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怎么由神经网络拟合经验公式

发布时间:2023-03-29 15:07:08

1. 通过哪些参数看神经网络拟合出来的函数效果神经网络拟合时如何确定隐藏的节点数

主要看均方误差和其百分比(准确率)。假如你拟合出来是ui,计算(yi-ui)^2的平均值,然后计算这个平均值与yi平均值的比(也就是均方误差百分比),当然用1减去这个百分比就是准确率了。一般也会画一幅图,把yi和ui分别用不同的颜色或者符号表示出来握档,直观对比。
拟合时的隐含层节点数目前没有一个通行的公式进行确定,只能凭借经验和试凑。一般情况下,问题的复杂程度(非线性程度和维度)越高,隐含层节点数越多。这里介绍一个小晌皮誉经验:先用不太大的节点数进行预测,如果增加节点数测试集准确宴段率和训练集准确率都有所提升,则应该继续增加。如果增加节点数测试集准确率增加很不明显,而训练集准确率还是有所提升,则不应该继续增加,当前的就是很理想的,继续增加节点数只会起到反效果。

2. 两组数据,用神经网络拟合,训练后,怎么通过这些参数得到函数关系式呀谢谢

这个是做不到的。神经网络的非线性函数拟合是指非线性映射,并非对具体数学表达式进行求解。这也是神经网络的特点,即不需要精确的数学表达式,即可实现许多功能。非线性关系昌闹卖是自然界的普遍特性。大脑的智慧就是一种非线性现耐逗象。人工神经元处于激活或抑制二种不同的状态,这种行为弯戚在数学上表现为一种非线性关系。具有阈值的神经元构成的网络具有更好的性能,可以提高容错性和存储容量。

3. 用MATLAB神经网络进行函数拟合后,拟合的函数表达式有吗

神经网络一般是没有表达式的哈,但是只要你的参数每次都给的一样,在多次运行后它的多次结果会有一定的相似,这就是我们可以用它做拟合后基埋的预测的原理,因为神经网络一般尘锋裂每次初始值都是随机值,所以结果也会有区别的。在表达拟合函数的时候,我们只要要列出它的参数取值及拟合模型即可,例如BP中的losig模型,隐层神经元个数,下降派闭速率采用的方法traindx,学习速率0.05,训练最小误差0.001等等。

4. 神经网络:欠拟合和过拟合

以我们前面讲述的线性回归为例,比如我们在训练集上训练出最优的模型,但是当我们将其使用到测试集时,测试的误差很大,我们该怎么办? 

我们一般采取的措施主要包括以下6种:

增加训练样本的数目(该方法适用于过拟合现象时,解决高方差。一般都是有效的,但是代价较大,如果下面的方法有效,可以优先采用下面的方式);

尝试减少特征的数量(该方法适用于过拟合现象时,解决高方差);

尝试获得更多的特征(该方法适用于欠拟合现象时,解决高偏差);

尝试增加多项式特征(该方法适用于欠拟合现象时,解决高偏差);

尝试减小正则化程度λ(该方法适用于欠拟合现象时,解决高偏差);

尝试增加正则化程度λ(该方法适用于过拟合现象时,解决高方差);

上面的方法不是随机选择,是在合适的情况下(过拟合和欠拟合)选择合适的方法,对于怎么判断一个模型是过拟合还是欠拟合,我们会在下面给出一些机器学习诊断法。

如何对一个假设进行评估?  

我们前面在讲述线性回归和逻辑回归时,只是注重针对训练数据集训练出一个最优的参数,但是我们训练处的模型对于测试集的性能好坏我们没有进行判断,我们只是训练的模型使得损失函数最小,我们前面也讨论过,在训练数据集上损失函数最小并不能代表对于给定的测试数据,测试数据的评估非常准确,比如过拟合现象发生时,那我们如何评价一个假设的好坏呢? 

