單層感知器模型與學(xué)習(xí)算法優(yōu)秀課件

單層感知器模型與學(xué)習(xí)算法第1頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與學(xué)習(xí)算法第2頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.1單層感知器概述由美國(guó)學(xué)者Rosenblatt在1957年首次提出學(xué)習(xí)算法是Rosenblatt在1958年提出的包含一個(gè)突觸權(quán)值可調(diào)的神經(jīng)元屬于前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型只能區(qū)分線(xiàn)性可分的模式IEEE設(shè)立以其名字命名的獎(jiǎng)項(xiàng)2023/4/4第3頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.1單層感知器單層感知器模型2023/4/4第4頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.1單層感知器單層感知器工作原理

單層感知器可將外部輸入分為兩類(lèi)和。當(dāng)感知器的輸出為+1時(shí)，輸入屬于類(lèi)，當(dāng)感知器的輸出為-1時(shí)，輸入屬于類(lèi)，從而實(shí)現(xiàn)兩類(lèi)目標(biāo)的識(shí)別。在m維空間，單層感知器進(jìn)行模式識(shí)別的判決超平面由下式?jīng)Q定：

2023/4/4第5頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.1單層感知器單層感知器工作原理對(duì)于只有兩個(gè)輸入的判別邊界是直線(xiàn)（如下式所示）,選擇合適的學(xué)習(xí)算法可訓(xùn)練出滿(mǎn)意的和，當(dāng)它用于兩類(lèi)模式的分類(lèi)時(shí)，相當(dāng)于在高維樣本空間中，用一個(gè)超平面將兩類(lèi)樣本分開(kāi)。2023/4/4第6頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.2單層感知器的學(xué)習(xí)規(guī)則單層感知器學(xué)習(xí)規(guī)則思想基于迭代的思想，通常是采用誤差校正學(xué)習(xí)規(guī)則的學(xué)習(xí)算法?？梢詫⑵钭鳛樯窠?jīng)元突觸權(quán)值向量的第一個(gè)分量加到權(quán)值向量中輸入向量和權(quán)值向量可分別寫(xiě)成如下的形式：令上式等于零，可得到在維空間的單層感知器的判別超平面。

2023/4/4第7頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.2單層感知器的學(xué)習(xí)算法單層感知器學(xué)習(xí)算法第一步,設(shè)置變量和參量。為激活函數(shù),為網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出，為期望輸出，為學(xué)習(xí)速率，為迭代次數(shù)，為實(shí)際輸出與期望輸出的誤差。第二步,初始化給權(quán)值向量的各個(gè)分量賦一個(gè)較小的隨機(jī)非零值，置2023/4/4第8頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.2單層感知器的學(xué)習(xí)算法單層感知器學(xué)習(xí)算法第三步,輸入一組樣本，并給出它的期望輸出。第四步,計(jì)算實(shí)際輸出:第五步,求出期望輸出和實(shí)際輸出求出差根據(jù)誤差判斷目前輸出是否滿(mǎn)足條件，一般為對(duì)所有樣本誤差為零或者均小于預(yù)設(shè)的值，則算法結(jié)束，否則將值增加1，并用下式調(diào)整權(quán)值：然后轉(zhuǎn)到第三步，進(jìn)入下一輪計(jì)算過(guò)程

2023/4/4第9頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.3單層感知器的MATLAB實(shí)現(xiàn)MATLAB中單層感知器常用工具函數(shù)名稱(chēng)和基本功能函數(shù)名功能newp()生成一個(gè)感知器hardlim()硬限幅激活函數(shù)learnp()感知器的學(xué)習(xí)函數(shù)train()神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練函數(shù)sim()神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真函數(shù)mae()平均絕對(duì)誤差性能函數(shù)plotpv()在坐標(biāo)圖上繪出樣本點(diǎn)plotpc()在已繪制的圖上加分類(lèi)線(xiàn)2023/4/4第10頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.3單層感知器的MATLAB實(shí)現(xiàn)newp()功能：創(chuàng)建一個(gè)感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的函數(shù)格式：net=newp(PR，S，TF，LF)說(shuō)明：net為生成的感知機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；PR為一個(gè)R2的矩陣，由R組輸入向量中的最大值和最小值組成；S表示神經(jīng)元的個(gè)數(shù)；TF表示感知器的激活函數(shù)，缺省值為硬限幅激活函數(shù)hardlim；LF表示網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)函數(shù)，缺省值為learnp2023/4/4第11頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.3單層感知器的MATLAB實(shí)現(xiàn)hardlim()功能硬限幅激活函數(shù)格式A=hardlim(N)說(shuō)明函數(shù)hardlim(N)在給定網(wǎng)絡(luò)的輸入矢量矩陣N時(shí)，返回該層的輸出矢量矩陣A。當(dāng)N中的元素大于等于零時(shí)，返回的值為l；否則為0。也就是說(shuō)，如果網(wǎng)絡(luò)的輸入達(dá)到閾值，則硬限幅傳輸函數(shù)的輸出為1；否則，為0。learnp()功能感知機(jī)的權(quán)值和閾值學(xué)習(xí)函數(shù)2023/4/4第12頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.3單層感知器的MATLAB實(shí)現(xiàn)train()功能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練函數(shù)格式[net，tr，Y，E，Pf，Af]=train(NET，P，T，Pi，Ai，VV，TV)說(shuō)明

