神经网络matlab的使用

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关于Matlab的入门教程，参看这个帖子：tieba#baidu#com/p/2945924081

例1：我们都知道，面积=长*宽，假如我们有一组数测量据如下：

我们利用这组数据来训练神经网络。（在Matlab中输入以下的代码，按回车即可执行）


p = [2 5; 3 6; 12 2; 1 6; 9 2; 8 12; 4 7; 7 9]'; % 特征数据X1,X2
t = [10 18 24 6 18 96 28 63]; % 样本值
net = newff(p, t, 20); % 创建一个BP神经网络 ff=FeedForward
net = train(net, p, t); % 用p,t数据来训练这个网络


出现如下的信息，根据蓝线的显示，可以看出最后收敛时，误差已小于10^-20。



你也许会问，计算机难道这样就能学会乘法规则吗？不用背乘法口诀表了？先随便选几个数字，试试看：


s = [3 7; 6 9; 4 5; 5 7]'; % 准备一组新的数据用于测试
y = sim(net, s) % 模拟一下，看看效果
% 结果是：25.1029 61.5882 29.5848 37.5879


看到了吧，预测结果和实际结果还是有差距的。不过从中也能看出，预测的数据不是瞎蒙的，至少还是有那么一点靠谱。如果训练集中的数据再多一些的话，预测的准确率还会大幅度提高。

你测试的结果也许和我的不同，这是因为初始化的权重参数是随机的，可能会陷入局部最优解，所以有时预测的结果会很不理想。

例2：下面测试一下拟合正弦曲线，这次我们随机生成一些点来做样本。


p = rand(1,50)*7 % 生成1行50个0~7之间的随机数
t = sin(p) % 计算正弦曲线
s = [0:0.1:7]; % 生成0~7的一组数据，间隔0.1，用于模拟测试
plot(p, t, 'x') % 画散点图



net = newff(p, t, 20); % 创建神经网络
net = train(net, p, t); % 开始训练


y = sim(net, s); % 模拟
plot(s, y, 'x') % 画散点图


从图中看出，这次的预测结果显然是不理想的，我们需要设置一些参数来调整。

下面的设置是一种标准的批量梯度下降法的配置。


% 创建3层神经网络 [隐藏层10个节点->logsig, 输出层1个节点->purelin] traingd代表梯度下降法
net = newff(p, t, 10, {'logsig' 'purelin'}, 'traingd'); % 10不能写成[10 1]


% 设置训练参数
net.trainparam.show = 50; % 显示训练结果(训练50次显示一次)
net.trainparam.epochs = 500; % 总训练次数
net.trainparam.goal = 0.01; % 训练目标：误差<0.01
net.trainParam.lr = 0.01; % 学习率(learning rate)


net = train(net, p, t); % 开始训练


注意：newff的第三个参数10不能写成[10 1]，否则就是4层网络，两个隐藏层，分别是10个和1个节点。这个很容易弄错。（输出层的节点数程序会自动根据t的维度自动判断，所以不用指定）



y = sim(net, s); % 模拟
plot(s, y, 'x') % 画散点图


这时的效果显然更差了。




把精度调高一点看看。训练次数加到9999，误差<0.001；学习率调到0.06，希望能加快点速度。


% 创建2层神经网络 [隐藏层10个节点->logsig, 输出层1个节点->purelin] traingd代表梯度下降法
net = newff(p, t, 10, {'logsig' 'purelin'}, 'traingd');


% 设置训练参数
net.trainparam.show = 50; % 每间隔50次显示一次训练结果
net.trainparam.epochs = 9999; % 总训练次数
net.trainparam.goal = 0.001; % 训练目标：误差<0.001
net.trainParam.lr = 0.06; % 学习率(learning rate)


net = train(net, p, t); % 开始训练


标准的批量梯度下降法的速度确实够慢，这次计算花了一分多钟。




y = sim(net, s); % 模拟
plot(s, y, 'x') % 画散点图


效果比上次稍好一点。不过这条曲线显得坑坑洼洼的很难看，这是一种过拟合(Overfitting)现象，与之相反的是欠拟合(Underfitting)。

先来解决速度问题，把traingd改为trainlm即可。trainlm使用LM算法，是介于牛顿法和梯度下降法之间的一种非线性优化方法，不但会加快训练速度，还会减小陷入局部最小值的可能性，是Matlab的默认值。



net = newff(p, t, 10, {'logsig' 'purelin'}, 'trainlm');
... 后面的代码不变


这个速度比较惊叹了，1秒钟之内完成，只做了6轮计算，效果也好了一些。不过，LM算法也有弱点，它占用的内存非常大，所以没把其它算法给淘汰掉。
 


下面解决过拟合问题，把隐藏层的节点数目设少一点就行了。


net = newff(p, t, 3, {'logsig' 'purelin'}, 'trainlm');
... 后面的代码不变


这回终于达到满意的效果了。(有时会出现局部最优解，可以多试几次)

如果节点数目太少，会出现欠拟合的情况。




关于隐藏层的节点个数，一般是要凭感觉去调的。如果训练集的维数比较多，调节起来比较耗时间，这时可以根据经验公式上下浮动地去调整。
下面给出几个经验公式供参考：

如果把输出层改为logsig激活会是什么样子呢？


net = newff(p, t, 3, {'logsig' 'logsig'}); % 创建神经网络
net = train(net, p, t); % 开始训练
y = sim(net, s); % 模拟
plot(s, y, 'x') % 画散点图

可以看出，-1~0范围之间的点都变为0了。使用logsig输出时要想得到完整数值范围的效果，必须先对数据进行归一化才行。



 


