径向基函数神经网络
课件：6.第7章 径向基函数网络
由三层构成的前向网络 。
➢径向基网络
➢ 第一层为输入层，节点个数等于输入的维数；
➢概率神经网络
➢ 第二层为隐含层，节点个数视问题的复杂度而定； ➢广义回归网络模式分类 ➢ 第三层为输出层，节点个数等于输出数据的维数。 和函数逼近
隐含层是非线性的，采用径向基函数作为基函数，从而将
输入向量空间转换到隐含层空间，使原来线性不可分的问题 变得线性可分，输出层则是线性的。
2.给定一个未知的非线性函数f，总可以选择一组系数，使得网络 对f的逼近是最优的。
1.径向基神经网络的两种结构
正则化网络的一个特点就是：隐含节点的个数等于输入训 练样本的个数。因此如果训练样本的个数N过大，网络的计算 量将是惊人的，从而导致过低的效率甚至根本不可实现。
解决的方案是用Galerkin方法来减少隐含层神经单元的个
4.概率神经网络
PNN网络的优点 ➢训练容易，收敛速度快，从而非常适用于实时处理。
➢ 可以实现任意的非线性逼近，用PNN网络所形成的判决曲面 与贝叶斯最优准则下的曲面非常接近。
➢ 只要有充足的样本数据，概率神经网络都能收敛到贝叶斯分 类器，没有BP网络的局部极小值问题
➢ 扩充性能好。网络的学习过程简单，增加或减少类别模式时 不需要重新进行长时间的训练学习
➢ 多层感知器对非线性映射全局逼近 ，径向基函数局部逼近
Ф0=1 Ф0
x1
w0J w01
x2
Ф1 w1J w11
y1
...
...
wi1
wI1
x3
Фi wiJ
...
yJ
wIJ
ФI xM
4.概率神经网络
概率神经网络（Probabilistic Neural Networks，PNN）在模式 分类问题中获得了广泛应用 。
径向基函数神经网络模型及其在预测系统中的应用
径向基函数神经网络模型及其在预测系统中的应用传统的神经网络模型在处理非线性问题时存在一定的限制，而径向基函数神经网络（Radial Basis Function Neural Network，RBFNN）模型则能够有效地处理这类问题。
本文将介绍径向基函数神经网络模型的基本原理，并探讨其在预测系统中的应用。
1. 径向基函数神经网络模型的基本原理径向基函数神经网络模型是一种三层前馈神经网络，包含输入层、隐含层和输出层。
该模型通过将输入向量映射到高维特征空间，并利用径向基函数对输入数据进行非线性变换。
其基本原理如下：1.1 输入层：输入层接收原始数据，并将其传递给隐含层。
1.2 隐含层：隐含层中的神经元使用径向基函数对输入数据进行非线性变换。
径向基函数通常采用高斯函数，其形式为：φ(x) = exp(-(x-c)^2/2σ^2)其中，x为输入向量，c为径向基函数的中心，σ为径向基函数的宽度。
隐含层神经元的输出由径向基函数计算得到，表示了输入数据距离每个径向基函数中心的相似度。
1.3 输出层：输出层根据隐含层的输出和相应的权值进行计算，并生成最终的预测结果。
2. 径向基函数神经网络模型在预测系统中的应用径向基函数神经网络模型在各种预测系统中具有广泛的应用，包括金融预测、气象预测、股票价格预测等。
2.1 金融预测径向基函数神经网络模型能够对金融市场进行有效预测，例如股票价格、外汇汇率等。
通过输入历史数据，可以训练神经网络模型，利用其中的非线性变换能力来预测未来的价格走势。
实验表明，基于径向基函数神经网络模型的金融预测系统能够提供较高的准确度和稳定性。
2.2 气象预测径向基函数神经网络模型在气象预测中的应用也取得了良好的效果。
通过输入历史气象数据，神经网络模型可以学习到不同变量之间的关系，并预测未来的天气情况。
与传统的统计模型相比，径向基函数神经网络模型能够更好地捕捉到非线性因素对气象变化的影响，提高了预测的准确性。
径向基神经网络RBF介绍
径向基神经网络RBF介绍径向基神经网络（Radial Basis Function Neural Network，以下简称RBF神经网络）是一种人工神经网络模型。
它以径向基函数为激活函数，具有快速学习速度和较高的逼近能力，被广泛应用于函数逼近、模式识别、时间序列预测等领域。
下面将详细介绍RBF神经网络的基本原理、结构和学习算法。
1.基本原理：RBF神经网络由输入层、隐藏层和输出层组成。
输入层接收外部输入数据，隐藏层由一组径向基函数组成，输出层计算输出值。
其基本原理是通过适当的权值与径向基函数的线性组合，将输入空间映射到高维特征空间，并在该空间中进行线性回归或分类。
RBF神经网络的关键在于选择合适的径向基函数和隐藏层节点的中心点。
2.网络结构：隐藏层是RBF神经网络的核心，它由一组径向基函数组成。
每个径向基函数具有一个中心点和一个半径。
典型的径向基函数有高斯函数和多项式函数。
高斯函数的形式为：φ(x) = exp(-β*，x-c，^2)其中，β为控制函数衰减速度的参数，c为径向基函数的中心点，x为输入向量。
隐藏层的输出由输入向量与每个径向基函数的权值进行加权求和后经过激活函数得到。
输出层通常采用线性激活函数，用于输出预测值。
3.学习算法：RBF神经网络的学习算法包括两个步骤：网络初始化和权值训练。
网络初始化时需要确定隐藏层节点的中心点和半径。
常用的方法有K-means 聚类和最大极大算法。
权值训练阶段的目标是通过输入样本和对应的目标值来调整权值，使得网络的输出尽可能接近目标值。
