BP神经网络在生存中应用
BP神经网络步骤及应用实例
1、数据归一化2、数据分类,主要包括打乱数据顺序,抽取正常训练用数据、变量数据、测试数据3、建立神经网络,包括设置多少层网络(一般3层以内既可以,每层的节点数(具体节点数,尚无科学的模型和公式方法确定,可采用试凑法,但输出层的节点数应和需要输出的量个数相等),设置隐含层的传输函数等。
关于网络具体建立使用方法,在后几节的例子中将会说到。
4、指定训练参数进行训练,这步非常重要,在例子中,将详细进行说明5、完成训练后,就可以调用训练结果,输入测试数据,进行测试6、数据进行反归一化7、误差分析、结果预测或分类,作图等数据归一化问题归一化的意义:首先说一下,在工程应用领域中,应用BP网络的好坏最关键的仍然是输入特征选择和训练样本集的准备,若样本集代表性差、矛盾样本多、数据归一化存在问题,那么,使用多复杂的综合算法、多精致的网络结构,建立起来的模型预测效果不会多好。
若想取得实际有价值的应用效果,从最基础的数据整理工作做起吧,会少走弯路的。
归一化是为了加快训练网络的收敛性,具体做法是:1 把数变为(0,1)之间的小数主要是为了数据处理方便提出来的,把数据映射到0~1范围之内处理,更加便捷快速,应该归到数字信号处理范畴之内。
2 把有量纲表达式变为无量纲表达式归一化是一种简化计算的方式,即将有量纲的表达式,经过变换,化为无量纲的表达式,成为纯量比如,复数阻抗可以归一化书写:Z = R + jωL = R(1 + jωL/R) ,复数部分变成了纯数量了,没有量纲。
另外,微波之中也就是电路分析、信号系统、电磁波传输等,有很多运算都可以如此处理,既保证了运算的便捷,又能凸现出物理量的本质含义。
神经网络归一化方法:由于采集的各数据单位不一致,因而须对数据进行[-1,1]归一化处理,归一化方法主要有如下几种,供大家参考:1、线性函数转换,表达式如下:复制内容到剪贴板代码:y=(x-MinVal ue)/(MaxVal ue-MinVal ue)说明:x、y分别为转换前、后的值,MaxVal ue、MinVal ue分别为样本的最大值和最小值。
bp神经网络的应用综述
bp神经网络的应用综述近年来,人工神经网络(ANN)作为一种神经网络形式在不断发展,因其计算能力强,对现实世界较好地识别和适应能力,已得到越来越广泛的应用,其中,BP神经网络是最典型的人工神经网络之一。
BP神经网络是指以马尔可夫随机过程为基础的反向传播算法,具有自组织学习、泛化、模糊推理的特点,具有非常广泛的应用场景。
它可以用来解决实际问题。
首先,BP神经网络可以用来解决分类问题。
它可以根据给定的输入向量和输出向量,训练模型以分类相关的输入特征。
这种模型可以用来解决工业控制问题、专家系统任务等。
例如,BP神经网络可以用来识别照片中的面孔,帮助改进自动门的判断等。
此外,BP神经网络还可以用于计算机视觉,即以计算机图像识别的形式进行图像处理。
通常,计算机视觉技术需要两个步骤,即识别和分析。
在识别步骤中,BP神经网络可以被用来识别图片中的特征,例如物体的形状、大小、颜色等;在分析步骤中,BP神经网络可以用来分析和判断图片中的特征是否满足要求。
此外,BP神经网络还可以用于机器人技术。
它可以用来识别机器人环境中的物体,从而帮助机器人做出正确的动作。
例如,利用BP神经网络,机器人可以识别障碍物并做出正确的行动。
最后,BP神经网络还可以用于未来的驾驶辅助系统中。
这种系统可以利用各种传感器和摄像机,搜集周围环境的信息,经过BP神经网络分析,判断当前环境的安全程度,及时采取措施,以达到更好的安全驾驶作用。
综上所述,BP神经网络具有自组织学习、泛化、模糊推理的特点,拥有非常广泛的应用场景,可以用于分类问题、计算机视觉、机器人技术和驾驶辅助系统等。
然而,BP神经网络也存在一些问题,例如训练时间长,需要大量的训练数据,容易受到噪声攻击等。
因此,研究人员正在积极改进BP神经网络,使其能够更好地解决各种问题。
BP神经网络模型应用实例
BP神经网络模型第1节基本原理简介近年来全球性的神经网络研究热潮的再度兴起,不仅仅是因为神经科学本身取得了巨大的进展.更主要的原因在于发展新型计算机和人工智能新途径的迫切需要.迄今为止在需要人工智能解决的许多问题中,人脑远比计算机聪明的多,要开创具有智能的新一代计算机,就必须了解人脑,研究人脑神经网络系统信息处理的机制.另一方面,基于神经科学研究成果基础上发展出来的人工神经网络模型,反映了人脑功能的若干基本特性,开拓了神经网络用于计算机的新途径.它对传统的计算机结构和人工智能是一个有力的挑战,引起了各方面专家的极大关注.目前,已发展了几十种神经网络,例如Hopficld模型,Feldmann等的连接型网络模型,Hinton等的玻尔茨曼机模型,以及Rumelhart等的多层感知机模型和Kohonen的自组织网络模型等等。
在这众多神经网络模型中,应用最广泛的是多层感知机神经网络。
多层感知机神经网络的研究始于50年代,但一直进展不大。
直到1985年,Rumelhart等人提出了误差反向传递学习算法(即BP算),实现了Minsky的多层网络设想,如图34-1所示。
BP 算法不仅有输入层节点、输出层节点,还可有1个或多个隐含层节点。
对于输入信号,要先向前传播到隐含层节点,经作用函数后,再把隐节点的输出信号传播到输出节点,最后给出输出结果。
节点的作用的激励函数通常选取S 型函数,如Qx e x f /11)(-+=式中Q 为调整激励函数形式的Sigmoid 参数。
该算法的学习过程由正向传播和反向传播组成。
在正向传播过程中,输入信息从输入层经隐含层逐层处理,并传向输出层。
每一层神经元的状态只影响下一层神经输入层 中间层 输出层 图34-1 BP 神经网络模型元的状态。
如果输出层得不到期望的输出,则转入反向传播,将误差信号沿原来的连接通道返回,通过修改各层神经元的权值,使得误差信号最小。
社含有n 个节点的任意网络,各节点之特性为Sigmoid 型。
基于BP神经网络的应用及实现
2 B P 网络 的应 用 实 例
下面采用 B P算法 , 在 Ma t l a b中编程 , 建立 B P神经 网络模 型, 对其进行训练 , 最后用 于对癌细胞 的检测 。 图1 检测 的基 本原理[ 6 , 7 1 : 由于气体分子 或 固体 、 液体 的蒸气受 到一定 能量的电子流轰击或强 电场作用 , 丢失价 电子生成分子 离子 ; 同时 , 化学 键也发 生某些 有规律 裂解 , 生成 各种碎 片离 子。 这些带正 电荷 的离子在 电场和磁场作用下 , 按质荷 比( 即质 量 和电荷 比值 M/ Z) 的大小分开 , 排列成谱 , 记 录下来即为质谱 ( m a s s s p e c t r u m) 。因此 , 可 以根据质谱 中离子的强度判断其血 清蛋 白质样本有无癌症细胞 。 实 例 中的数据 是采用 F D A — N C I诊所 蛋 白质项 目中的数 据库 中的数据 。程序主要完成三部分功能 :一是通过 r a n k f e a — 图2 t u r e s 0 函数 , 从 1 5 0 0 0个 的特征 中选取 1 0 0 个影 响较大 的特征 ; 二是 通过神经 网络 的专用 函数 n e w f 0 建立 B P网络 , 并 对其进 T r a i n b r 函数对网络进行训 练。训练效果如图 2所示 。 行训练 和建模 ; 三是给 出测试的结果 。 表 1 列出 了上述实验 的关键数据 。分析可 知 : 基本梯 度下降算 2 . 