1、net為訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)；tr為訓(xùn)練記錄；Y為網(wǎng)絡(luò)輸出矢量；E為誤差矢量；Pf為訓(xùn)練終止時(shí)的輸入延遲狀態(tài)；Af為訓(xùn)練終止時(shí)的層延遲狀態(tài)；NET為訓(xùn)練前的網(wǎng)絡(luò)；2023/4/4第13頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.3單層感知器的MATLAB實(shí)現(xiàn)[net，tr，Y，E，Pf，Af]=train(NET，P，T，Pi，Ai，VV，TV)說(shuō)明2P為網(wǎng)絡(luò)的輸入向量矩陣；T表示網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)矩陣，缺省值為0；Pi表示初始輸入延時(shí)，缺省值為0；Ai表示初始的層延時(shí)，缺省值為0；VV為驗(yàn)證矢量（可省略）；TV為測(cè)試矢量（可省略）。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練函數(shù)是一種通用的學(xué)習(xí)函數(shù)，訓(xùn)練函數(shù)重復(fù)地把一組輸入向量應(yīng)用到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，每次都更新網(wǎng)絡(luò)，直到達(dá)到了某種準(zhǔn)則，停止準(zhǔn)則可能是達(dá)到最大的學(xué)習(xí)步數(shù)、最小的誤差梯度或誤差目標(biāo)等。2023/4/4第14頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.3單層感知器的MATLAB實(shí)現(xiàn)sim()功能對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真格式(1)[Y，Pf，Af，E，perf]=sim(NET，P，Pi，Ai，T)(2)[Y，Pf，Af，E，perf]=sim(NET，{QTS}，Pi，Ai，T)(3)[Y，Pf，Af，E，perf]=sim(NET，Q，Pi，Ai，T)說(shuō)明Y為網(wǎng)絡(luò)的輸出；Pf表示最終的輸入延時(shí)狀態(tài)；Af表示最終的層延時(shí)狀態(tài)；E為實(shí)際輸出與目標(biāo)矢量之間的誤差；perf為網(wǎng)絡(luò)的性能值；NET為要測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)對(duì)象；P為網(wǎng)絡(luò)的輸入向量矩陣；Pi為初始的輸入延時(shí)狀態(tài)（可省略）；Ai為初始的層延時(shí)狀態(tài)（可省略）；T為目標(biāo)矢量（可省略）。式(1)、(2)用于沒(méi)有輸入的網(wǎng)絡(luò)，其中Q為批處理數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，TS為網(wǎng)絡(luò)仿真的時(shí)間步數(shù)。2023/4/4第15頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.3單層感知器的MATLAB實(shí)現(xiàn)mae()功能平均絕對(duì)誤差性能函數(shù)格式perf=mae(E，w，pp)說(shuō)明perf表示平均絕對(duì)誤差和，E為誤差矩陣或向量(網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)向量與輸出向量之差)，w為所有權(quán)值和偏值向量(可忽略)，pp為性能參數(shù)(可忽略)。2023/4/4第16頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.3單層感知器的MATLAB實(shí)現(xiàn)plotpv()功能繪制樣本點(diǎn)的函數(shù)格式(1)plotpv(P，T)(2)plotpv(P，T，V)說(shuō)明P定義了n個(gè)2或3維的樣本，是一個(gè)2n維或3n維的矩陣；T表示各樣本點(diǎn)的類(lèi)別，是一個(gè)n維的向量；V=[x_minx_maxy_miny_max]，為一設(shè)置繪圖坐標(biāo)值范圍的向量。利用plotpv()函數(shù)可在坐標(biāo)圖中繪出給定的樣本點(diǎn)及其類(lèi)別，不同的類(lèi)別使用不同的符號(hào)。如果T只含一元矢量，則目標(biāo)為0的輸入矢量在坐標(biāo)圖中用符號(hào)＂o＂表示：目標(biāo)為1的輸入矢量在坐標(biāo)圖中用符號(hào)＂+＂表示。如果T含二元矢量，則輸入矢量在坐標(biāo)圖中所采用的符號(hào)分別如下：[00]用＂o＂表示；[01]用＂+＂表示：[10]用＂*＂表示；[11]用＂＂表示。2023/4/4第17頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.3單層感知器的MATLAB實(shí)現(xiàn)plotpc()功能在存在的圖上繪制出感知器的分類(lèi)線(xiàn)函數(shù)格式(1)plotpc(W，B)(2)plotpc(W，B，H)說(shuō)明硬特性神經(jīng)元可將輸入空間用一條直線(xiàn)(如果神經(jīng)元有兩個(gè)輸入)，或用一個(gè)平面(如果神經(jīng)元有三個(gè)輸入)，或用一個(gè)超平面(如果神經(jīng)元有三個(gè)以上輸入)分成兩個(gè)區(qū)域。plotpc(w，b)對(duì)含權(quán)矩陣w和偏差矢量b的硬特性神經(jīng)元的兩個(gè)或三個(gè)輸入畫(huà)一個(gè)分類(lèi)線(xiàn)。