主要的方法包括两种: 

1.对于简答的模型,我们可以采用将hθ(x)的图像画出,来判断模型的好坏,但是这种方法对于特征变量不是一个时,这种方法很难实现或者不可能实现。例如我们曾经看到过这样的图像,可以通过hθ(x)的图像明显可以看出,该假设存在着过拟合现象。 

2.另一种评估假设的方法为:将原来的数据集分为训练集和测试集,一般我们是从原来的数据集中随机选取(保证训练集和测试集中都含有各种类型的数据)70%的数据作为训练集,剩下的30%的样本作为测试集。同时这种将原来数据集划分为训练集和测试集的方法可以用于帮助特征选择、多项式次数的选择以及正则化参数的选择等。数据集划分的过程如下: 

以上面数据集为例,选取前7个为训练集,后3个为测试集。用前7个数据集做训练训练出一个最优的模型,评价这个训练出的模型的好坏可以使用测试集来进行判断,判断的标准可以使用测试集的损失函数来进行定量的衡量。 

对于回归问题,测试集的损失函数计算公式如下: 

Jtest(θ)=12mtest∑i=1mtest(hθ(x(i)test)−y(i)test)2

而对于分类问题,测试集的损失函数计算公式如下: 

这种测量方式,如果测试样本损失函数很大,则代表训练出的模型泛化能力不好。 

对于分类问题,还有另外一种测量的方式,称为误分类率,它对于每一个测试样本进行计算,计算的公式如下: 

error=1mtest∑i=1mtesterr(hθ(x(i)test),y(i)))

其中, 

模型的选择和交叉验证集:  

上述我们是在模型选择好了之后进行训练的,也就是上述我们都是确定了假设进行训练的,但是我们怎么对模型进行选择呢,这一节我们来讨论一下模型的选择,以及和交叉验证集的关系。 

模型选择主要包括以下内容:1.怎样选择正确的特征来构造学习算法?2.怎样选择学习算法中正则化参数λ?等问题。 

首先我们结合一个例子来引出模型的选择和验证集: 

例如我们有上面十个模型,我们对于给定的数据集选择哪种模型呢?按照我们上面讨论的将数据集划分为训练集和测试集,使用训练集对上述模型进行训练,然后使用测试集来进行选择最佳的模型,比如最优的为第五个模型,但是这并不能衡量这个模型的泛化能力,因为测试集已经用于选择最优的模型,这个模型对于其他未知数据的泛化能力还是未知的。 

所以针对上述问题我们可以将数据集划分为训练集、交叉验证集和测试集。一般情况下,训练集占总样本的60%,交叉验证集占20%,测试集占20%。其中训练集用于训练,交叉验证集用于选择最优的模型,测试集用于测试模型的泛化能力。 

模型选择方法为: 

1. 使用训练集训练10个模型; 

2. 用10个模型分别对交叉验证集计算出交叉验证误差(代价函数的值),其中计算公式为: 

3. 选取交叉验证误差最小的模型作为选择的模型; 

4. 用测试集对选择出的模型计算泛化能力(测试样本的损失函数),计算公式如上文中讨论的一样。

假设对诊断偏差和方差(即过拟合还是欠拟合)的影响  

利用上述方法学习到的算法性能不好一般会有两种情况: 

1.会出现过拟合,也就是所谓的方差很大; 

2.会出现欠拟合,也就是所谓的偏差很大; 

首先应该确定算法性能的不好,是由哪种原因造成的,然后针对不同的情况采取不同的改进策略,可以有效的改进当前的算法。下面我们来讲述一下怎么判断是过拟合还是欠拟合。 

以下面例子为例,来进行讨论: 

我们可以通过绘制出训练集的代价函数和交叉验证验证集的代价函数与方次d的关系来进行判断是上述哪种情况的一种: 

对于训练集,当d较小时,模型的拟合程度不是很好,所以训练样本集的代价函数比较大;随着d的增加,模型的拟合程度不断提高,代价函数不断的减小; 

对于交叉验证集,由于d比较小时,模型的拟合程度不是很好,对于新来的样本预测结果会偏差很大,所以交叉验证集的代价函数在初始阶段会很大,而随着d的增加会出现一个比较好的方次d,使得模型的拟合程度最佳,同时对于新来的样本泛化能力很强,所以会有一个代价函数最小的点出现(该转折点即是模型开始由欠拟合转向过拟合的点),随后随着d的增加,由于过拟合,会存在对新的样本预测结果不良的现象,所以代价函数会逐渐增大。 

