哪些神經網路信息是雙向傳播的

① BP神經網路的原理的BP什麼意思

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在本教程中，您將學習如何在R語言中創建神經網路模型。

神經網路（或人工神經網路）具有通過樣本進行學習的能力。人工神經網路是一種受生物神經元系統啟發的信息處理模型。它由大量高度互連的處理元件（稱為神經元）組成，以解決問題。它遵循非線性路徑，並在整個節點中並行處理信息。神經網路是一個復雜的自適應系統。自適應意味著它可以通過調整輸入權重來更改其內部結構。

該神經網路旨在解決人類容易遇到的問題和機器難以解決的問題，例如識別貓和狗的圖片，識別編號的圖片。這些問題通常稱為模式識別。它的應用范圍從光學字元識別到目標檢測。

本教程將涵蓋以下主題：

• 神經網路概論

• 正向傳播和反向傳播

• 激活函數

• R中神經網路的實現

• 案例

• 利弊

• 結論

神經網路概論

神經網路是受人腦啟發執行特定任務的演算法。它是一組連接的輸入/輸出單元，其中每個連接都具有與之關聯的權重。在學習階段，網路通過調整權重進行學習，來預測給定輸入的正確類別標簽。

人腦由數十億個處理信息的神經細胞組成。每個神經細胞都認為是一個簡單的處理系統。被稱為生物神經網路的神經元通過電信號傳輸信息。這種並行的交互系統使大腦能夠思考和處理信息。一個神經元的樹突接收來自另一個神經元的輸入信號，並根據這些輸入將輸出響應到某個其他神經元的軸突。



創建測試數據集

創建測試數據集：專業知識得分和溝通技能得分

• # 創建測試集test=data.frame(專業知識,溝通技能得分)



預測測試集的結果

使用計算函數預測測試數據的概率得分。

• ## 使用神經網路進行預測Pred$result


• 0.99282020800.33355439250.9775153014



現在，將概率轉換為二進制類。

• # 將概率轉換為設置閾值0.5的二進制類別pred <- ifelse(prob>0.5, 1, 0)pred


• 101



預測結果為1,0和1。

利弊

神經網路更靈活，可以用於回歸和分類問題。神經網路非常適合具有大量輸入（例如圖像）的非線性數據集，可以使用任意數量的輸入和層，可以並行執行工作。

還有更多可供選擇的演算法，例如SVM，決策樹和回歸演算法，這些演算法簡單，快速，易於訓練並提供更好的性能。神經網路更多的是黑盒子，需要更多的開發時間和更多的計算能力。與其他機器學習演算法相比，神經網路需要更多的數據。NN僅可用於數字輸入和非缺失值數據集。一位著名的神經網路研究人員說：「神經網路是解決任何問題的第二好的方法。最好的方法是真正理解問題。」

神經網路的用途

神經網路的特性提供了許多應用方面，例如：

• 模式識別：神經網路非常適合模式識別問題，例如面部識別，物體檢測，指紋識別等。

• 異常檢測：神經網路擅長異常檢測，它們可以輕松檢測出不適合常規模式的異常模式。

• 時間序列預測：神經網路可用於預測時間序列問題，例如股票價格，天氣預報。

• 自然語言處理：神經網路在自然語言處理任務中提供了廣泛的應用，例如文本分類，命名實體識別（NER），詞性標記，語音識別和拼寫檢查。

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② 循環神經網路（RNN）簡介

循環神經網路英文名稱為 ( Recurrent Neural Network, RNN )，其通過使用帶自反饋的神經元，能夠處理任意長度的 時序 數據。

給定輸入時序序列

式中， 表示一段時序數據， 為時間長度

以一段英文段落為例，其時序數據可以表示為：

若是一段視頻，將其每一幀通過CNN網路處理得到相應的編碼向量

循環神經網路通過以下公式更新隱藏層的活性值

循環神經網路圖示

RNN的基本模型如下圖所示，為便於理解，圖中將RNN的模型展開，按照時序方向對其前向傳播流程進行介紹

RNN的基本模型

利用數學表達式整個過程可以變得更加清晰，RNN的前向傳播公式如下：

將上述過程整合到一個RNN cell中，可以表示為如下圖所示的過程：

RNN的前向傳播示意圖

缺陷:

沒有利用到模型後續的信息，可以通過雙向RNN網路進行優化

RNN主要有兩種計算梯度的方式：隨時間反向傳播（BPTT）和實時循環學習法（RTRL）演算法

本文中主要介紹隨時間反向傳播的方法 （ BackPropagation Through Time ）

RNN的損失函數與任務有關，對於同步的序列對序列任務，其loss可以用交叉熵公式表示

然後通過BPTT演算法便可以進行梯度的反向傳播計算

梯度爆炸的解決方法：梯度修剪

梯度消失的解決方法：增加長程依賴 LSTM,GRU

GRU的基本思路：增加相關門（Relate Gate）和更新門（Update Gate），進而使得RNN單元具有記憶能力

首先從數學角度對GRU的前向傳播過程進行介紹，具體公式如下：

公式中各變數的含義：

將上述數學公式轉化為圖像，可得

GRU Cell的前向傳播流程

LSTM意為長短時記憶網路 （Long Short-Term Memory Network，LSTM） ，可以有效地解決簡單神經網路的梯度消失和爆炸問題

在LSTM中，與GRU主要有兩點不同

同樣，先從數學公式入手，對LSTM的前向傳播過程進行了解

基於數學公式的過程，可將LSTM CELL的前向傳播過程總結為（圖片借用於nndl）：

LSTM Cell的前向傳播示意圖

從上圖中可以看出，LSTM在前向傳播的過程中傳輸了兩個狀態：內部狀態 以及外部狀態 ，在整個傳播過程中 外部狀態（隱狀態） 每個時刻都會被重寫，因此可以看作一種 短時記憶 ，而 內部狀態 可以在某個時刻捕捉一些關鍵信息，並將此信息保存一段時間間隔，可以看作一種 長時記憶 （長的短時記憶）

此外，在LSTM網路初始化訓練的時候，需要手動將遺忘門的數值設置的大一些，否則在參數初始化的時候，遺忘門的數據會被初始化為一個很小的值，前一時刻的內部狀態 大部分都會丟失，這樣網路很難獲取到長距離的依賴信息，並且相鄰時間間隔的梯度會非常小，導致 梯度彌散 問題，因此遺忘門的 偏置變數 的初始值 一般很大，取 1或2

將 設置為1即可，但是長度非常的大的時候會造成記憶單元的飽和，降低性能

三個門不僅依賴於 和 ，也依賴於

將兩者合並為一個門，即：

首先，我們要理解什麼是深層的RNN，對於單個的RNN cell，若將其在時間維度上展開，其深度與時間維度的長度成正比，但若將一個RNN cell看作為單個從 的映射函數，則單個cell實際上是很淺顯的一層，因此深層循環神經網路要做的就是把多個RNN cell組合起來，換句話說，就是增加從輸入 到輸出 的路徑，使得網路的深度更深。

如何增加從輸入 到輸出 的路徑呢？兩種途徑：

堆疊循環神經網路示意圖

將網路帶入到實際應用場景中：假如我們要翻譯一段句子

在這里，is和are實際上是由後面的Lucy和they所決定的，而這種單向的按照時序進行傳播的方式沒有利用到後面的信息。因此誕生了雙向循環網路

雙向循環神經網路示意圖

雙向循環神經網路實際上就是簡單的雙層循環神經網路，只不過第二層網路的傳播方式為按時序的逆向傳播，其傳播公式為：