1特征 的提取 法 ( T r a i n g d ) ,迭代次数多 ,耗时长 ,收敛 速度慢 ;共轭梯度算法 在数据集 中共有 2 1 6个病人 ,其 中有 1 2 1 个 卵巢癌患者 和 9 5 T r a i n c g p ) 和变梯 度法 与拟牛顿 法 的折 中算 法 ( T r a i n o s s ) 迭代 次数 个正常 的病人 。 每个病人的输入是其 具体 特征 ( M/ Z ) 下 的离子浓度 , ( 耗 时少 , 收敛速度 较快 ; 改进型 L M算法 ( T r i a n b r ) 虽然迭代 次数 由于数 据 中共有 1 5 0 0 0个特征用 于判 断 , 计 算量 过于庞大 , 而且 在 少 , 这些特征 当中也没有哪一种特征可以决定正确的分类 , 。 因此 , 需要 较少 ,但是 每 个训 练周 期很 长 ,网络 输 出与实 际输 出的均方 差 MS E) 偏大 。 个分类器— — T a n k f e a t u r e s 0 i  ̄数 , 用来从 1 5 0 0 0 个 特征中选取 1 0 0 ( 2 - 3神经 网络的性能测试 个重要 的特征用于分类 ; 每个病 人的输出则是一个二值矩 阵 , “ 0 ” 表 将 1 0 0个 测试结果 样本分别 输入到经过 训练 的 B P神经 网络 , 示正常病人 , “ 1 ” 表示患有癌症的病人。 其测试结果如表 2所示 。 2 . 2 B P神 经网络 的构建及训练 3 结 论 文 中用 于 癌症 检测 的神 经 网络含 有 一个 输 入层 ,节点 数 为 本文用 B P神经 网络对病 人样 本进行检测 ,在用大量的真实数 1 0 0 ; 一个输 出层 , 节点数为 2 1 6 ; 一个 隐含层 , 节点数为 l 0 。由于其 据进行训 练后 , 得到满足误差指标 的 B P神经网络 ; 根据不同的算法 输 出函数在 0到 1 之间 ,所 以隐含层和输 出层得 激励 函数 为 s i g — 训 练 网络 ,得 到 的训练 模 型的效 果也 不尽 相 同。结 果表 明使 用 m o i d对数 函数和线性函数。t r a i n根据在 n e w f函数 中确定的训练函
BP神经网络实验报告
BP神经网络实验报告一、引言BP神经网络是一种常见的人工神经网络模型,其基本原理是通过将输入数据通过多层神经元进行加权计算并经过非线性激活函数的作用,输出结果达到预测或分类的目标。
本实验旨在探究BP神经网络的基本原理和应用,以及对其进行实验验证。
二、实验方法1.数据集准备本次实验选取了一个包含1000个样本的分类数据集,每个样本有12个特征。
将数据集进行标准化处理,以提高神经网络的收敛速度和精度。
2.神经网络的搭建3.参数的初始化对神经网络的权重和偏置进行初始化,常用的初始化方法有随机初始化和Xavier初始化。
本实验采用Xavier初始化方法。
4.前向传播将标准化后的数据输入到神经网络中,在神经网络的每一层进行加权计算和激活函数的作用,传递给下一层进行计算。
5.反向传播根据预测结果与实际结果的差异,通过计算损失函数对神经网络的权重和偏置进行调整。
使用梯度下降算法对参数进行优化,减小损失函数的值。
6.模型评估与验证将训练好的模型应用于测试集,计算准确率、精确率、召回率和F1-score等指标进行模型评估。
三、实验结果与分析将数据集按照7:3的比例划分为训练集和测试集,分别进行模型训练和验证。
经过10次训练迭代后,模型在测试集上的准确率稳定在90%以上,证明了BP神经网络在本实验中的有效性和鲁棒性。
通过调整隐藏层结点个数和迭代次数进行模型性能优化实验,可以发现隐藏层结点个数对模型性能的影响较大。
随着隐藏层结点个数的增加,模型在训练集上的拟合效果逐渐提升,但过多的结点数会导致模型的复杂度过高,容易出现过拟合现象。
因此,选择合适的隐藏层结点个数是模型性能优化的关键。
此外,迭代次数对模型性能也有影响。
随着迭代次数的增加,模型在训练集上的拟合效果逐渐提高,但过多的迭代次数也会导致模型过度拟合。
因此,需要选择合适的迭代次数,使模型在训练集上有好的拟合效果的同时,避免过度拟合。
四、实验总结本实验通过搭建BP神经网络模型,对分类数据集进行预测和分类。
BP神经网络详解与实例
(Artificial Neural Netwroks -----ANN)
-----HZAU 数模基地
引言
❖ 利用机器模仿人类的智能是长期以来人们认识自 然、改造自然和认识自身的理想。
❖ 研究ANN目的: ❖ (1)探索和模拟人的感觉、思维和行为的规律,
设计具有人类智能的计算机系统。 ❖ (2)探讨人脑的智能活动,用物化了的智能来
二、神经元与神经网络
❖ 大脑可视作为1000多亿神经元组成的神经网络
• 图3 神经元的解剖图
❖ 神经元的信息传递和处理是一种电化学活 动.树突由于电化学作用接受外界的刺激;通 过胞体内的活动体现为轴突电位,当轴突电位 达到一定的值则形成神经脉冲或动作电位;再 通过轴突末梢传递给其它的神经元.从控制论 的观点来看;这一过程可以看作一个多输入单 输出非线性系统的动态过程
输出层LC
W11 Wi1
Wij
Wiq Wpq W
… b1 Vn1
Vh1 V11
V1i bi Vhi
… Vni
V1p bp Vhp Vnp
隐含层LB V
… a1
… ah
an 输入层LA
a1k
a
k h
a
k n
基本BP网络的拓扑结构
ANN类型与功能
一般而言, ANN与经典计算方法相比并非优越, 只有当常规 方法解决不了或效果不佳时ANN方法才能显示出其优越性。尤 其对问题的机理不甚了解或不能用数学模型表示的系统,如故障 诊断、特征提取和预测等问题,ANN往往是最有利的工具。另 一方面, ANN对处理大量原始数据而不能用规则或公式描述的 问题, 表现出极大的灵活性和自适应性。
i 1
(p=1,…,P)
BP神经网络模型及其应用
收 稿 日期 : 0 2 7—0 0 5—1 6
作者简 介: 邢进 良(90 )男 , 16 一 , 河南省淅川县人 , 沙洋师范高等专科 学校副教 授 , 从事数学应用及数学 教 主要 育教学研究。
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维普资讯
邢进 良
B 神经网络模型及其应用 P ● 步 5 更新权重刹阈值 : t )=∞ 、 ∞ ( +i +
n
神经网络的基本处理单元是神经元 , 它是一 个 多输 入 、 单输 出的非线 性元件 , 输 入输 出关 系 其 可描述 为 :
=
;
结构 。 '牵 经网络 隐层 和 输 出层 t的某神 经 元 靠f ) 的输 出 出下式 确定 :
:
( 0 = =( 胁 )
+ )
D f ( + 甜 ()一∞ ( 一1 ) t ) o( +1 =8叼 , ( ,£ jt ) , + ()一8( 一1 ) ,t )
其中 研为学习速率 , 为动量系数; ● 步 6判 断误 差 函数 E 否 收敛到所 给学 习 、 是 精度 ( E≤占? , ) 若满足学习精度要求则结束学 习, 否则转 步 2继 续进 行 。 ( 参见 图 2—2 )
局部 的 。 ] m [( 胛;