当我们绘制出上述曲线时,我们就可以判断出什么时候是过拟合什么时候欠拟合,判断的标准如下: 

1. 当训练误差与交叉验证集误差接近时,并且都很大时,该模型高偏差(欠拟合); 

2. 当训练误差远小于验证集误差时,并且训练误差很小时,该模型高方差(过拟合)。 

判断出该模型是过拟合或者欠拟合之后,然后使用上述提到的过拟合和欠拟合的解决方法,对算法进行改进。

正则化对偏差和方差的影响  

我们前面讲述过正则化可以有效的处理过拟合现象,但是我们上述所说的处理过拟合是在合适的λ情况下,那么λ值的大小对模型的性能是怎样影响的呢?我们采用上述与方次d对性能的影响相同的方式来分析λ的值对性能的影响。 

我们首先选择一系列的λ值,通常λ的选择是0~10之间呈现二倍关系的值(如:0,0.01,0.02,0.04,0.08,0.15,0.32,0.64,1.28,5.26,5.12,10) 

构建方式如下: 

选择λ的方法如下: 

1.使用训练集训练处12个不同程度正则化模型; 

2.用12个模型分别对交叉验证集计算出交叉验证误差; 

3.选择得出交叉验证误差最小的模型; 

4.运用步骤3选出的模型对测试集计算得出推广误差

我们同样可以将训练集和交叉验证集模型的代价函数与λ的值绘制在一张图上。对于训练集、验证集和测试集的代价函数计算公式为: 

需要注意的是,当计算训练集、交叉验证集和测试集误差时,不计算正则项,然后绘制出训练集和交叉验证集代价函数与λ值的关系,如下图所示: 

1. 当λ较小时,训练误差较小(过拟合)而交叉验证集误差较大; 

2. 随着λ的增加(从过拟合到欠拟合的过程),训练集误差逐渐增大(欠拟合),而交叉验证集误差则是先减小后增大。

学习曲线  

学习曲线也是一种可以判断算法是否处于过拟合还是欠拟合的情况,学习曲线是将训练集误差和交叉验证集误差作为训练集实例数量(m)的函数绘制的图像。学习曲先不仅可以帮助我们是不是处于过拟合或者欠拟合,它还可以帮助我们判断是否为了提高算法的性能需要我们收集多的数据。 

假设我们有100行数据,我们从第一行数据开始,逐渐增加数据进行训练,得到每次训练数据的代价函数值。当数据很少时,训练模型能够非常完美的拟合很少的数据,但是训练出的模型却不能泛化其他的数据,所以当数据很少时,训练集的代价函数很小,但是交叉验证集的代价函数很大,随着样本的增加,训练集的代价函数逐渐增大,交叉验证集的代价函数逐渐减小。绘制的曲线如下图所示: 

1. 如何用学习曲线识别欠拟合: 

假设我们的模型处于欠拟合的情况下,拟合曲线如下图所示: 

我们可以看出,无论我们怎样增加样本数据,误差都不会有很大改观。同时在欠拟合的情况下,会出现随着样本的增加,训练集代价函数和交叉验证集代价函数都很大的情况,在这种情况下,就没有必要花费时间在收集数据上了,同时这也是一种判断模型是过拟合还是欠拟合的方法。 

2. 如何使用学习曲线识别过拟合: 

假设我们有一个非常高次的多项式模型(比如最高次项达到100次),并且正则化非常小时,从下图可以看出,当交叉验证集误差远大于训练集误差时,往训练集增加更多数据可以提高模型的效果。 

对于过拟合现象时,会出现训练集代价函数一直都很小(虽然是增加的趋势),但是验证集的损失函数会很大(虽然是减小的趋势),同时训练集代价函数和验证集代价函数相差会很大,可以使用这种方法来判断该模型处于过拟合阶段。