這一函數(shù)返回分類(lèi)線(xiàn)的句柄以便以后調(diào)用。plotpc(W，B，H)包含從前的一次調(diào)用中返回的句柄。它在畫(huà)新分類(lèi)線(xiàn)之前，刪除舊線(xiàn)。2023/4/4第18頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.3單層感知器的MATLAB實(shí)現(xiàn)使用MATLAB實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的步驟如下：第一步根據(jù)應(yīng)用創(chuàng)建一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；第二步設(shè)定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練參數(shù)，利用給定樣本對(duì)創(chuàng)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練；第三步輸入測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能。例2-1：2023/4/4第19頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.3單層感知器的MATLAB實(shí)現(xiàn)P=[-0.4-0.50.6;0.900.1];%給定訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)T=[110];%給定樣本數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的類(lèi)別，用1和0來(lái)表示兩種類(lèi)別%創(chuàng)建一個(gè)有兩個(gè)輸入、樣本數(shù)據(jù)的取值范圍都在[-1，1]之間，并且%網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)神經(jīng)元的感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)net=newp([-11;-11],1); net.trainParam.epochs=20;%設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的最大訓(xùn)練次數(shù)為20次net=train(net,P,T);%使用訓(xùn)練函數(shù)對(duì)創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練Y=sim(net,P)%對(duì)訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真E1=mae(Y-T)%計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的平均絕對(duì)誤差，表示網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤分類(lèi)Q=[0.60.9-0.1;-0.1-0.50.5];%檢測(cè)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能Y1=sim(net,Q)%對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，仿真輸出即為分類(lèi)的結(jié)果figure;%創(chuàng)建一個(gè)新的繪圖窗口plotpv(Q,Y1);%在坐標(biāo)圖中繪制測(cè)試數(shù)據(jù)plotpc(net.iw{1},net.b{1})%在坐標(biāo)圖中繪制分類(lèi)線(xiàn)2023/4/4第20頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.3單層感知器的MATLAB實(shí)現(xiàn)例2-1運(yùn)行后在命令行窗口中得到的結(jié)果如下：>>TRAINC,Epoch0/20%使用TRAINC作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練函數(shù)，第0次訓(xùn)練，最%大訓(xùn)練次數(shù)為20TRAINC,Epoch3/20%達(dá)到目標(biāo)誤差要求，結(jié)束訓(xùn)練TRAINC,Performancegoalmet.Y=110E1=0Y1=0012023/4/4第21頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.3單層感知器的MATLAB實(shí)現(xiàn)例2-1訓(xùn)練誤差曲線(xiàn)2023/4/4第22頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.2.3單層感知器的MATLAB實(shí)現(xiàn)例2-1訓(xùn)練后的分類(lèi)線(xiàn)2023/4/4第23頁(yè)，共29頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3.4多層感知機(jī)單層感知器的缺點(diǎn)是只能解決線(xiàn)性可分的分類(lèi)模式問(wèn)題采用多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的分類(lèi)能力，即在輸入層與輸出層之間增加一個(gè)隱含層，從而構(gòu)成多層感知器(MultilayerPerceprons，MLP)。由輸入層、隱含層(可以是一層或者多層)和輸出層構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為多