图 1—2P P模 型下 的人工神 经 网络模 型 D 2 P神经 网络 的结构 和算 法 、 B P神 经 网络是一 种具 有一个输 入层 , 一个 或 多个隐层和一个输出层的多层 网络。 隐层 和输出 ∑ + ‘ 0 =r 0 jj () 层上的每个神经元都对应一个激发 函数和一个阈 其中 ( =12 …… ) ,, 表示对该神经元的输入 , 值。 每一层上的神经元都通过权重与其相邻层上 为神经元的阈值 , ∞ 表示从神经元 到神经元 的 的神经元互枢连接。 对于输入层上的神经元其阈 连接投值 , n为输入 信号数 目, 0 为神经元输出, 值为零 , 其输 出等于输入 。 2—1 图 给出了一个带 j。 r )称为传 递 函数 。 ( 单隐层 的二履 ( 含输 入 层 ) P卒 经 网络 的一般 不 B 申
BP神经网络原理与应用实习论文
学年论文(本科)学院数学与信息科学学院专业信息与计算科学专业年级10级4班姓名徐玉琳于正平马孝慧李运凤郭双双任培培论文题目BP神经网络原理与应用指导教师冯志敏成绩2013年 9月 24日BP神经网络的原理与应用1.BP神经网络的原理1.1 BP神经网络的结构BP神经网络模型是一个三层网络,它的拓扑结构可被划分为:输入层(InputLayer )、输出层(Outp ut Layer ) ,隐含层(Hide Layer ).其中,输入层与输出层具有更重要的意义,因此也可以为两层网络结构(把隐含层划入输入层,或者把隐含层去掉)每层都有许多简单的能够执行并行运算的神经元组成,这些神经元与生物系统中的那些神经元非常类似,但其并行性并没有生物神经元的并行性高.BP神经网络的特点:1)网络由多层构成,层与层之间全连接,同一层之间的神经元无连接.2)BP网络的传递函数必须可微.因此,感知器的传递函数-——二值函数在这里没有用武之地.BP网络一般使用Sigmoid函数或线性函数作为传递函数.3)采用误差反向传播算法(Back-Propagation Algorithm)进行学习.在BP 网络中,数据从输入层隐含层逐层向后传播,训练网络权值时,则沿着减少误差的方向,从输出层经过中间各层逐层向前修正网络的连接权值.随着学习的不断进行,最终的误差越来越来小.BP神经网络的学习过程BP神经网络的学习算法实际上就是对误差函数求极小值的算法,它采用的算法是最速下降法,使它对多个样本进行反复的学习训练并通过误差的反向传播来修改连接权系数,它是沿着输出误差函数的负梯度方向对其进行改变的,并且到最后使误差函数收敛于该函数的最小点.1.3 BP网络的学习算法BP网络的学习属于有监督学习,需要一组已知目标输出的学习样本集.训练时先使用随机值作为权值,修改权值有不同的规则.标准的BP神经网络沿着误差性能函数梯度的反向修改权值,原理与LMS算法比较类似,属于最速下降法.拟牛顿算法牛顿法是一种基于二阶泰勒级数的快速优化算法.其基本方法是1(1)()()()x k x k A k g k -+=-式中 ()A k ----误差性能函数在当前权值和阀值下的Hessian 矩阵(二阶导数),即2()()()x x k A k F x ==∇牛顿法通常比较梯度法的收敛速度快,但对于前向型神经网络计算Hessian 矩阵是很复杂的,付出的代价也很大.有一类基于牛顿法的算法不需要二阶导数,此类方法称为拟牛顿法(或正切法),在算法中的Hessian 矩阵用其近似值进行修正,修正值被看成梯度的函数. 1)BFGS 算法在公开发表的研究成果中,你牛顿法应用最为成功得有Boryden,Fletcher,Goldfard 和Shanno 修正算法,合称为BFG 算法. 该算法虽然收敛所需的步长通常较少,但在每次迭代过程所需要的计算量和存储空间比变梯度算法都要大,对近似Hessian 矩阵必须进行存储,其大小为n n ⨯,这里n 网络的链接权和阀值的数量.所以对于规模很大的网络用RPROP 算法或任何一种梯度算法可能好些;而对于规模较小的网络则用BFGS 算法可能更有效. 2)OSS 算法 由于BFGS 算法在每次迭代时比变梯度算法需要更多的存储空间和计算量,所以对于正切近似法减少其存储量和计算量是必要的.OSS 算法试图解决变梯度法和拟牛顿(正切)法之间的矛盾,该算法不必存储全部Hessian 矩阵,它假设每一次迭代时与前一次迭代的Hessian 矩阵具有一致性,这样做的一个有点是,在新的搜索方向进行计算时不必计算矩阵的逆.该算法每次迭代所需要的存储量和计算量介于梯度算法和完全拟牛顿算法之间. 最速下降BP 法最速下降BP 算法的BP 神经网络,设k 为迭代次数,则每一层权值和阀值的修正按下式进行(1)()()x k x k g k α+=-式中()x k —第k 次迭代各层之间的连接权向量或阀值向量;()g k =()()E k x k ∂∂—第k 次迭代的神经网络输出误差对各权值或阀值的梯度向量.负号表示梯度的反方向,即梯度的最速下降方向;α—学习效率,在训练时是一常数.在MATLAB 神经网络工具箱中,,可以通过改变训练参数进行设置;()E K —第k 次迭代的网络输出的总误差性能函数,在MATLAB 神经网络工具箱中BP 网络误差性能函数默认值为均方误差MSE,以二层BP 网络为例,只有一个输入样本时,有2()()E K E e k ⎡⎤=⎣⎦21S≈22221()S i i i t a k =⎡⎤-⎣⎦∑ 222212,1()()()()s ii j i i j a k f w k a k b k =⎧⎫⎪⎪⎡⎤=-⎨⎬⎣⎦⎪⎪⎩⎭∑21221112,,11()(()())()s s i j i j i i i j j f w k f iw k p ib k b k ==⎧⎫⎡⎤⎛⎫⎪⎪=++⎢⎥ ⎪⎨⎬⎢⎥⎝⎭⎪⎪⎣⎦⎩⎭∑∑若有n 个输入样本2()()E K E e k ⎡⎤=⎣⎦21nS ≈22221()S ii i ta k =⎡⎤-⎣⎦∑根据公式和各层的传输函数,可以求出第k 次迭代总误差曲面的梯度()g k =()()E k x k ∂∂,分别代入式子便可以逐次修正其权值和阀值,并是总的误差向减小的方向变化,直到达到所需要的误差性能为止. 1.4 BP 算法的改进BP 算法理论具有依据可靠、推导过程严谨、精度较高、通用性较好等优点,但标准BP 算法存在以下缺点:收敛速度缓慢;容易陷入局部极小值;难以确定隐层数和隐层节点个数.在实际应用中,BP 算法很难胜任,因此出现了很多改进算.利用动量法改进BP 算法标准BP 算法实质上是一种简单的最速下降静态寻优方法,在修正W(K)时,只按照第K 步的负梯度方向进行修正,而没有考虑到以前积累的经验,即以前时刻的梯度方向,从而常常使学习过程发生振荡,收敛缓慢.动量法权值调整算法的具体做法是:将上一次权值调整量的一部分迭加到按本次误差计算所得的权值调整量上,作为本次的实际权值调整量,即:其中:α为动量系数,通常0<α<0.9;η—学习率,范围在0.001~10之间.这种方法所加的动量因子实际上相当于阻尼项,它减小了学习过程中的振荡趋势,从而改善了收敛性.动量法降低了网络对于误差曲面局部细节的敏感性,有效的抑制了网络陷入局部极小.自适应调整学习速率标准BP算法收敛速度缓慢的一个重要原因是学习率选择不当,学习率选得太小,收敛太慢;学习率选得太大,则有可能修正过头,导致振荡甚至发散.可采用图所示的自适应方法调整学习率.调整的基本指导思想是:在学习收敛的情况下,增大η,以缩短学习时间;当η偏大致使不能收敛时,要及时减小η,直到收敛为止.动量-自适应学习速率调整算法采用动量法时,BP算法可以找到更优的解;采用自适应学习速率法时,BP算法可以缩短训练时间.将以上两种方法结合起来,就得到动量-自适应学习速率调整算法.1. L-M学习规则L-M(Levenberg-Marquardt)算法比前述几种使用梯度下降法的BP算法要快得多,但对于复杂问题,这种方法需要相当大的存储空间L-M(Levenberg-Marquardt)优化方法的权值调整率选为:其中:e —误差向量;J —网络误差对权值导数的雅可比(Jacobian )矩阵;μ—标量,当μ很大时上式接近于梯度法,当μ很小时上式变成了Gauss-Newton 法,在这种方法中,μ也是自适应调整的. 