常用的方法有最小均方误差算法（Least Mean Square，LMS）和最小二乘法。
最小均方误差算法通过梯度下降法修改权值，使网络输出的均方误差最小化。
最小二乘法则通过求解线性方程组得到最优权值。
在训练过程中，需要进行误差反向传播，根据输出误差调整权值。
4.特点与应用：RBF神经网络具有以下特点：-输入输出非线性映射能力强，可以逼近复杂的非线性函数关系；-学习速度较快，只需通过非线性映射学习输出函数，避免了反向传播算法的迭代计算；-具有较好的泛化能力，对噪声和异常数据有一定的鲁棒性。
3.6 径向基函数神经网络模型与学习算法
2.5.3 RBF网络学习算法的MATLAB实现
newrb() 功能
建立一个径向基神经网络
格式
net = newrb(P，T，GOAL，SPREAD，MN，DF)
说明
P为输入向量，T为目标向量，GOAL为圴方误差， 默认为0，SPREAD为径向基函数的分布密度，默 认为1，MN为神经元的最大数目，DF为两次显示 之间所添加的神经元神经元数目。
I w ij exp d 2 X k ti max
2
2.5.3 RBF网络学习算法的MATLAB实现
RBF网络的MATLAB函数及功能
函 数 名 newrb() newrbe() newgrnn() newpnn() 功 能 新建一个径向基神经网络 新建一个严格的径向基神经网络 新建一个广义回归径向基神经网络 新建一个概率径向基神经网络
2.5.3 RBF网络学习算法的MATLAB实现
newrbe() 功能
建立一个严格的径向基神经网络,严格是指径向基 神经网络的神经元的个数与输入值的个数相等。
格式 (1) 说明
net = newrb(P，T， SPREAD)
各参数的含义见Newrb。
2.5.3 RBF网络学习算法的MATLAB实现
训练样本集X=[X1,X2,…,Xk,…,XN]T, 任一训练样本Xk=[xk1,xk2,…,xkm,…,xkM] ； 对应的实际输出为Yk=[Yk1, Yk2,…, Ykj,…, YkJ] 期望输出为dk=[dk1, dk2,…, dkj,…, dkJ] ；
；
当输入训练样本Xk时，第j个输出神经元的实际输出为：
GX k , X i G X k X i
1 2 Xi= [xi1,xi2,…,xim,…,xiM] exp Xk Xi 2 2 i 1 M 2 xkm xim exp 2 2 m 1 i
径向基函数（RBF）神经网络
径向基函数（RBF）神经⽹络RBF⽹络能够逼近任意的⾮线性函数，可以处理系统内的难以解析的规律性，具有良好的泛化能⼒，并有很快的学习收敛速度，已成功应⽤于⾮线性函数逼近、时间序列分析、数据分类、模式识别、信息处理、图像处理、系统建模、控制和故障诊断等。
简单说明⼀下为什么RBF⽹络学习收敛得⽐较快。
当⽹络的⼀个或多个可调参数（权值或阈值）对任何⼀个输出都有影响时，这样的⽹络称为全局逼近⽹络。
由于对于每次输⼊，⽹络上的每⼀个权值都要调整，从⽽导致全局逼近⽹络的学习速度很慢。
BP⽹络就是⼀个典型的例⼦。
如果对于输⼊空间的某个局部区域只有少数⼏个连接权值影响输出，则该⽹络称为局部逼近⽹络。
常见的局部逼近⽹络有RBF⽹络、⼩脑模型（CMAC）⽹络、B样条⽹络等。
径向基函数解决插值问题完全内插法要求插值函数经过每个样本点，即。
样本点总共有P个。
RBF的⽅法是要选择P个基函数，每个基函数对应⼀个训练数据，各基函数形式为，由于距离是径向同性的，因此称为径向基函数。
||X-X p||表⽰差向量的模，或者叫2范数。
基于为径向基函数的插值函数为：输⼊X是个m维的向量，样本容量为P，P>m。
可以看到输⼊数据点X p是径向基函数φp的中⼼。
隐藏层的作⽤是把向量从低维m映射到⾼维P，低维线性不可分的情况到⾼维就线性可分了。
将插值条件代⼊：写成向量的形式为，显然Φ是个规模这P对称矩阵，且与X的维度⽆关，当Φ可逆时，有。
对于⼀⼤类函数，当输⼊的X各不相同时，Φ就是可逆的。
下⾯的⼏个函数就属于这“⼀⼤类”函数：1）Gauss（⾼斯）函数2）Reflected Sigmoidal（反常S型）函数3）Inverse multiquadrics（拟多⼆次）函数σ称为径向基函数的扩展常数，它反应了函数图像的宽度，σ越⼩，宽度越窄，函数越具有选择性。
完全内插存在⼀些问题：1）插值曲⾯必须经过所有样本点，当样本中包含噪声时，神经⽹络将拟合出⼀个错误的曲⾯，从⽽使泛化能⼒下降。
径向基函数神经网络课件
小批量梯度下降算法
01
总结词
小批量梯度下降算法是一种折中的方法，每次使用一小批 样本来更新模型参数，既保持了计算量小的优点，又提高 了模型的稳定性。
02 03
详细描述
小批量梯度下降算法的核心思想是在每次迭代时，随机选 择一小批样本来计算损失函数，并使用梯度下降法或其他 优化方法来更新模型参数。这种方法可以平衡计算量和训 练时间的关系，同时提高模型的稳定性。
径向基函数神经网络课件
目 录
• 径向基函数神经网络概述 • 径向基函数神经网络的基本结构 • 径向基函数神经网络的学习算法 • 径向基函数神经网络的优化策略 • 径向基函数神经网络的实现细节 • 径向基函数神经网络的实例展示 • 总结与展望
01
径向基函数神经网络概述
神经网络简介
神经网络的定义