归一化(Normalization)，也叫标准化，就是把一堆数字按比例缩放到0~1或-1~1的范围。
虽然用Purelin输出可以不必归一化，但归一化能在一定程度上加快收敛速度，因此被许多教程定为训练前的必须步骤。


公式为：归一值 = (当前值x-最小值min)/(最大值max-最小值min)
如果限定了范围，公式为：y = (ymax-ymin)*(x-xmin)/(xmax-xmin) + ymin;
0.1~0.9的范围：(0.9-0.1)*(x-min)/(max-min)*(0.9-0.1)+0.1
把5, 2, 6, 3这四个数归一化：
 


Matlab的归一化命令为：mapminmax
注：网上的不少教程里用premnmx命令来归一化，要注意Matlab版本R2007b和R2008b，premnmx在处理单列数据时有bug，Matlab已给出了警告，R2009a版才修正。因此推荐使用mapminmax。mapminmax的输入输出值和premnmx是行列颠倒的，使用时要注意代码中是否添加转置符号。


a = [5, 2, 6, 3];


b = mapminmax(a, 0, 1) % 归一化到0~1之间
% b = 0.7500 0 1.0000 0.2500


c = mapminmax(a) % 归一化到-1~1之间
% c = 0.5000 -1.0000 1.0000 -0.5000

反归一化(Denormalization)就是按归一化时的比例还原数值。


a = [5, 2, 6, 3];
[c,PS] = mapminmax(a); % PS记录归一化时的比例
mapminmax('reverse', c, PS) % 利用PS反归一化
% ans = 5 2 6 3

神经网络的归一化(0~1范围)代码：


p = rand(1,50)*7; % 特征数据
t = sin(p); % 样本值
s = [0:0.1:7]; % 测试数据


[pn, ps] = mapminmax(p, 0, 1); % 特征数据归一化
[tn, ts] = mapminmax(t, 0, 1); % 样本值归一化
sn = mapminmax('apply', s, ps); % 测试数据，按ps比例缩放


net = newff(pn, tn, [5 1], {'logsig' 'logsig'}); % 创建神经网络
net = train(net, pn, tn); % 开始训练


yn = sim(net, sn); % 模拟
y = mapminmax('reverse', yn, ts); % 按ps的比例还原
plot(s, y, 'x') % 画散点图

神经网络工具箱还有一个UI图形操作界面，执行nntool就可以打开。我觉得不如写代码方便，所以不怎么用。我提供一个相关的教程链接，有兴趣的可以看一下：matlab神经网络工具箱创建神经网络 - http://blog.新浪.com.cn/s/blog_8684880b0100vxtv.html （新浪替换成sina）

关于Sigmoid的由来，中文的网站上很少有提及的。下面简单讲一下，希望能给大家拓展一下思路。


PS: 这里的公式我都给出了求解过程，但如今这个年头，用手工解题的人越来越少了，一般的方程用软件来解就行了。
例如解Sigmoid微分方程，可以用Matlab去解:



dsolve('Dx=x*(1-x)')
% ans = 1/(1+exp(-t)*C1) 



如果想得到求解的步骤或更详细的信息，推荐使用Wolfram：http://www.wolframalpha.com
在Wolfram的搜索框输入 x'=x(1-x) 即可。

logsig


Sigmoid函数(S形函数，Logistic Function)是受统计学模型的启发而产生的激活函数。
基于生物学的神经元激活函数是这样的：





参看：http://eprints.pascal-network.org/archive/00008596/01/glorot11a.pdf


实践证明了基于统计学的Sigmoid函数激活效果要比基于生物学的模型好，而且计算起来很方便，所以说不能以机器和人的相似度为标准来判断AI算法的好坏。
Sigmoid函数原先是个描述人口增长的数学模型，1838提出，给出的是导数形式(概率密度)。人口增长规律：起初阶段大致是指数增长；然后逐渐开始变得饱和，增长变慢；达到成熟时几乎停止增长；整个过程形如一条S型曲线。

导数的形式知道了，那么它的原函数是什么样子呢？已知导数求原函数，用统计学的话来讲，即根据概率密度函数(PDF)求累积分布函数(CDF)，不定积分(Indefinite Integral)就是专门用来做这个的工具。
根据不定积分的知识可知，由于常数项是可变的，所以存在无数个原函数的可能。让我们先用图解法看一下：既然导数是函数曲线的斜率，那么可以把一定数值范围内的斜率，都画成一根根的短斜线，组成斜率场(Slope Fields, Direction Fields)，然后根据这些斜线的走势，画出积分曲线。
Matlab可以用quiver命令来画斜率场。



从上图中可以看出，在y轴的0~1之间是个分水岭，0和1处的方向趋于水平。下面放大0~1的范围看看是什么样子的。

看到了吧，我们要的Logistic Sigmoid就在这里呢。


下面给出符号求解的过程：

tansig


双曲正切函数(双极S形函数, tanh, Hyperbolic Tangent)，读tanch，18世纪就已经出现了。它的定义是：tanh(x)=sinh(x)/cosh(x)，可以由著名的欧拉公式(Euler's formula)推导出来。
用tanh作激活函数，收敛比较快，效果比Logistic函数还要好。
欧拉公式： i是虚数(Imaginary Number)单位，它的定义是： (即i^2 = -1)
题外话：根据上面的公式变换，可以得出史上最美的数学公式： ，数学中最神秘的5个符号e、i、π、1和0，全包含在里面了。







求tanh的导数：




logsig和tansig的关系：