1.5 BP 神经网络的设计 网络的层数输入层节点数取决于输入向量的维数.应用神经网络解决实际问题时,首先应从问题中提炼出一个抽象模型,形成输入空间和输出空间.因此,数据的表达方式会影响输入向量的维数大小.例如,如果输入的是64*64的图像,则输入的向量应为图像中所有的像素形成的4096维向量.如果待解决的问题是二元函数拟合,则输入向量应为二维向量.理论上已证明:具有偏差和至少一个S 型隐含层加上一个线性输出层的网络,能够逼近任何有理数.增加层数可以更进一步的降低误差,提高精度,但同时也使网络复杂化,从而增加了网络权值的训练时间.而误差精度的提高实际上也可以通过增加神经元数目来获得,其训练效果也比增加层数更容易观察和调整.所以一般情况下,应优先考虑增加隐含层中的神经元数. 隐含层的神经元数网络训练精度的提高,可以通过采用一个隐含层,而增加神经元数了的方法来获得.这在结构实现上,要比增加隐含层数要简单得多.那么究竟选取多少隐含层节点才合适?这在理论上并没有一个明确的规定.在具体设计时,比较实际的做法是通过对不同神经元数进行训练对比,然后适当地加上一点余量.1)0niMi C k =>∑,k 为样本数,M 为隐含层神经元个数,n 为输入层神经元个数.如i>M,规定C i M =0.2)和n 分别是输出层和输入层的神经元数,a 是[0.10]之间的常量.3)M=2log n ,n 为输入层神经元个数.初始权值的选取由于系统是非线性的,初始值对于学习是否达到局部最小、是否能够收敛及训练时间的长短关系很大.如果初始值太大,使得加权后的输入和n落在了S型激活函数的饱和区,从而导致其导数f (n)非常小,从而使得调节过程几乎停顿下来.所以一般总是希望经过初始加权后的每个神经元的输出值都接近于零,这样可以保证每个神经元的权值都能够在它们的S型激活函数变化最大之处进行调节.所以,一般取初始权值在(-1,1)之间的随机数.学习速率学习速率决定每一次循环训练中所产生的权值变化量.大的学习速率可能导致系统的不稳定;但小的学习速率导致较长的训练时间,可能收敛很慢,不过能保证网络的误差值不跳出误差表面的低谷而最终趋于最小误差值.所以在一般情况下,倾向于选取较小的学习速率以保证系统的稳定性.学习速率的选取范围在0.01-0.8之间.1.6BP神经网络局限性需要参数多且参数选择没有有效的方法对于一些复杂问题 ,BP 算法可能要进行几小时甚至更长的时间训练,这主要是由于学习速率太小所造成的.标准BP 网络学习过程缓慢,易出现平台,这与学习参数率l r的选取有很大关系.当l r较时,权值修改量大,学习速率也快,但可能产生振荡;当l r较小时,虽然学习比较平稳,但速度十分缓慢.容易陷入局部最优BP网络易陷入局部最小, 使 BP网络不能以高精度逼近实际系统.目前对于这一问题的解决有加入动量项以及其它一些方法.BP 算法本质上是以误差平方和为目标函数 , 用梯度法求其最小值的算法.于是除非误差平方和函数是正定的, 否则必然产生局部极小点, 当局部极小点产生时 , BP算法所求的就不是解.1.6.3 样本依赖性这主要表现在网络出现的麻痹现象上.在网络的训练过程中,如其权值调的过大,可能使得所有的或大部分神经元的加权值偏大,这使得激活函数的输入工作在S型转移函数的饱和区,从而导致其导函数非常小,使得对网络权值的调节过程几乎停顿下来.通常为避免这种现象的发生,一是选取较小的初始权值,二是采用较小的学习速率,但又要增加时间训练.初始权敏感对于一些复杂的问题,BP算法可能要进行几个小时甚至更长时间的训练.这主要是由于学习速率太小造成的.可采用变化的学习速率或自适应的学习速率来加以改进.2.BP神经网络应用2.1 手算实现二值逻辑—异或这个例子中,采用手算实现基于BP网络的异或逻辑.训练时采用批量训练的方法,训练算法使用带动量因子的最速下降法.在MATLAB中新建脚本文件main_xor.m,输入代码如下:%脚本%批量训练方式.BP网络实现异或逻辑%%清理clear allclcrand('seed',2)eb = 0.01; %误差容限eta = 0.6; %学习率mc = 0.8; %动量因子maxiter = 1000; %最大迭代次数%% 初始化网络nSampNum = 4;nSampDim = 2;nHidden = 3;nOut = 1;w = 2*(rand(nHidden,nSampDim)-1/2);b = 2*(rand(nHidden,1)-1/2);wex = [w,b];W = 2*(rand(nOut,nHidden)-1/2);B = 2*(rand(nOut,1)-1/2);WEX = [W,B];%%数据SampIn=[0,0,1,1;...0,1,0,1;…1,1,1,1];expected = [0,1,1,0];%%训练iteration = 0;errRec = [];outRec =[];for i = 1:maxiter% 工作信号正向传播hp = wex*SampIn;tau = logsig(hp);tauex = [tau',1*ones(nSampNum,1)]';HM = WEX*tauex;out = logsig(HM);outRec = [outRec,out'];err = expected - out;sse = sumsqr(err);errRec = [errRec,sse];fprintf('第%d 次迭代,误差:%f \n',i,sse);% 判断是否收敛iteration = iteration + 1;if sse <= ebbreak;end% 误差信号反向传播% DELTA 和delta 为局部梯度DELTA = err.*dlogsig(HM,out);delta = W' * DELTA.*dlogsig(hp,tau);dWEX = DELTA*tauex';dwex = delta*SampIn';% 更新权值if i == 1WEX = WEX + eta*dWEX;wex = wex + eta*dwex;elseWEX = WEX + (1-mc)*eta*dWEX + mc*dWEXold;wex = wex + (1-mc)*eta*dwex+mc*dwexold;enddWEXold = dWEX;dwexold = dwex;W = WEX(:,1:nHidden);end%%显示figure(1)grid[nRow,nCol]=size(errRec);semilogy(1:nCol,errRec,'LineWidth',1.5);title('误差曲线');xlabel('迭代次数');x=-0.2:.05:1.2;[xx,yy] = meshgrid(x);for i=1:length(xx)for j=1:length(yy)xi=[xx(i,j),yy(i,j),1];hp = wex*xi';tau = logsig(hp);tauex = [tau',1]';HM = WEX*tauex;out = logsig(HM);z (i,j) =out;endendfigure(2)mesh(x,x,z);figure(3)plot([0,1],[0,1],'*','LineWidth',2);hold onplot([0,1],[1,0],'O','LineWidth',2);[c,h]=contour(x,x,z,0.5,'b');clabel(c,h);legend('0','1','分类面');title('分类面')2.2 误差下降曲线如下图所示:Finger 1010*******400500600700800900100010-210-110误差曲线迭代次数网格上的点在BP 网络映射下的输出如下图:Finger 2异或本质上是一个分类问题,,分类面如图:Finger 3分类面-0.200.20.40.60.81 1.2本文介绍了神经网络的研究背景和现状,分析了目前神经网络研究中存在的问题.