对于神经网络我们在讨论一下过拟合和欠拟合现象:  

使用较小的神经网络,类似于参数较少的情况,容易导致高偏差和欠拟合,但是计算代价小;使用较大的神经网络,类似于参数较多的情况,容易导致高方差和过拟合,虽然计算代价比较大,但是可以通过正则化手段来调整而更加适应数据。 

对于 神经网络的模型选择 :我们一般选择较大的神经网络并采用正则化处理,而不会选择较小的神经网络。 

对于 神经网络隐藏层的层数选择 ,一般我们从一层开始逐渐增加层数,为了更好的选择出最佳的层数,可以针对不同隐藏层层数的神经网络进行训练,然后选择交叉验证集代价函数最小的神经网络。

5. matlab中如何用神经网络求得数据拟合函数

我是做这个方向的,神经网络拟合出的曲线是没有相应的函数的,他是根据许多的权重值,阀值世并和偏置值的训练弯返嫌确定的曲线。埋手还有什么相关问题可以问我,我的QQ378257104。

6. 训练BP神经网络对函数进行拟合

  1. 去掉这一句:[Pn]=tramnmx(P,minp,maxp) 你这一句不开玩笑吗?

  2. ??? Error using ==> network.subsasgn>network_subsasgn at 535
    "layers{1}.transferFcn" cannot be set to non-existing function "tasing'purelin"猜裂.

    这一错误是因为,你漏掉了逗号,而并衡且tansig拼错了,应该是{'tansig','purelin'}


我直接帮你把代码全部改好吧,复制到m文件或命令窗口运行即可:

clc,clear;
P=-pi/2+0.1:pi/10:pi/2-0.1;
T=tan(P);
plot(P,T,'-*');
[Pn,pps]=mapminmax(P,0,1);%p归一化
[Tn,tps]=mapminmax(T,0,1);绝兆做%t归一化
net=newff(minmax(Pn),[51],{'tansig','purelin'},'trainlm');
net.trainParam.show=10;
net.trainParam.lr=0.05;
net.trainParam.epochs=500;
net.trainParam.goal=0.01;
[net,tr]=train(net,Pn,Tn);
r=sim(net,Pn);
r=mapminmax('reverse',r,tps);%反归一化
plot(P,r,'-ro',P,T,'-b*');

7. 神经网络算法

20 世纪五、六⼗年代,科学家 Frank Rosenblatt其受到 Warren McCulloch 和 Walter Pitts早期的⼯作的影响,发明了感知机(Perceptrons)。

⼀个感知器接受⼏个⼆进制输⼊, ,并产⽣⼀个⼆进制输出:

如上图所示的感知机有三个输⼊: 。通常可以有更多或更少输⼊。 我们再引⼊权重: ,衡量输入对输出的重要性。感知机的输出为0 或者 1,则由分配权重后的总和 ⼩于等于或者⼤于阈值决定。和权重⼀样,阈值(threshold)是⼀个实数,⼀个神经元的参数。⽤更精确的代数形式如下:

给三个因素设置权重来作出决定:

可以把这三个因素对应地⽤⼆进制变量 来表⽰。例如,如果天⽓好,我们把

,如果不好, 。类似地,如果你的朋友陪你去, ,否则 。 也类似。

这三个对于可能对你来说,“电影好不好看”对你来说最重要,而天气显得不是那么的重要。所以你会这样分配权值: ,然后定义阈值threshold=5。

现在,你可以使⽤感知器来给这种决策建⽴数学模型。

例如:

随着权重和阈值的变化,你可以得到不同的决策模型。很明显,感知机不是⼈做出决策使⽤的全部模型。但是这个例⼦说明了⼀个感知机如何能权衡不同的依据来决策。这看上去也可以⼤致解释⼀个感知机⽹络有时确实能够做出一些不错的决定。

现在我们队上面的结构做一点变化,令b=-threshold,即把阈值移到不等号左边,变成偏置, 那么感知器的规则可以重写为:

引⼊偏置只是我们描述感知器的⼀个很⼩的变动,但是我们后⾯会看到它引导更进⼀步的符号简化。因此,我们不再⽤阈值,⽽总是使⽤偏置。

感知机是首个可以学习的人工神经网络,它的出现引起的神经网络的第一层高潮。需要指出的是,感知机只能做简单的线性分类任务,而且Minsky在1969年出版的《Perceptron》书中,证明了感知机对XOR(异或)这样的问题都无法解决。但是感知机的提出,对神经网络的发展是具有重要意义的。

通过上面的感知机的观察我们发现一个问题,每个感知机的输出只有0和1,这就意味着有时我们只是在单个感知机上稍微修改了一点点权值w或者偏置b,就可能造成最终输出完全的反转。也就是说,感知机的输出是一个阶跃函数。如下图所示,在0附近的时候,输出的变化是非常明显的,而在远离0的地方,我们可能调整好久参数也不会发生输出的变化。

这样阶跃的跳变并不是我们想要的,我们需要的是当我们队权值w或者偏置b做出微小的调整后,输出也相应的发生微小的改变。这同时也意味值我们的输出不再只是0和1,还可以输出小数。由此我们引入了S型神经元。

S型神经元使用 S 型函数,也叫Sigmoid function函数,我们用它作为激活函数。其表达式如下:

图像如下图所示:

利⽤实际的 σ 函数,我们得到⼀个,就像上⾯说明的,平滑的感知器。 σ 函数的平滑特性,正是关键因素,⽽不是其细部形式。 σ 的平滑意味着权重和偏置的微⼩变化,即 ∆w 和 ∆b,会从神经元产⽣⼀个微⼩的输出变化 ∆output。实际上,微积分告诉我们

∆output 可以很好地近似表⽰为:

上面的式子是⼀个反映权重、偏置变化和输出变化的线性函数。这⼀线性使得我们可以通过选择权重和偏置的微⼩变化来达到输出的微⼩变化。所以当 S 型神经元和感知器本质上是相同的,但S型神经元在计算处理如何变化权重和偏置来使输出变化的时候会更加容易。

有了对S型神经元的了解,我们就可以介绍神经网络的基本结构了。具体如下:

在⽹络中最左边的称为输⼊层,其中的神经元称为输⼊神经元。最右边的,即输出层包含有输出神经元,在图中,输出层只有⼀个神经元。中间层,既然这层中的神经元既不是输⼊也不是输出,则被称为隐藏层。

这就是神经网络的基本结构,随着后面的发展神经网络的层数也随之不断增加和复杂。

我们回顾一下神经网络发展的历程。神经网络的发展历史曲折荡漾,既有被人捧上天的时刻,也有摔落在街头无人问津的时段,中间经历了数次大起大落。

从单层神经网络(感知机)开始,到包含一个隐藏层的两层神经网络,再到多层的深度神经网络,一共有三次兴起过程。详见下图。

我们希望有⼀个算法,能让我们找到权重和偏置,以⾄于⽹络的输出 y(x) 能够拟合所有的 训练输⼊ x。为了量化我们如何实现这个⽬标,我们定义⼀个代价函数:

这⾥ w 表⽰所有的⽹络中权重的集合, b 是所有的偏置, n 是训练输⼊数据的个数,
a 是表⽰当输⼊为 x 时输出的向量,求和则是在总的训练输⼊ x 上进⾏的。当然,输出 a 取决于 x, w和 b,但是为了保持符号的简洁性,我没有明确地指出这种依赖关系。符号 ∥v∥ 是指向量 v 的模。我们把 C 称为⼆次代价函数;有时也称被称为均⽅误差或者 MSE。观察⼆次代价函数的形式我们可以看到 C(w, b) 是⾮负的,因为求和公式中的每⼀项都是⾮负的。此外,代价函数 C(w,b)的值相当⼩,即 C(w; b) ≈ 0,精确地说,是当对于所有的训练输⼊ x, y(x) 接近于输出 a 时。因