神经网络是一种模拟人脑神经元网络结构的计算模型，通过学习样 本数据来自动提取特征和规律，并完成分类、回归等任务。
02 03
详细描述
随机梯度下降算法的核心思想是在每次迭代时，随机选择一个样本来计 算损失函数，并使用梯度下降法或其他优化方法来更新模型参数。这种 方法可以大大减少计算量和训练时间。
优缺点
随机梯度下降算法的优点是计算量小，训练时间短，适用于大规模数据 集。但是，由于只使用一个样本进行更新，可能会造成模型训练的不稳 定，有时会出现训练效果不佳的情况。
2
输出层的节点数通常与输出数据的维度相等。
3
输出层的激活函数通常采用线性函数或softmax 函数。
训练过程
01
神经网络的训练过程是通过反向 传播算法实现的。
02
通过计算损失函数对网络权重的 梯度，更新权重以减小损失函数
径向基函数神经网络
11
径向基函数神经网络
内容提要
• 6.1 概述
• 6.2 径向基函数数学基础 • 6.3 径向基函数网络结构 • 6.4 RBF网络算法分析
RBF神经网络
• 径向基函数神经网络（radial basis function neural network，RBFNN） • RBF神经网络是基于人脑的神经元细胞对外界 反应的局部性而提出的新颖的、有效的前馈式 神经网络，具有良好的局部逼近特性。它的数 学理论基础成形于1985年由Powell首先提出的 多变量插值的径向基函数，1988年被 Broomhead和Lowe应用到神经网络设计领域 ，最终形成了RBF神经网络。
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RBFNN的结构
RBFNN的Matlab实现
clear all clc x=0:0.1:5; y=sqrt(x); net=newrb(x,y); t=sim(net,x); plot(x,y-t,'+-') figure x1=5:0.1:9; y1=sqrt(x1); t1=sim(net,x1); plot(x1,y1-t1,'*-')
7
RBF神经网络的学习算法
RBF神经网络的学习算法分为两步：
第一步是确定隐含层神经元数目、中心和 宽度，第二步是确定隐含层和输出层之间的连 接权值。 径向基函数中心的选取方法主要有随机选 取法、K-均值聚类算法、梯度训练方法和正交 最小二乘法等。隐含层和输出层之间的连接权 值的训练方法主要包括最小均方差、递推最小 方差、扩展卡尔曼滤波等方法。
4
RBFNN的结构
图8.1 RBF神经网络的结构
5常用的Biblioteka 向基函数• 高斯函数（Gaussian Function）
RBF（径向基）神经网络
RBF（径向基）神经⽹络 只要模型是⼀层⼀层的，并使⽤AD/BP算法，就能称作 BP神经⽹络。
RBF 神经⽹络是其中⼀个特例。
本⽂主要包括以下内容：什么是径向基函数RBF神经⽹络RBF神经⽹络的学习问题RBF神经⽹络与BP神经⽹络的区别RBF神经⽹络与SVM的区别为什么⾼斯核函数就是映射到⾼维区间前馈⽹络、递归⽹络和反馈⽹络完全内插法⼀、什么是径向基函数 1985年，Powell提出了多变量插值的径向基函数（RBF）⽅法。
径向基函数是⼀个取值仅仅依赖于离原点距离的实值函数，也就是Φ（x）=Φ(‖x‖),或者还可以是到任意⼀点c的距离，c点称为中⼼点，也就是Φ（x，c）=Φ(‖x-c‖)。
任意⼀个满⾜Φ（x）=Φ(‖x‖)特性的函数Φ都叫做径向基函数，标准的⼀般使⽤欧⽒距离（也叫做欧式径向基函数），尽管其他距离函数也是可以的。
最常⽤的径向基函数是⾼斯核函数 ,形式为 k(||x-xc||)=exp{- ||x-xc||^2/(2*σ)^2) } 其中x_c为核函数中⼼,σ为函数的宽度参数 , 控制了函数的径向作⽤范围。
⼆、RBF神经⽹络 RBF神将⽹络是⼀种三层神经⽹络，其包括输⼊层、隐层、输出层。
从输⼊空间到隐层空间的变换是⾮线性的，⽽从隐层空间到输出层空间变换是线性的。
流图如下： RBF⽹络的基本思想是：⽤RBF作为隐单元的“基”构成隐含层空间，这样就可以将输⼊⽮量直接映射到隐空间，⽽不需要通过权连接。
当RBF的中⼼点确定以后，这种映射关系也就确定了。
⽽隐含层空间到输出空间的映射是线性的，即⽹络的输出是隐单元输出的线性加权和，此处的权即为⽹络可调参数。
其中，隐含层的作⽤是把向量从低维度的p映射到⾼维度的h，这样低维度线性不可分的情况到⾼维度就可以变得线性可分了，主要就是核函数的思想。
这样，⽹络由输⼊到输出的映射是⾮线性的，⽽⽹络输出对可调参数⽽⾔却⼜是线性的。
⽹络的权就可由线性⽅程组直接解出，从⽽⼤⼤加快学习速度并避免局部极⼩问题。
径向基函数神经网络的训练与预测
径向基函数神经网络的训练与预测近年来，人工智能技术的快速发展使得神经网络成为了热门的研究领域之一。
径向基函数神经网络（Radial Basis Function Neural Network，简称RBFNN）作为一种非常有效的神经网络模型，被广泛应用于各种领域的训练与预测任务中。
RBFNN是一种前向反馈神经网络，其神经元模型的激活函数采用径向基函数。
径向基函数是一种基于距离的非线性函数，常用的径向基函数有高斯函数、多项式函数等。
RBFNN的训练与预测过程相对简单，但却能够提供较高的准确性和泛化能力。
在RBFNN的训练过程中，首先需要确定网络的结构。