然后描述了BP神经网络算法的实现以及BP神经网络的工作原理,给出了BP网络的局限性.本文虽然总结分析了BP神经网络算法的实现,给出了实例分析,但是还有很多的不足.所总结的BP神经网络和目前研究的现状都还不够全面,经过程序调试的图形有可能都还存在很多细节上的问题,而图形曲线所实现效果都还不够好,以及结果分析不够全面、正确、缺乏科学性等,这些都还是需加强提高的.近几年的不断发展,神经网络更是取得了非常广泛的应用,和令人瞩目的发展.在很多方面都发挥了其独特的作用,特别是在人工智能、自动控制、计算机科学、信息处理、机器人、模式识别等众多方面的应用实例,给人们带来了很多应用上到思考,和解决方法的研究.但是神经网络的研究最近几年还没有达到非常热门的阶段,这还需有很多热爱神经网络和研究神经网络人员的不断研究和创新,在科技高度发达的现在,我们有理由期待,也有理由相信.我想在不久的将来神经网络会应用到更多更广的方面,人们的生活会更加便捷.学年论文成绩评定表。
BP神经网络在医疗诊断中的应用研究
BP神经网络在医疗诊断中的应用研究随着科技的发展和人民生活水平的提高,人们对医疗服务的要求也越来越高。
在这个过程中,好的医疗诊断技术不仅可以提高医疗效率,还可以提高医疗水平和医生的专业素养,这对于医疗领域的整个发展具有重要意义。
在这样的背景下,BP神经网络作为一种较为先进的人工神经网络,在医疗领域也得到了广泛的应用和研究。
本文将结合我国医疗诊断现状,探讨BP神经网络在医疗诊断中的应用研究。
一、BP神经网络介绍BP神经网络是一种基于反向传播算法的前馈型人工神经网络,它具有学习能力和适应性等特点,是一种常用的人工神经网络之一。
BP神经网络的训练过程是通过在高维空间中不断调整权值和阈值,从而实现对样本特征的提取和矫正,从而实现对样本分类的识别。
BP神经网络具有处理能力强、学习速度快、精度高等优点,被广泛应用于计算机视觉、语音识别、医疗诊断、金融分析、飞行控制等领域。
二、BP神经网络在医疗诊断中的应用1、医疗图像识别医疗图像识别是BP神经网络在医疗领域中的重要应用之一。
目前,很多医疗机构利用医学影像技术进行疾病的诊断、治疗和监测,如CT、MRI等医学影像技术,这些技术可以为医生提供详细的病灶信息,但是对于普通人来说,很难正确地解读这些医疗图像。
因此,使用BP神经网络可以对医疗图像进行识别和分析,准确地判断患者的病情和病变程度,帮助医生制定更加科学合理的治疗方案。
2、慢病诊断慢性疾病是指患者长期存在的疾病,由于患病的隐蔽性和病情的反复,很难进行准确的诊断和治疗。
针对这一问题,利用BP神经网络可以对患者的身体状况和病史等信息进行学习和分析,帮助医生更好地评估患者的病情,提供更加精准的慢病诊断结果,对于治疗和管理患者的病情也更加方便。
3、药物研发药物研发是医疗诊断领域中的一个比较困难的领域,传统的药物研发方法需要耗费大量的时间和金钱,而且成果也不一定会有预期效果。
而利用BP神经网络进行药物研发,可以快速筛选出具有潜力的化合物,并进行有效评价。
BP神经网络的简要介绍及应用
BP神经网络的简要介绍及应用BP神经网络(Backpropagation Neural Network,简称BP网络)是一种基于误差反向传播算法进行训练的多层前馈神经网络模型。
它由输入层、隐藏层和输出层组成,每层都由多个神经元(节点)组成,并且每个神经元都与下一层的神经元相连。
BP网络的训练过程可以分为两个阶段:前向传播和反向传播。
前向传播时,输入数据从输入层向隐藏层和输出层依次传递,每个神经元计算其输入信号的加权和,再通过一个激活函数得到输出值。
反向传播时,根据输出结果与期望结果的误差,通过链式法则将误差逐层反向传播至隐藏层和输入层,并通过调整权值和偏置来减小误差,以提高网络的性能。
BP网络的应用非常广泛,以下是一些典型的应用领域:1.模式识别:BP网络可以用于手写字符识别、人脸识别、语音识别等模式识别任务。
通过训练网络,将输入样本与正确的输出进行匹配,从而实现对未知样本的识别。
2.数据挖掘:BP网络可以用于分类、聚类和回归分析等数据挖掘任务。
例如,可以用于对大量的文本数据进行情感分类、对客户数据进行聚类分析等。
3.金融领域:BP网络可以用于预测股票价格、外汇汇率等金融市场的变动趋势。
通过训练网络,提取出对市场变动有影响的因素,从而预测未来的市场走势。
4.医学诊断:BP网络可以用于医学图像分析、疾病预测和诊断等医学领域的任务。
例如,可以通过训练网络,从医学图像中提取特征,帮助医生进行疾病的诊断。
5.机器人控制:BP网络可以用于机器人的自主导航、路径规划等控制任务。
通过训练网络,机器人可以通过感知环境的数据,进行决策和规划,从而实现特定任务的执行。
总之,BP神经网络是一种强大的人工神经网络模型,具有较强的非线性建模能力和适应能力。
它在模式识别、数据挖掘、金融预测、医学诊断和机器人控制等领域有广泛的应用,为解决复杂问题提供了一种有效的方法。
然而,BP网络也存在一些问题,如容易陷入局部最优解、训练时间较长等,因此在实际应用中需要结合具体问题选择适当的神经网络模型和训练算法。
BP神经网络原理及应用
BP神经网络原理及应用BP神经网络,即反向传播神经网络(Backpropagation Neural Network),是一种基于梯度下降算法的多层前馈神经网络,常用于分类与回归等问题的解决。
BP神经网络通过反向传播算法,将误差从输出层往回传播,更新网络权值,直至达到误差最小化的目标,从而实现对输入模式的分类和预测。
BP神经网络的结构包括输入层、隐藏层和输出层。
输入层接收外部输入的特征向量,隐藏层负责将输入特征映射到合适的高维空间,输出层负责输出网络的预测结果。
每个神经元与其前后的神经元相连,每个连接都有一个权值,用于调整输入信号的重要性。
BP神经网络利用激活函数(如sigmoid函数)对神经元的输出进行非线性变换,增加网络的非线性表达能力。
1.前向传播:将输入信号传递给网络,逐层计算每个神经元的输出,直至得到网络的输出结果。
2.计算误差:将网络输出与期望输出比较,计算误差。
常用的误差函数包括平方误差和交叉熵误差等。
3.反向传播:根据误差,逆向计算每个神经元的误差贡献,从输出层往回传播到隐藏层和输入层。
根据误差贡献,调整网络的权值和阈值。
4.更新权值和阈值:根据调整规则(如梯度下降法),根据误差贡献的梯度方向,更新网络的权值和阈值。
1.模式识别与分类:BP神经网络可以通过训练学习不同模式的特征,从而实现模式的自动分类与识别。
例如,人脸识别、文本分类等。
2.预测与回归:BP神经网络可以通过历史数据的训练,学习到输入与输出之间的映射关系,从而实现对未知数据的预测与回归分析。
例如,股票价格预测、天气预测等。
3.控制系统:BP神经网络可以用于建模和控制非线性系统,实现自适应、自学习的控制策略。
例如,机器人控制、工业过程优化等。
4.信号处理与图像处理:BP神经网络可以通过学习复杂的非线性映射关系,实现信号的去噪、压缩和图像的识别、处理等。