此如果我们的学习算法能找到合适的权重和偏置,使得 C(w; b) ≈ 0,它就能很好地⼯作。相反,当 C(w; b) 很⼤时就不怎么好了,那意味着对于⼤量地输⼊, y(x) 与输出 a 相差很⼤。因此我们的训练算法的⽬的,是最⼩化权重和偏置的代价函数 C(w; b)。换句话说,我们想要找到⼀系列能让代价尽可能⼩的权重和偏置。我们将采⽤称为梯度下降的算法来达到这个⽬的。

下面我们将代价函数简化为C(v)。它可以是任意的多元实值函数, 。
注意我们⽤ v 代替了 w 和 b 以强调它可能是任意的函数,我们现在先不局限于神经⽹络的环境。

为了使问题更加简单我们先考虑两个变量的情况,想象 C 是⼀个只有两个变量 和 的函数,我们的目的是找到 和 使得C最小。

如上图所示,我们的目的就是找到局部最小值。对于这样的一个问题,一种方法就是通过微积分的方法来解决,我们可以通过计算导数来求解C的极值点。但是对于神经网络来说,我们往往面对的是非常道的权值和偏置,也就是说v的维数不只是两维,有可能是亿万维的。对于一个高维的函数C(v)求导数几乎是不可能的。

在这种情况下,有人提出了一个有趣的算法。想象一下一个小球从山顶滚下山谷的过程, 我们的⽇常经验告诉我们这个球最终会滚到⾕底。我们先暂时忽略相关的物理定理, 对球体的⾁眼观察是为了激发我们的想象⽽不是束缚我们的思维。因此与其陷进物理学⾥凌乱的细节,不如我们就这样问⾃⼰:如果我们扮演⼀天的上帝,能够构造⾃⼰的物理定律,能够⽀配球体可以如何滚动,那么我们将会采取什么样的运动学定律来让球体能够总是滚落到⾕底呢?

为了更精确地描述这个问题,让我们思考⼀下,当我们在 和 ⽅向分别将球体移动⼀个很⼩的量,即 ∆ 和 ∆ 时,球体将会发⽣什么情况。微积分告诉我们 C 将会有如下变化:

也可以用向量表示为

现在我们的问题就转换为不断寻找一个小于0的∆C,使得C+∆C不断变小。

假设我们选取:

这⾥的 η 是个很⼩的正数(称为学习速率),于是

由于 ∥∇C∥2 ≥ 0,这保证了 ∆C ≤ 0,即,如果我们按照上述⽅程的规则去改变 v,那么 C
会⼀直减⼩,不会增加。

所以我们可以通过不断改变v来C的值不断下降,是小球滚到最低点。

总结⼀下,梯度下降算法⼯作的⽅式就是重复计算梯度 ∇C,然后沿着相反的⽅向移动,沿着⼭⾕“滚落”。我们可以想象它像这样:

为了使梯度下降能够正确地运⾏,我们需要选择合适的学习速率η,确保C不断减少,直到找到最小值。

知道了两个变量的函数 C 的梯度下降方法,我们可以很容易的把它推广到多维。我们假设 C 是⼀个有 m 个变量 的多元函数。 ∆C 将会变为:

其中, ∇C为

∆v为:

更新规则为:

在回到神经网络中,w和b的更新规则为:

前面提到神经⽹络如何使⽤梯度下降算法来学习他们⾃⾝的权重和偏置。但是,这⾥还留下了⼀个问题:我们并没有讨论如何计算代价函数的梯度。这里就需要用到一个非常重要的算法:反向传播算法(backpropagation)。

反向传播算法的启示是数学中的链式法则。

四个方程:

输出层误差方程:

当前层误差方程:

误差方程关于偏置的关系:

误差方程关于权值的关系

算法描述:

检视这个算法,你可以看到为何它被称作反向传播。我们从最后⼀层开始向后计算误差向量δ。这看起来有点奇怪,为何要从后⾯开始。但是如果你认真思考反向传播的证明,这种反向移动其实是代价函数是⽹络输出的函数的结果。为了理解代价随前⾯层的权重和偏置变化的规律,我们需要重复作⽤链式法则,反向地获得需要的表达式。

参考链接: http://neuralnetworksanddeeplearning.com/

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