网络结构包括输入层、隐藏层和输出层。
输入层接收外部数据，并将其传递给隐藏层。
隐藏层中的神经元使用径向基函数计算输入数据与神经元中心之间的距离，并将计算结果作为激活函数的输入。
输出层根据隐藏层的输出进行计算，并产生最终的预测结果。
确定网络结构后，接下来需要进行权重的训练。
权重的训练过程可以通过最小二乘法、梯度下降法等方法进行。
最小二乘法是一种常用的训练方法，它通过最小化预测结果与实际结果之间的误差来调整权重。
梯度下降法则是一种迭代的优化算法，通过不断调整权重来最小化损失函数。
RBFNN的预测过程相对简单，只需要将输入数据传递给网络，并根据输出层的结果进行预测。
由于RBFNN具有较强的非线性拟合能力，因此在许多实际应用中取得了良好的效果。
例如，在股票市场的预测中，RBFNN能够根据历史数据和市场情况准确预测未来的股价走势。
除了股票市场预测外，RBFNN还被广泛应用于其他领域，如医学诊断、图像识别、语音识别等。
在医学诊断中，RBFNN可以根据患者的病历数据和临床特征，准确预测患者是否患有某种疾病。
在图像识别中，RBFNN可以通过学习大量图像数据，实现对图像内容的准确分类和识别。
在语音识别中，RBFNN可以根据语音信号的频谱特征，实现对语音内容的准确识别和理解。
径向基神经网络的介绍及其案例实现
径向基神经网络的介绍及其案例实现径向基（RBF）神经网络是一种常用的人工神经网络模型，它以径向基函数作为激活函数来进行模式分类和回归任务。
该网络在模式识别、函数逼近、数据挖掘等领域都具有良好的性能，并且具有较好的泛化能力。
引言：径向基（RBF）神经网络最早是由Broomhead和Lowe于1988年引入的，它是一种前馈式神经网络。
RBF神经网络的主要思想是以输入向量与一组高斯函数的基函数作为输入层，然后再通过隐藏层进行特征映射，最后通过输出层进行模式分类或回归。
1.RBF神经网络的结构：RBF神经网络包括输入层、隐藏层和输出层三层。
输入层负责接收输入向量，隐藏层负责特征映射，输出层负责输出结果。
输入层：输入层接收具有所要分类或回归的特征的数据，通常使用欧几里德距离计算输入层的神经元与输入向量之间的距离。
隐藏层：隐藏层是RBF神经网络的核心部分，它通过一组径向基函数来进行特征映射。
隐藏层的神经元数量通常和训练样本数量相同，每个神经元负责响应一个数据样本。
输出层：输出层根据隐藏层的输出结果进行模式分类或回归预测，并输出网络的最终结果。
2.RBF神经网络的训练：RBF神经网络的训练主要包括两个步骤：聚类和权值调整。
聚类：首先通过K-means等聚类算法将训练样本划分为若干个类别，每个类别对应一个隐藏层神经元。
这样可以将输入空间划分为若干个区域，每个区域中只有一个样本。
权值调整：通过最小化残差误差或最小化目标函数来优化隐藏层和输出层的权值。
常用的优化算法有最小二乘法、梯度下降法等。
3.RBF神经网络的案例实现：案例1：手写数字识别案例2：股票市场预测RBF神经网络也可以应用于股票市场的预测。
该案例中，RBF神经网络接收一组与股票相关的指标作为输入，通过隐藏层的特征映射将指标转化为更有意义的特征表示，最后通过输出层进行未来股价的回归预测。
该系统的训练样本为历史股票数据以及与之对应的未来股价。
结论：径向基（RBF）神经网络是一种应用广泛且效果良好的人工神经网络模型。
径向基函数神经网络模型及其在预测系统中的应用
径向基函数神经网络模型及其在预测系统中的应用概述：径向基函数神经网络(Radial Basis Function Neural Network, RBFNN)是一种基于神经网络的非线性模型，具有广泛的应用领域。
在预测系统中，RBFNN能够准确预测未知输入与输出之间的关系，从而为预测问题的解决提供了有效的方法。
一、径向基函数神经网络模型的基本原理1.1 RBFNN的结构径向基函数神经网络由输入层、隐含层和输出层构成。
输入层接受原始数据，隐含层通过径向基函数对输入数据进行转换，输出层将转换后的数据映射到期望的输出。
1.2 径向基函数的选择径向基函数的选择对RBFNN的性能有重要影响。
常用的径向基函数有高斯函数、多项式函数和细分函数等。
根据问题的需求和特点选择合适的径向基函数，以提高模型的预测能力。
1.3 模型的训练与优化通过使用已知输入与输出的训练数据，结合误差反向传播算法，可以对RBFNN的参数进行学习和优化。
训练的目标是使得模型的输出与实际输出之间的误差最小化，从而提高预测的准确性。
二、径向基函数神经网络模型在预测系统中的应用2.1 股票市场预测股票市场价格的预测一直是金融领域的研究热点。
RBFNN通过学习历史价格与因素的关系，能够预测未来的股票价格走势。
通过准确的预测，投资者可以做出更明智的决策，提高投资回报率。
2.2 污染物浓度预测环境污染是当今社会面临的严重问题之一。
RBFNN可以利用区域内的环境数据，如气象数据、监测数据等，预测出某个时刻某地区的污染物浓度。
这有助于预警系统的建立，提前采取措施避免污染的扩散。
2.3 交通流量预测交通流量的预测在城市交通管理中具有重要意义。
通过收集历史交通流量和相关影响因素的数据，RBFNN能够准确预测未来某个时间段某条道路的交通流量。
这有助于交通规划和拥堵疏导的决策。
2.4 预测市场需求在制造业和零售业等领域，准确预测市场的需求对企业决策具有重要影响。