例如,语音识别、图像分割等。
5.数据挖掘与决策支持:BP神经网络可以根据历史数据学习到数据之间的相关关系,从而帮助决策者进行数据挖掘和决策支持。
BP神经网络基本原理与应用PPT
BP神经网络的学习
• 网络结构 – 输入层有n个神经元,隐含层有q个神经元, 输出层有m个神经元
BP神经网络的学习
– 输入层与中间层的连接权值: wih
– 隐含层与输出层的连接权值: – 隐含层各神经元的阈值: bh
who
– 输出层各神经元的阈值: bo
– 样本数据个数: k 1,2, m
– 激活函数:
(二)误差梯度下降法
求函数J(a)极小值的问题,可以选择任意初始点a0,从a0出发沿着负 梯度方向走,可使得J(a)下降最快。 s(0):点a0的搜索方向。
BP神经网络的学习
(三) BP算法调整,输出层的权值调整
直观解释
当误差对权值的 偏导数大于零时,权 值调整量为负,实际 输出大于期望输出, 权值向减少方向调整, 使得实际输出与期望 输出的差减少。当误 差对权值的偏导数小 于零时,权值调整量 为正,实际输出少于 期望输出,权值向增 大方向调整,使得实 际输出与期望输出的 差减少。
❖ 众多神经元之间组合形成神经网络,例如下图 的含有中间层(隐层)的网络
人工神经网络(ANN)
c
k l
c
k j
cqk
… … c1 Wp1
W1j cj Wpj
W1q cq
输出层LC
W11 Wi1
Wij
Wiq Wpq W
… b1 Vn1
Vh1 V11
V1i bi Vhi
… Vni
V1p bp Vhp Vnp
BP神经网络的学习
(三) BP算法调整,输出层的权值调整
式中: —学习率 最终形式为:
BP神经网络的学习
(三) BP算法调整,隐藏层的权值调整
隐层各神经元的权值调整公式为:
BP神经网络的优缺点
BP神经网络的优缺点BP神经网络,也称为“反向传播神经网络”,是一种常见的人工神经网络模型。
它是基于误差反向传播算法的一种机器学习方法,广泛应用于分类、回归、预测等场景中。
优点1. 非线性逼近能力强BP神经网络的非线性逼近能力优秀,可以逼近任何非线性的函数。
它的输入层、隐层和输出层之间的结构可以实现对高维非线性数据的拟合。
2. 适用 range 广泛BP神经网络可以应用于许多不同领域,如医药、自然语言处理、图像识别等。
它可以对各种形式的数据进行分类、回归、预测等。
3. 学习能力强BP神经网络可以通过大量的样本数据进行训练,并能够自动学习和自我适应。
可以对训练数据进行高效的学习和泛化,从而适应未知数据。
4. 适应动态环境BP神经网络可以适应不断变化的环境。
当模型和所需输出之间的关系发生变化时,网络可以自适应,自动调整权重和阈值,以适应新的情况。
缺点1. 学习速度慢BP神经网络的学习速度相对较慢。
它需要大量的时间和数据来调整权重和阈值,以达到稳定的状态。
2. 容易陷入局部极小值BP神经网络很容易陷入局部极小值,而无法达到全局最优解。
这可能会导致网络的准确度降低,并影响到后续的预测、分类和回归任务。
3. 需要大量的数据BP神经网络需要大量的数据进行训练,以使网络达到优秀的效果。
如果训练数据不充分,可能会导致网络过度拟合或欠拟合。
4. 对初始参数敏感BP神经网络对初始参数非常敏感。
如果初始参数不好,那么网络可能会无法进行训练,或者陷入局部最小值。
综合来看,BP神经网络具有良好的非线性逼近能力和学习能力,但也存在一些缺点,比如学习速度慢、容易陷入局部极小值等。
因此,在具体应用场景中,我们需要权衡BP神经网络的优点和缺点,选择合适的机器学习模型进行训练和预测。
机器学习-BP(back propagation)神经网络介绍
BP神经网络BP神经网络,也称为反向传播神经网络(Backpropagation Neural Network),是一种常见的人工神经网络类型,用于机器学习和深度学习任务。
它是一种监督学习算法,用于解决分类和回归问题。
以下是BP神经网络的基本概念和工作原理:神经元(Neurons):BP神经网络由多个神经元组成,通常分为三层:输入层、隐藏层和输出层。
输入层接收外部数据,隐藏层用于中间计算,输出层产生网络的最终输出。
权重(Weights):每个连接两个神经元的边都有一个权重,表示连接的强度。
这些权重是网络的参数,需要通过训练来调整,以便网络能够正确地进行预测。
激活函数(Activation Function):每个神经元都有一个激活函数,用于计算神经元的输出。
常见的激活函数包括Sigmoid、ReLU(Rectified Linear Unit)和tanh(双曲正切)等。
前向传播(Forward Propagation):在训练过程中,输入数据从输入层传递到输出层的过程称为前向传播。
数据经过一系列线性和非线性变换,最终产生网络的预测输出。
反向传播(Backpropagation):反向传播是BP神经网络的核心。
它用于计算网络预测的误差,并根据误差调整网络中的权重。
这个过程分为以下几个步骤:1.计算预测输出与实际标签之间的误差。
2.将误差反向传播回隐藏层和输入层,计算它们的误差贡献。
3.根据误差贡献来更新权重,通常使用梯度下降法或其变种来进行权重更新。
训练(Training):训练是通过多次迭代前向传播和反向传播来完成的过程。
目标是通过调整权重来减小网络的误差,使其能够正确地进行预测。
超参数(Hyperparameters):BP神经网络中有一些需要人工设置的参数,如学习率、隐藏层的数量和神经元数量等。
这些参数的选择对网络的性能和训练速度具有重要影响。
BP神经网络在各种应用中都得到了广泛的使用,包括图像分类、语音识别、自然语言处理等领域。
BP神经网络组合预测在城市生活垃圾产量预测中应用
BP神经网络组合预测在城市生活垃圾产量预测中应用
路玉龙;韩靖;余思婧;张鸿雁
【期刊名称】《环境科学与技术》
【年(卷),期】2010(33)5
【摘要】文章分析了组合预测理论,在建立由二次指数平滑预测模型、灰色预测模型、BP神经网络预测模型组成的组合预测模型库的基础上,利用以上三种单一预测模型的组合构成BP神经网络组合预测模型。
分别应用单一预测模型和组合预测模型对湖南省城市生活垃圾产生量进行预测,通过分析和比较预测结果,验证了该组合预测方法的有效性。
【总页数】5页(P186-190)
【关键词】城市生活垃圾产量;组合预测;BP神经网络;Levenberg-Marquardt算法
【作者】路玉龙;韩靖;余思婧;张鸿雁
【作者单位】中南大学数学科学与计算技术学院
【正文语种】中文
【中图分类】X820.3
【相关文献】
1.变权重组合预测模型在生活垃圾产量预测计算中的应用 [J], 李志涛;张宇峰;姚藩照;施向荣
2.Verhulst模型在城市生活垃圾产量预测中的应用 [J], 周文
3.组合模型在城市生活垃圾产生量预测中的应用 [J], 王林昌
4.主成分和BP神经网络在粮食产量预测中的组合应用 [J], 郑建安
5.组合预测模型在城市垃圾产量预测中的研究与应用 [J], 杨晗熠;吴育华
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BP神经网络原理应用
BP神经网络原理及应用1 人工神经网络简介1.1生物神经元模型神经系统的基本构造是神经元(神经细胞),它是处理人体内各部分之间相互信息传递的基本单元。
据神经生物学家研究的结果表明,人的大脑一般有1011个神经元。
每个神经元都由一个细胞体,一个连接其他神经元的轴突1010和一些向外伸出的其它较短分支——树突组成。
