当 时, 的 范数为 ,等于向量 中所有元素的平方和开根号。

       正则化(Regularization) 的主要目的是控制模型复杂度,减小过拟合。最基本的正则化方法是在原目标(代价)函数 中添加惩罚项,对复杂度高的模型进行“惩罚”。

       对于神经网络模型, 正则化即在其代价函数中添加 正则项:

                                  

其中, 。之后再求解优化问题 即可。

       假设某三层神经网络存在过拟合问题,采用dropout正则化会遍历网络的每一层,并设置消除该层中每一个节点的概率(比如0.5),最后得到一个节点更少、规模更小的网络,然后再用反向传播方法进行训练,就能有效防止过拟合。

       最常用的方法是 inverted dropout(反向随机失活) 。对于一个三层神经网络( ),以第三层为例,实施dropout的步骤如下:

① 定义一个三层dropout矩阵d3:

                                     d3=numpy.random.rand(a3.shape[0],a3.shape[1])

其中,a3表示神经网络第三层的激活函数矩阵。

② 设置 ( )的大小。 表示保留某个隐藏单元的概率。将第①步产生的随机矩阵d3的每个元素与 进行比较,小于置1,大于置0,得到新的d3矩阵(1表示保留该节点,0表示删除该节点)。

③ 将a3与新的d3矩阵相乘(矩阵对应元素相乘),得到新的激活函数矩阵:

                                                       a3 =np.multiply(a3,d3)

④ 将新的a3矩阵除以keep-prob:

                                                              a3 /= keep_prob

目的是保证a3的期望值(均值)不变,从而保证第三层的输出不变。

① 使用dropout可以使得部分节点失活,可以起到简化神经网络结构的作用,从而起到正则化的作用。

② 因为dropout是使得神经网络的节点随机失活,这样会让神经网络在训练的时候不会使得某一个节点权重过大。因为该节点输入的特征可能会被清除,所以神经网络的节点不能依赖任何输入的特征。dropout最终会产生收缩权重的平方范数的效果,来压缩权重,达到类似于 正则化的效果。

① dropout在测试阶段不需要使用,因为如果在测试阶段使用dropout可能会导致预测值产生随机变化(因为dropout使节点随机失活)。而且,在训练阶段已经将权重参数除以keep-prob来保证输出的期望值不变,所以在测试阶段没必要再使用dropout。

② 神经网络的不同层在使用dropout的时候,keep-prob可以不同。因为可能有的层参数比较多,比较复杂,keep-prob可以小一些,而对于结构比较简单的层,keep-prob的值可以大一些甚至为1,keep-prob等于1表示不使用dropout,即该层的所有节点都保留。

      加快训练速度。

       对于一个神经网络模型,考虑其代价函数:

                                               

       如果未归一化输入,其代价函数的形状会较为细长狭窄。在这样的代价函数的限制下,为避免陷入局部最优解,梯度下降法的学习率必须设置得非常小。

       如果归一化输入,代价函数便呈现球形轮廓。这种情况下,不论从哪个位置开始梯度下降法,都能使用较大的学习率,从而更快速、直接地找到全局最优解。

      对于包含n个特征的m个样本的数据集,其输入归一化的过程主要分为两步:

① 零均值化

                                                             

                                                            

② 归一化方差

                                                           

                                                              

其中, 代表第 个样本的特征矩阵。

       训练集、验证集、测试集特征矩阵的平均值 和标准差 要保持一致,确保它们归一化后符合同一分布。

6. 如何将动态神经网络和bp网络结合起来

主要是三个方面

首先是网络设备维护使用(如华为这样的网络设备)

其次是网络分析利用(如科来网络分析系统软件等)

最后是网络安全部署(如诺顿、卡巴斯基等)

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