RBFNN可以通过学习历史销售数据和市场因素的关系，预测未来某段时间内产品的需求量。
径向基（Radialbasisfunction）神经网络、核函数的一些理解
径向基（Radialbasisfunction）神经⽹络、核函数的⼀些理解径向基函数(RBF)在神经⽹络领域扮演着重要的⾓⾊，如RBF神经⽹络具有唯⼀最佳逼近的特性，径向基作为核函数在SVM中能将输⼊样本映射到⾼维特征空间，解决⼀些原本线性不可分的问题。
本⽂主要讨论：1. 先讨论核函数是如何把数据映射到⾼维空间的，然后引⼊径向基函数作核函数，并特别说明⾼斯径向基函数的⼏何意义，以及它作为核函数时为什么能把数据映射到⽆限维空间。
2.提到了径向基函数，就继续讨论下径向基函数神经⽹络为什么能⽤来逼近。
再看这⽂章的时候，注意核函数是⼀回事，径向基函数是另⼀回事。
核函数表⽰的是⾼维空间⾥由于向量内积⽽计算出来的⼀个函数表达式(后⾯将见到)。
⽽径向基函数是⼀类函数，径向基函数是⼀个它的值(y)只依赖于变量(x)距原点距离的函数，即；也可以是距其他某个中⼼点的距离，即. . 也就是说，可以选定径向基函数来当核函数，譬如SVM⾥⼀般都⽤⾼斯径向基作为核函数，但是核函数不⼀定要选择径向基这⼀类函数。
如果感觉这段话有点绕没关系，往下看就能慢慢体会了。
为什么要将核函数和RBF神经⽹络放在⼀起，是希望学习它们的时候即能看到它们的联系⼜能找到其差别。
⼀.由⾮线性映射引⼊核函数概念，之后介绍⾼斯径向基及其⼏何意义。
预先规定是⼀个⾮线性映射函数,能够把空间中任⼀点,映射到空间中。
下⾯先⽤⼀个例⼦说明这种映射的好处。
例：假设⼆维平⾯上有⼀些系列样本点,他们的分布近似是⼀个围绕着原点的圆（见图1）。
那么在这个⼆维的样本空间⾥，这些样本点满⾜的曲线⽅程为：如果设⾮线性映射为：那么在映射后的的空间⾥，曲线⽅程变成了：这意味着在新空间⾥，样本点是分布在⼀条近似直线上的，⽽不是之前的圆，很明显这是有利于我们的。
图1.左图为原来的x所在的⼆维空间，右图为映射后的新的y空间继续这个例⼦，我们已经知道了映射关系，那么在y空间中的向量内积会是什么样⼦的呢？注意公式⾥的各种括号。
rbf神经网络原理
rbf神经网络原理
RBF神经网络，即径向基函数神经网络，是一种常用的神经网络模型。
它的核心思想是通过选择合适的基函数来近似非线性函数关系，从而实现对复杂模式的学习与分类。
RBF神经网络由三层组成：输入层，隐含层和输出层。
输入层接收外部输入的数据，每个输入节点对应一个特征。
隐含层是RBF神经网络的核心，其中的每个神经元都是一个径向基函数。
在隐含层中，每个神经元都有一个中心向量和一个标准差，用于确定其基函数的形状和大小。
通过计算输入向量与神经元中心之间的距离，再经过基函数的转换，即可得到神经元的输出。
输出层是整个神经网络的分类器，它通常采用线性组合来产生最终的输出。
常见的方法是采用最小均方误差（MSE）准则函数来训练神经网络，通过调整神经元中心和标准差的参数，以最小化实际输出与期望输出之间的误差。
RBF神经网络具有以下优点：
1. 相较于传统的前馈神经网络，RBF神经网络对线性可分和线性不可分问题的逼近能力更强。
2. RBF神经网络的训练速度较快，且容易实现并行计算。
3. 网络结构简单，参数少，不容易出现过拟合问题。
4. 对于输入输出空间中的噪声和干扰具有较强的鲁棒性。
总而言之，RBF神经网络通过径向基函数的选取，能够有效地近似非线性函数，并在模式分类等任务中取得较好的结果。
径向基函数神经网络RBF与BP神经网络
3.把一切把一切问题的特征都变为数字，把一切推理 都变为数值计算，其结果势必是丢失信息。
BP神经元模型
RBF隐层神经元模型
P1 P2
பைடு நூலகம்
w1，1
P3
n
fa
PR-1 PR
w1，R
R(|| dist ||) e||dist||2
a=f(wp+b)
传递函数：A=logsig(n) A=tansig(n) A=purelin(n)
激活函数：
注：|| dist || 是输入向量和 权值向量之间的欧氏距离
神经元的数据中心即为样本本身，参数设计只需考虑扩展 常数和输出节点的权值。
当采用广义RBF网络结构时，RBF网络的学习算法应该解决 的问题包括：如何确定网络隐节点数，如何确定各径向基 函数的数据中心及扩展常数，以及如何修正输出权值。
RBF网络学习算法的MATLAB实现
RBF网络常用函数表
函数名
功能
径向基函数神经网络
神经网络基础知识
工作原理：模拟生物大脑神经处理信息的方式 构成：大量简单的基本元件——神经元相互连接 功能：进行信息的并行处理和非线性转化 本质：就是利用计算机语言模拟人类大脑做决定
的过程。
神经元结构模型
输入信号
x1
x2
x3 xj
ij
xn
阈值
yi
i
输出值 与神经元xj的连接权值
使用这些数据 实现回归公式
RBF与BP神经网络的比较
从网络结构上比较： 传递函数不同；神经元层数可能不同；RBF 网络隐层神经元个数可以确定，BP网络不 易确定。
RBF神经网络的函数逼近能力及其算法
RBF神经网络的函数逼近能力及其算法RBF（径向基函数）神经网络是一种用于函数逼近的非线性神经网络模型。
它具有强大的函数逼近能力，并且在许多领域中被广泛应用。
RBF神经网络由输入层、隐含层和输出层组成，其中隐含层是其核心组成部分。