轴突的功能是将本神经元的输出信号(兴奋)传递给别的神经元。
其末端的许多神经末梢使得兴奋可以同时送给多个神经元。
树突的功能是接受来自其它神经元的兴奋。
神经元细胞体将接受到的所有信号进行简单地处理后由轴突输出。
神经元的树突与另外的神经元的神经末梢相连的部分称为突触。
1.2人工神经元模型神经网络是由许多相互连接的处理单元组成。
这些处理单元通常线性排列成组,称为层。
每一个处理单元有许多输入量,而对每一个输入量都相应有一个相关联的权重。
处理单元将输入量经过加权求和,并通过传递函数的作用得到输出量,再传给下一层的神经元。
目前人们提出的神经元模型已有很多,其中提出最早且影响最大的是1943年心理学家McCulloch和数学家Pitts在分析总结神经元基本特性的基础上首先提出的M-P 模型,它是大多数神经网络模型的基础。
)()(1∑=-=ni j i ji j x w f t Y θ (1.1)式(1.1)中,j 为神经元单元的偏置(阈值),ji w 为连接权系数(对于激发状态,ji w 取正值,对于抑制状态,ji w 取负值),n 为输入信号数目,j Y 为神经元输出,t 为时间,f()为输出变换函数,有时叫做激发或激励函数,往往采用0和1二值函数或S形函数。
1.3人工神经网络的基本特性人工神经网络由神经元模型构成;这种由许多神经元组成的信息处理网络具有并行分布结构。
每个神经元具有单一输出,并且能够与其它神经元连接;存在许多(多重)输出连接方法,每种连接方法对应一个连接权系数。
严格地说,人工神经网络是一种具有下列特性的有向图:(1)对于每个节点存在一个状态变量xi ;(2)从节点i 至节点j ,存在一个连接权系数wji ; (3)对于每个节点,存在一个阈值j ;(4)对于每个节点,定义一个变换函数(,,),j i ji j f x w i j θ≠,对于最一般的情况,此函数取()j ji i j if w x θ-∑形式。
bp神经网络的应用综述
bp神经网络的应用综述近年来,随着人工智能(AI)发展的飞速发展,神经网络技术也在迅速发展。
BP神经网络是一种能够将输入大量信息并有效学习并做出正确决策的广泛应用的深度学习算法。
它的强大的学习能力令人印象深刻,从很多方面来看都是一种具有潜在潜力的技术。
在科学和工程方面,BP神经网络的应用非常广泛。
它可以用于模式识别,数据挖掘,图像处理,语音识别,机器翻译,自然语言处理和知识发现等等。
当可用的数据量很大时,BP神经网络可以有效地自动分析和提取有用的信息,从而有效地解决问题。
例如,在图像处理领域,BP神经网络可以用于图像分类、目标检测和图像语义分析。
它能够以准确的速度检测目标图像,包括人脸、行人、汽车等等,这在过去难以实现。
在机器翻译等技术中,BP神经网络可以用于语义分析,以确定机器翻译的正确语义。
此外,BP神经网络还可以用于人工智能的自动控制,例如机器人与机器人感知、模式识别、语音识别和控制系统。
除此之外,BP神经网络还可以用作在计算机游戏和科学研究中的决策支持系统,以便帮助决策者做出正确的决策。
总而言之,BP神经网络是一种具有广泛应用的深度学习算法,它能够自动处理大量复杂的信息,并能够做出正确的决策。
它可以用于各种科学和工程任务,如模式识别、机器翻译、图像处理、语音识别、机器人感知及自动控制等领域。
此外,它还可以用于决策支持系统,以便帮助决策者做出正确的决策。
BP神经网络在许多领域都具有巨大的潜力,希望以后能得到更多的研究和应用。
因为随着计算机技术的发展,BP神经网络在未来有望发挥更大的作用,帮助人们实现和科学研究的突破。
BP神经网络的潜力巨大,尽管它的应用前景十分广阔,但许多研究仍然存在挑战。
因此,有必要开展更多的研究,并利用其强大的特性,尽可能多地发掘它的潜力,以便最大限度地利用它的优势。
我们期待着BP神经网络会给人类的发展带来更多的惊喜。
BP神经网络在农业发展中的应用
农 在
播” 过程 ; 二是网络的希望输 出与实际输出之差的误 差信号 由输出层经隐含层 向输入层逐层修正连接权 的“ 误差逆传播” 过程; 三是由“ 模式顺传播” 误差 和“
的 比重; 3 X 农村消费品零售额 占全社会消费品零售 额的比重; 4 x 代表农业各税 占财政收入的 比重; 5 X 代表用于农业支 出占财政支出的比重;
关键词 : 神经 网络;P算法; B 农业增加值 ; 测评
中图分 类号 :P1 T 8 文献标 识码 : A 文章编 号 :6 149 . O 1300 .3 17 .7 2( l).160 2
Ab t c : h sp p r n r d c st eb sc p n i l f e r l ewo k i p o o e , a e n t eBP n u a s r t t i a e to u e a i r cp e o n u a t r r p s d b s d o e r l a i h i BP n s h
售额, 农业税, 农产品进 出口额等方面进行。具体的
评价指标有 8 ,分别为 X1X , 3X , 5X , 个 , 2X , 4X , 6 X , 8 7X 。
其中 x1 代表农业从业人员 占社会从业人员的 比重; 2 X 代表农村非农产业劳动力 占社会从业人员
四 神 _ o
经 网
(co l f te ts n o p t ; r wet nvrt r ainlisGas azo 3 00 Sh oo Ma mai dC m ue Not sU i syf t aie; nuL nh u7 03 ) h ca r h e i oN o t 摘 要 : 文简述 了 B 本 P神 经 网络 的基 本原理 , 出 了一种 基 于 B 提 P神 经 网络对 农 业增 加值 占国 内生 产 总值 的 比重 的测评 模 型。 实验表 明 , 该模 型 的辨识精度 高 , 能正确 实现 。
基于BP神经网络的数据融合技术在分布式养老系统中的应用
在我 国随 着老 龄 化社 会 的逐 步趋 近 , 老 年 人 的养 老 问题 显得 越来越 重要 . 欧美 发达 国家 , 由于 更早 进 入老龄 化社 会 , 在 智 能 养老 领 域 有更 多 的
戴 RF I D腕 带 , 实时采集 老年人 的体征信息. 同
速度下降. 针对此 问题 , 对传 统的基 于神经 网络 的融合算法进行 改进 , 利用粗 糙集对输入数 据进 行约简 , 使 神 经 网络输人数据降维. 同时 , 将约简后 的信息进行训练. 算法在训练时间和融合结果的准确性上都有提高.
关 键 词 :粗糙集 ; B P神经 网络 ; 数据 融合 ; 分布式养老 系统
系统 , 用来 监视 老 年人 家 中情 况并 记 录 他们 的行 为. 英 国构 建 出一种全 智能 化老 年公寓 , 在地板 和 家 电 中植 入 电子 芯 片 , 使 老 人 的 日常 生 活 处 于远
程监 控状 态. 我 国的智 能 养 老课 题 研 究 虽然 起 步
国内外针 对数 据融合 的算法 多集 中在 贝叶斯估 计
时, 养老 院 的视 频 监控 体 系实 时采 集 老 年人 的图 像信 息 . 由于 单一 的信 息 不 能很 好 地 体 现老 年 人 的实 时身体状 态 , 而且 两类 信息 的属性 不 同 , 所 以
在 分布式 系统 中需 要 将 两 者进 行 数 据融 合 处 理.
经验 . 例如, 美 国 的基 于 R F I D传感 器 的全 新监 测
B P神经 网络算 法 , 取 得一定 的效果 .