隐含层包含一组径向基函数，这些函数将输入映射到一组隐含单元上。
每个隐含单元使用一个径向基函数计算输出，这个函数是以该隐含单元为中心的高斯函数。
RBF神经网络的函数逼近能力还受到其隐藏单元数量和径向基函数的选择的影响。
隐含单元的数量越多，网络的逼近能力越强，但也容易导致过拟合。
同时，选择适当的径向基函数也是至关重要的。
常见的径向基函数包括高斯函数、多项式函数和sigmoid函数，它们具有不同的特点和适用范围。
RBF神经网络的训练算法通常使用两个步骤：聚类和最小二乘法。
聚类步骤用于确定隐含单元的位置，最小化输入数据点与隐含单元之间的距离。
常用的聚类算法有K-means算法和自组织映射算法。
最小二乘法步骤用于确定径向基函数的参数，以最小化训练数据点与神经网络输出之间的误差。
这可以通过线性回归或最小二乘法来实现。
总之，RBF神经网络具有强大的函数逼近能力，可以逼近任意复杂的非线性函数。
其核心算法包括聚类和最小二乘法，通过确定隐含单元和径向基函数的参数来实现函数逼近。
这使得RBF神经网络在多个领域中得到广泛应用，包括模式识别、时间序列预测、图像处理等。
04第四章___径向基函数神经网络
图 4.3
RBF 网的工作原理
4.2
RBＦ网的生理学基础
事实上，RBF网的隐节点的局部特性主要是模仿了某些生物神经元的“内兴奋外抑制” （on-center off-surround）功能，灵长类动物的的视觉系统中就有这样的神经元。下面 简要介绍人眼接收信息的过程并介绍近兴奋－远抑制功能。 眼是人接收来自外部信息的最主要的接收器官。外界物体的光线射入眼中，聚焦后 在视网膜上成像，视网膜发出神经冲动达到大脑皮层视区，产生视觉。在所有的感官系 统中，视网膜的结构最复杂。视网膜为感光系统，能感受光的刺激，发放神经冲动。它 不仅有一级神经元(感光细胞)， 还有二级神经元(双极细胞)和三级神经无(神经节细胞)。
（ 4.10）
该函数体现了期望响应与实际响应之间的距离。而所谓的正则化方法[Tikh1977]，是指 在标准误差项基础上增加了一个限制逼近函数复杂性的项 （正则化项） ， 该正则化项体现 逼近函数的“几何”特性：
E R (F ) =
1 DF 2
2
（ 4.11）
其中 D 为线性微分算子。于是正则化方法的总的误差项定义为：
基函数采用距离函数（如欧氏距离） ，并使用径向基函数（如 Gaussian 函数）作为激 活函数。径向基函数关于 n 维空间的一个中心点具有径向对称性，而且神经元的输入离 该中心点越远，神经元的激活程度就越低。隐节点的这一特性常被称为“局部特性” 。 因此 RBF 网的每个隐节点都具有一个数据中心，如图 4.1 中 c i 就是网络中第 i 个隐节 点的数据中心值， ∗ 则表示欧氏范数。 径向基函数 Φ i (⋅) 可以取多种形式，如下面的式（4.1）至式（4.3） ，其曲线形状 如图 4.2 所示。 (1) Gaussian 函数
rbf函数
rbf函数RBF函数，又称为径向基函数（Radial Basis Function），是一类用于替代传统神经网络的非线性因子映射模型。
它对比其他模型而言具有更具有普遍性，以及更快的学习收敛速度。
RBF函数有效地解决了前向传播神经网络中的非线性特性，他使得神经网络学习能力强大，更具有真正的智能化。
RBF函数以其独特性和优点，在机器学习以及神经网络等方面得到了广泛的应用。
RBF函数是基于非线性因子映射的模型，它弥补了传统的前向传播神经网络的不足之处，能够有效的提升神经网络的学习能力。
RBF函数是典型的高斯函数，形式为 e'^(-γ|x-c|^2)，其中，γ 表示 RBF 函数的宽度参数，c 表示 RBF 的中心，x 表示样本点。
RBF函数由此可以将任意大小的特征变换成均匀的特征，从而解决了“输出特征随着输入特征的变化而变化”的问题。
通过给定的样本点，RBF 函数可以有效的生成多个类型的模型，以满足不同的应用需求，如无约束的非线性回归分析、非线性计算以及分类等。
RBF 函数可以实现以给定的高斯参数γ 与 c 将原始数据映射到收敛的高斯函数上，这样就能够有效解决神经网络在任务中所遇到的非线性特征。
此外，RBF 函数也具有很强的收敛性，可以在相对较短的时间内收敛，而且产生的结果还会采用高斯函数的形式，减少模型的复杂性，并可以实现网络的快速收敛。
总之，RBF 函数可以有效的提升神经网络的学习能力，以及改进传统神经网络面临的问题。
它可以应用于多种机器学习应用，如无约束的非线性回归分析、非线性计算以及分类等。
虽然RBF函数有很多优点，但也有一些劣势，如参数敏感性较强、高维空间难以收敛等。
RBF神经网络学习算法
RBF神经网络学习算法RBF（径向基函数）神经网络是一种常用的神经网络模型，其学习算法主要分为两个步骤：网络初始化和参数优化。
本篇文章将详细介绍RBF 神经网络学习算法的原理和步骤。
1.网络初始化（1）选择隐藏层神经元的个数隐藏层神经元的个数决定了网络的复杂度。
一般情况下，隐藏层神经元的个数越多，网络的拟合能力越强。
但是隐藏层神经元个数的选择也受限于样本的数量和特征维度。
（2）选择径向基函数径向基函数用于将输入样本映射到隐藏层，常用的径向基函数有高斯函数、多项式函数等。
高斯函数是最常用的径向基函数，其具有良好的非线性映射性质。
选择合适的径向基函数如高斯函数可以提高网络的拟合能力。
（3）确定径向基函数的参数高斯函数有一个重要参数σ，控制了函数的宽度。
确定适当的σ值可以使得网络在训练过程中收敛更快，提高网络的学习效率。
2.参数优化（1）梯度下降法梯度下降法是一种常用的优化方法，通过不断迭代网络参数来最小化误差函数。
具体步骤如下：a.随机初始化网络的权值和偏置。
b.使用前向传播计算网络的输出。
d.根据误差计算参数的梯度。
e.根据梯度和学习率更新参数。
f.重复b-e直到满足停止准则。
（2）最小二乘法最小二乘法是一种基于最小化误差平方和的优化方法。
具体步骤如下：a.设置误差函数为平方和。
b.对误差函数求偏导，并令导数为0，得到参数的闭式解。
c.使用闭式解更新参数。
3.网络训练与预测（1）网络训练（2）网络预测网络预测是指使用训练好的网络来进行新样本的预测。
给定新样本的特征向量，通过前向传播计算网络的输出，即为网络对该样本的预测结果。
总结：本文首先介绍了RBF神经网络的基本原理和结构，然后详细描述了RBF神经网络的学习算法。
网络初始化包括选择隐藏层神经元个数、径向基函数和参数的确定。
参数优化主要通过梯度下降法和最小二乘法来优化网络的参数。
最后，本文介绍了网络训练和预测的过程。
通过合理选择网络结构和参数，RBF神经网络可以有效地处理非线性问题，具有很好的拟合能力和预测能力。
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入输出映射时，在相同逼近精度要求下，RBF所需的时间要比 MLP少。 具有唯一最佳逼近的特性，无局部极小。 合适的隐层节点数、节点中心和宽度不易确定。
径向基函数（RBF）
1.
Gauss（高斯）函数：r
exp
r2
2 2
2. 3.
反演S型函数： r
径向基函数 取统一的扩展常数
径向基函数的扩展常数 不再统一由训练算法确定
没有设置阈值
输出函数的线性中包含阈值参数， 用于补偿基函数在样本集上的
平均值与目标值之平均值之间的差别。
3.5.1 RBF神经网络模型
径向基神经网络的神经元结构
激活函数采用径向基函数
以输入和权值向量之间的 dis距t 离作为自变量
R ( dist )=e- dist 2
径向基神经网络结构
RBF网络与BP网络比较：
➢RBF网络的输出是隐单元输出的线性加权和， 学习速度加快
➢BP网络使用sigmoid()函数作为激活函数，这 样使得神经元有很大的输入可见区域
➢径向基神经网络使用径向基函数（一般使用 高斯函数）作为激活函数，神经元输入空间区 域很小，因此需要更多的径向基神经元
局部逼近网络 学习速度快，有可能满足有实时性要求的应用
对网络输入空间的某个局 部区域只有少数几个连接 权影响网络的输出，则称
该网络为局部逼近网络
RBF网络的工作原理
函数逼近： 以任意精度逼近任一连续函数。一般函数都可表示成一组 基函数的线性组合，RBF网络相当于用隐层单元的输出构 成一组基函数，然后用输出层来进行线性组合，以完成 逼近功能。
2.网络设计：设计一个径向基函数网络，网络有两层，隐含层 为径向基神经元，输出层为线性神经元。
p=-3:0.1:3; a=radbas(p); figure; plot(p,a) title('径向基传递函数') xlabel('输入p') ylabel('输出a')
grid on % 每一层神经元的权值和阈值都与径向基函数的位置和宽度有关系，输出层的线性神经元将
学习方法分类（按RBF中心选取方法的不同 分）
➢随机选取中心法 ➢自组织选取中心法 ➢有监督选取中心法 ➢正交最小二乘法等
3.5.2 RBF网络的学习算法
自组织选取中心学习方法
➢ 第一步，自组织学习阶段
无导师学习过程，求解隐含层基函数的中心与方差；
➢ 第二步，有导师学习阶段
求解隐含层到输出层之间的权值。
0.4344 -0.5000 -0.3930 -0.1647 0.0988 0.3072 0.3960 0.3449 0.1816 0.0312 -0.2189 -0.3201]; %以输入向量为横坐标，期望值为纵坐标，绘制训练用样本的数据点。 figure; plot(P,T,'+') title('训练样本') xlabel('输入矢量P') ylabel('目标矢量T') grid on %目的是找到一个函数能够满足这21个数据点的输入/输出关系，其中一个方法是通 过构建径向基函数网络来进行曲线拟合
➢说明
各参数的含义见Newrb。
举例：RBF网络实现函数逼近
1.问题的提出：假设如下的输入输出样本，输入向量为[-1 1] 区间上等间隔的数组成的向量P,相应的期望值向量为T。
P=-1:0.1:1; T=[-0.9602 -0.5770 -0.0729 0.3771 0.6405 0.6600 0.4609 0.1336 -0.2013 -
grid on % 应用newb()函数可以快速构建一个径向基神经网络，并且网络自动根据输入向量和期望值
进行调整，从而进行函数逼近，预先设定均方差精度为eg以及散布常数sc。 eg=0.02; sc=1; net=newrb(P,T,eg,sc);