源信 息 的协 同处 理 和 综合 利 用 . 分 布 式 智 能养 老
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BP神经网络在生存中应用生存分析(survivalanalysis)起源于19世纪对寿命表的分析,当前已广泛应用到临床研究中,能够处理含有删失值的数据,能够同时考虑事件发生的结局及发生结局的时间。
当前处理生存资料的方法有参数模型、非参数模型及半参数模型。
参数模型对生存时间的分布要求非常严格,医学资料中很少能满足;生存分析中传统的回归模型,例如:Cox比例风险模型、加速失效时间模型也要求模型满足一定的假设前提,而实际数据往往难以满足这些假设。
神经网络近年来受到普遍的注重,在医学领域中的应用主要预测与分类,与传统回归模型不同,它能够克服这些缺点,在模型中能够容纳非线性效应,交互效应、协变量的效应能够随时间变化。
当前国内研究神经网络在生存分析中的应用尚较少,本文拟探讨几种不同的神经网络生存模型在贲门癌预后中的应用。
BP神经网络是当前应用最多的神经网络,一般由一个输入层(inputlayer)、一个输出层(outputlayer)、一个或几个中间层(隐层)组成,每一层可包含一个或多个神经元,其中每一层的每个神经元和前一层相连接,同一层之间没有连接。
输入层神经元传递输入信息到第一隐层或直接传到输出层,隐层的神经元对输入层的信息加权求和,加一个常数后,经传递函数运算后传到下一个隐层(或输出层),常用的传递函数是logistic函数,即φh=1/(1+exp(-z)),输出层神经元对前一层的输入信息加权求和经传递函数φ0(线性或logistic函数或门限函数)运算后输出,例如:如果输入为xi,对于含一个隐层的神经网络能够得到:g(xi,θ)=φ0(αk+∑i≠kwikxi+∑jwjkφh(αj+∑iwijxi))(1)θ表示未知的参数矢量(即各层的网络权值),BP神经网络一般采用BP算法训练网络,训练开始时选择初始值0,BP算法通过梯度下降法得到估计值,使得g(x,)能很好地估计实测值,关于BP算法及改进可参考相关文献[1]。
利用BP神经网络模型建立生存分析模型,常用的方法有:连续时间模型(continuoustimemodels)与离散时间模型(discretetimemodels)。
1.1连续时间模型(continuoustimemodels)最常用的是Faraggi和Simon[2]提出的方法,在Cox比例风险模型中,风险函数与时间、协变量有如下关系:h(t,xi)=h0(t)exp(βxi)(2)通过最大化偏似然函数,使用Newton-Raphson法得到参数的估计值,现在使用神经网络的输出值g(xi,θ)来代替(2)中的线性项βxi,比例风险模型变成h(t,xi)=h0(t)exp[g(xi,θ)],有偏似然函数:Lc(θ)=∏i∈uexp∑jwjk/(1+exp(-wijxi))/∑j∈Riexp∑jwjk/(1+exp(-wijxj))(3)g(xi,θ)能够依赖时间和协变量变化,也就是说协变量的效应能够随时间而变化,这给我们提供了一个能够处理删失变量但又不需要满足比例风险模型的PH假定的可供选择的方法。
1.2离散时间模型(discretetimemodels)常用的模型有[3]:(1)直接预测患者是否能够存活到某年(例如5年),是最简单的神经网络模型,模型的输出层只有一个神经元结点,如欲预测多个时间点,则需建立多个神经网络模型(每个模型对应一个时间区间);(2)多个输出结点的单个神经网络模型。
1.2.1输出层有单个结点的神经网络模型是一个标准的分类神经网络模型,生存时间被分成2个区间,例如生存时间是否大于5年。
其似然函数为:∏patientsptii(1-pi)(1-ti)其对数似然函数为:∑patientstilogpi+(1-ti)log(1-pi)pi:第i个病人死亡的概率,ti:第i个观测在某时间点(例如5年)的结果,如观测死亡,取值为1,否则取值为0。
对于删失的观测不能简单地排除,这样会造成偏性,我们使用Cox线性比例风险模型产生的个体预测值对删失值做填补。
1.2.2输出层有多个结点的神经网络模型将生存时间分成几个离散的区间,估计某个区间事件发生的概率。
不考虑时间区间的顺序,有模型:logpk-logp1=ηk(X)(k=2,…,P)从神经网络能够得到输出值yk:yk=∑iwikxi+∑jwjkφ1(∑iwijxi)(K=1,…,P)(这里我们设ηk(x)=yk-y1),于是能够得到时间区间k的概率:pk=exp(yk)∑l(yl)建立似然函数∏patients∑lik=mi+1pkimi:观测i存活的前一个生存区间,li:最后的时间区间,pki:第i 个病人在时间区间k死亡的概率。
本次研究采用灵敏度、特异度、一致性指数C(concordanceindex)[4,5]作为预测准确性的评价指标。
一致性指数C是对含有删失数据的ROC曲线下面积的推广(generalization),是指预测结果和实际结果一致的观察单位的对子数占总的有用对子数的比例,即C=一致的对子数/有用的对子数,C接近0.5表明模型的预测性能差,接近1表明预测性能好。
一致性指数的计算步骤为[5]:①产生所有的病例配对。
若有n个观察个体,则所有的对子数为C2n。
②排除两种对子:对子中具有较小观察时间的个体没有达到观察终点及对子中2个个体都没达到观察终点。
③计算有用对子中,预测结果和实际相一致的对子数,④计算一致性指数。
2实例分析贲门癌是常见恶性肿瘤,对236例经手术切除但未行放化疗的贲门癌患者随访,生存时间为确诊到最后一次随访,按月记录,分析的协变量包括:性别、年龄、肿瘤的长度、组织学类型、大体分型、浸润深度、淋巴结转移情况、TNM分期等临床上可能的预后因素。
为了减少训练时间,先采用COX比例危险模型对可能影响预后的因素实行筛选,采用向前逐步法,引入标准为0.05,剔除标准为0.10,结果显示对贲门癌患者生存率有影响的因素为:病人的肿瘤长度、淋巴结转移情况、组织学类型、筛选结果见表1。
表1贲门癌患者生存的COX逐步回归分析结果(略)Tab.1TheresultofCoxregressionmodelforcarcinomaofthegastriccar dia2.1BP网训练集、校验集和测试集的确定从原始数据中随机抽取80例作为训练集,80例作为校验集,76例为预测样本。
2.2输入数据的预处理使输入变量的取值落在0到1的范围内。
对于肿瘤长度使用x′i=ximax(x)实行归一化处理;病理分型为无序分类变量,以哑变量的形式赋值。
2.3神经网络模型的建立及训练选择Cox回归选出的3个变量作为网络的输入。
建立输出层为1个结点的离散型神经网络时,将病人生存时间按下式分为两类作为输出变量yi(i=1,2,…,n),即yi=1生存t≥5年0生存t<5年;建立输出层为5个结点的离散型神经网络时,将病人生存时间分为5类作为输出变量yi,time<1year,1year≤time<2year,2≤time<3year,3≤time<5year,time>5year。
使用Matlab软件建立神经网络模型,学习率为0.01,传递函数采用logistic传递函数,单结点网络的隐单元数为2,多结点网络隐单元数为3,采用“早停止”策略防止过度拟合。
2.4两种神经网络模型预测性能使用灵敏度、特异度、一致性指数C评价模型的预测性能。
表2两种神经网络模型预测性能*(略)Tab.2Thepredictiveperformanceofthreetypeofneuralnetwork*判断界值取0.53讨论神经网络已在语音识别、图像诊断分析、临床诊断、高分子序列分析等很多方面取得了成功的应用,在医学研究领域,变量间关系往往非常复杂,神经网络正逐渐变成分析数据的流行工具,当前主要应用于分类与预测,用于生存分析方面的研究还较少。
国内黄德生[5]等建立利用BP神经网络建立time-codedmodel和single-timepointmodel用于肺鳞癌预后预测,贺佳[6]等对肝癌术后无瘤生存期的预测做了应用尝试。
本文通过实例建立连续时间模型与离散时间模型探讨BP神经网络在生存分析中的应用,Faraggi提出的方法还能够扩展到其他能够处理删失数据的模型,例如加速失效时间模型、Buckley-James模型,但哪一种模型更好,还有待进一步研究。
神经网络在生存分析中的应用主要在于[7]:个体患者预后的预测,研究预后因子的重要性,研究预后因子的相互作用;对于预测变量的影响力强弱,解释性还有待进一步探讨。
还有研究者在建立多个时间区间的模型时将时间区间也作为一个输入变量,也有学者将神经网络纳入Bayes方法的研究框架,神经网络建立的生存分析模型能够探测复杂的非线性效应,复杂的交互效应,相信会逐渐应用到生物医学研究领域。
【摘要】目的探讨BP神经网络在生存分析中的应用。
方法通过贲门癌预后的实例说明神经网络的连续时间模型与离散时间模型的使用。
结果所建立的神经网络生存分析模型有较好的预测水平。
结论神经网络在生存分析中有很大的灵活性,在模型中能够容纳非线性效应,协变量的效应能够随时间而变化,不要求满足PH假定,有较广泛的应用前景。
【关键词】BP神经网络;生存分析;贲门癌BP神经网络在生存中应用。