3.网络测试：将网络输出和期望值随输入向量变化 的曲线绘制在一张图上，就可以看出网络设计是否 能够做到函数逼近。 figure; plot(P,T,'+'); xlabel('输入'); X=-1:0.01:1; Y=sim(net,X); hold on; plot(X,Y); hold off; legend('目标','输出') grid on
例2 建立一个径向基神经网络，对非线性函数
y=sqrt(x)进行逼近，并作出网络的逼近误差曲线。
%输入从0开始变化到5，每次变化幅度为0.1 x=0:0.1:5; y=sqrt(x); %建立一个目标误差为0，径向基函数的分布密度为 %0.5，隐含层神经元个数的最大值为20，每增加5个 %神经元显示一次结果 net=newrb(x,y,0,0.5,20,5); t=sim(net,x); %在以输入x和函数值与网络输出之间的差值y-t坐标 %上绘出误差曲线，并用＂*＂来标记函数值与网络输 %出之间的差值 plot(x,y-t,'*-')
广义网络GN
模式分类
基本思想： 用径向基函数作为隐单元的“基”，构成隐含 层空间。隐含层对输入向量进行变换，将低维 空间的模式变换到高维空间内，使得在低维 空间内的线性不可分问题在高维空间内线性可分。
两种模型的比较
RN
隐节点=输入样本数
所有输入样本设为 径向基函数的中心
GN
隐节点＜输入样本数
径向基函数的中心 由训练算法确定
分类： 解决非线性可分问题。RBF网络用隐层单元先将非线性可 分的输入空间设法变换到线性可分的特征空间（通常是高 维空间），然后用输出层来进行线性划分，完成分类功能。
RBF神经网络两种模型
正规化网络RN 通用逼近器
基本思想： 通过加入一个含有解的先验知识的约束来 控制映射函数的光滑性，若输入一输出映射 函数是光滑的，则重建问题的解是连续的， 意味着相似的输入对应着相似的输出。
拟多二次函数：
1
r
1
exp
r2
2
1
r 2 2
1
/
2
σ 称为基函数的扩展常数 或宽度， σ越小，径向基 函数的宽度越小，基函数 就越有选择性。
全局逼近和局部逼近
当神经网络的一个或多个可 调参数(权值和阈值)对任何 一个输出都有影响，则称该 神经网络为全局逼近网络。
全局逼近网络 学习速度很慢，无法满足实时性要求的应用
➢说明
P为输入向量，T为目标向量，GOAL为圴方误 差，默认为0，SPREAD为径向基函数的分布密 度，默认为1，MN为神经元的最大数目，DF为 两次显示之间所添加的神经元神经元数目。
newrbe()
➢功能
建立一个严格的径向基神经网络,严格是指径向基 神经网络的神经元的个数与输入值的个数相等。
➢格式 (1) net = newrb(P，T， SPREAD)
误差曲线和逼近曲线
知识回顾 Knowledge Review
祝您成功！
自组织选取中心算法步骤
➢1.基于K-均值聚类方法求取基函数中心
（1）网络初始化。
随机选取 h个训练样本作为聚类中心ci (i 1, 2, , h) 。
（2）将输入的训练样本集合按最近邻规则分组。
本按的照各x个p与聚中类心集为合ci
之间的欧氏距离将x p分配到输入样
p ( p 1, 2, , P) 中。
➢当RBF的中心点确定后，映射关系也就确定 ➢隐含层空间到输出空间的映射是线性的
RBF网络特点
只有一个隐层，且隐层神经元与输出层神经元的模型不同。 隐层节点激活函数为径向基函数，输出层节点激活函数为线
性函数。 隐层节点激活函数的净输入是输入向量与节点中心的距离
（范数）而非向量内积，且节点中心不可调。 隐层节点参数确定后，输出权值可通过解线性方程组得到。 隐层节点的非线性变换把线性不可分问题转化为线性可分问
RBF学习算法
t RBF学习的三个参数：①基函数的中心 i
②方差（扩展常数） i ③隐含层与输出层间的权值 wij
当采用正归化RBF网络结构时，隐节点数即样本数，基函 数的数据中心即为样本本身，参数设计只需考虑扩展常数 和输出节点的权值。
当采用广义RBF网络结构时，RBF网络的学习算法应该解决 的问题包括：如何确定网络隐节点数，如何确定各径向基 函数的数据中心及扩展常数，以及如何修正输出权值。
3.5径向基函数神经网络模型
概述
1985年，Powell提出了多变量插值的径向基函 数(Radical Basis Function，RBF)方法
1988年， Moody和Darken提出了一种神经网络 结构，即RBF神经网络
RBF网络是一种三层前向网络 RBF网络的基本思想
➢用RBF作为隐单元的“基”构成隐含层空间，将输入 矢量直接(即不需要通过权连接)映射到隐空间
函数名 newrb() newrbe()
功能 新建一个径向基神经网络 新建一个严格的径向基神经网络
newgrnn() 新建一个广义回归径向基神经网络
newpnn() 新建一个概率径向基神经网络
newrb()
➢功能
建立一个径向基神经网络
➢格式
net = newrb(P，T调整聚类中心。
中即计心为算Rc各Bi ，F个神如聚经果类网新集络的合最聚终p类中的中训基心练函不样数再本中发的心生平，变均否化值则，，返则即回所新（得的2到）聚的，类ci
进入下一轮的中心求解。
➢2.求解方差
RBF神经网络的基函数为高斯函数时，方差可由下式求解：
i
cmax 2h
,i
1, 2,
这些径向基函数的权值相加。如果隐含层神经元的数目足够，每一层的权值和阈值正确，那 么径向基函数网络就完全能够精确的逼近任意函数。