第五章神经网络优化计算.ppt
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1、第五章第五章 神经网络优化计算神经网络优化计算 智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 5.1 5.1 人工神经网络的基本概念人工神经网络的基本概念人工神经网络的基本概念人工神经网络的基本概念 5.1.1 5.1.1 发展历史发展历史发展历史发展历史 5.1.2 McCulloch-Pitts5.1.2 McCulloch-Pitts神经元神经元神经元神经元 5.1.3 5.1.3 网络结构的确定网络结构的确定网络结构的确定网络结构的确定 5.1.4 5.1.4 关联权值的确定关联权值的确定关联权值的确定关联权值的确定 5.1.5 5.1.5 工作阶段工作阶段工作阶段工作阶段
2、 5.2 5.2 多层前向神经网络多层前向神经网络多层前向神经网络多层前向神经网络 5.2.1 5.2.1 一般结构一般结构一般结构一般结构 5.2.2 5.2.2 反向传播算法反向传播算法反向传播算法反向传播算法 5.3 5.3 反馈型神经网络反馈型神经网络反馈型神经网络反馈型神经网络 5.3.1 5.3.1 离散离散离散离散HopfieldHopfield神经网络神经网络神经网络神经网络 5.3.2 5.3.2 连续连续连续连续HopfieldHopfield神经网络神经网络神经网络神经网络 5.3.3 Hopfield5.3.3 Hopfield神经网络在神经网络在神经网络在神经网络在T
3、SPTSP中的应用中的应用中的应用中的应用智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 5.1 人工神经网络的基本概念人工神经网络的基本概念 智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 w“神经网络神经网络”与与“人工神经网络人工神经网络”w1943年,年,Warren McCulloch和和Walter Pitts建立了建立了第一个人工神经网络模型;第一个人工神经网络模型;w1969年,年,Minsky和和Papert发表发表Perceptrons;w20世纪世纪80年代,年代,Hopfield将人工神经网络成功应用将人工神经网络成功应用在组合优化问题。在组合优化问
4、题。5 5.1.1 .1.1 发展历史发展历史发展历史发展历史5.1 人工神经网络的基本概念人工神经网络的基本概念 智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 w重要意义重要意义 现代的神经网络开始于现代的神经网络开始于McCulloch,Pitts(1943)的先的先驱工作;驱工作;他们的神经元模型假定遵循有他们的神经元模型假定遵循有-无模型律;无模型律;如果如此简单的神经元数目足够多和适当设置连接如果如此简单的神经元数目足够多和适当设置连接权值并且同步操作权值并且同步操作,McCulloch&Pitts证明这样构证明这样构成的网络原则上可以计算任何可计算函数;成的网络原则上可
5、以计算任何可计算函数;标志着神经网络和人工智能的诞生。标志着神经网络和人工智能的诞生。5 5.1.2 McCulloch-Pitts.1.2 McCulloch-Pitts神经元神经元神经元神经元5.1 人工神经网络的基本概念人工神经网络的基本概念 智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 w结构结构 McCulloch-Pitts输出输出 函数定义为:函数定义为:5 5.1.2 McCulloch-Pitts.1.2 McCulloch-Pitts神经元神经元神经元神经元InputsignalSynapticweightsSummingfunctionActivationfu
6、nctionOutputyx1x2xnw2wnw1-5.1 人工神经网络的基本概念人工神经网络的基本概念 智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 w网络的构建网络的构建 Y=F(X)5 5.1.2 McCulloch-Pitts.1.2 McCulloch-Pitts神经元神经元神经元神经元x1y1输出层输出层隐藏层隐藏层输入层输入层x2y2ymxnw网络的拓扑结构网络的拓扑结构 前向型、反馈型等前向型、反馈型等w神经元激活函数神经元激活函数 阶跃函数阶跃函数 线性函数线性函数 Sigmoid函数函数5.1 人工神经网络的基本概念人工神经网络的基本概念 智能优化计算智能优化计
7、算华东理工大学自动化系 2007年 5 5.1.3 .1.3 网络结构的确定网络结构的确定网络结构的确定网络结构的确定f(x)x0+1w确定的内容确定的内容 权值权值wi和和w确定的方式确定的方式 学习(训练)学习(训练)有指导的学习:已知一组正确的输入输出结果的条有指导的学习:已知一组正确的输入输出结果的条件下,神经网络依据这些数据,调整并确定权值;件下,神经网络依据这些数据,调整并确定权值;无指导的学习:只有输入数据,没有正确的输出结无指导的学习:只有输入数据,没有正确的输出结果情况下,确定权值。果情况下,确定权值。5.1 人工神经网络的基本概念人工神经网络的基本概念 智能优化计算智能优化
8、计算华东理工大学自动化系 2007年 5 5.1.4 .1.4 关联权值的确定关联权值的确定关联权值的确定关联权值的确定w学习与工作的关系学习与工作的关系 先学习先学习再再工作工作5.1 人工神经网络的基本概念人工神经网络的基本概念 智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 5 5.1.5 .1.5 工作阶段工作阶段工作阶段工作阶段5.2 多层前向神经网络多层前向神经网络智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 w多层多层 两层以上两层以上w前向前向 无反馈无反馈 5 5.2.1 .2.1 一般结构一般结构一般结构一般结构输出层输出层隐藏层隐藏层输入层输入层y1
9、y2ymx1x2xn5.2 多层前向神经网络多层前向神经网络智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 w目的目的 确定权值确定权值w方法方法 反向推导反向推导 5 5.2.2 .2.2 反向传播算法反向传播算法反向传播算法反向传播算法5.3 反馈型神经网络反馈型神经网络智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 w一般结构一般结构 各神经元之间存在相互联系各神经元之间存在相互联系w分类分类 连续系统:激活函数为连续函数连续系统:激活函数为连续函数 离散系统:激活函数为阶跃函数离散系统:激活函数为阶跃函数 5.3 反馈型神经网络反馈型神经网络智能优化计算智能优化计算
10、华东理工大学自动化系 2007年 wHopfield神经网络神经网络 1982年提出年提出Hopfield反馈神经网络(反馈神经网络(HNN),证明),证明在高强度连接下的神经网络依靠集体协同作用能自在高强度连接下的神经网络依靠集体协同作用能自发产生计算行为。发产生计算行为。是典型的是典型的全连接网络全连接网络,通过引入能量函数,使网络,通过引入能量函数,使网络的平衡态与能量函数极小值解相对应。的平衡态与能量函数极小值解相对应。5.3 反馈型神经网络反馈型神经网络智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 w网络结构网络结构 N为网络节点总数。为网络节点总数。5 5.3.1 .3
11、.1 离散离散离散离散HopfieldHopfield神经网络神经网络神经网络神经网络s1(t+1)s2(t+1)sn(t+1)s1(t)s2(t)sn(t)w12w1nw21w2nwn1wn25.3 反馈型神经网络反馈型神经网络智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 w网络结构网络结构 一般认为一般认为vj(t)=0时神经元保持不变时神经元保持不变sj(t+1)=sj(t);一般情况下网络是对称的(一般情况下网络是对称的(wij=wji)且无自反馈)且无自反馈(wjj=0);整个网络的状态可用向量整个网络的状态可用向量s表示:表示:5 5.3.1 .3.1 离散离散离散离散
12、HopfieldHopfield神经网络神经网络神经网络神经网络5.3 反馈型神经网络反馈型神经网络智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 w工作方式工作方式 串行(异步,串行(异步,asynchronous):任一时刻只有一个单任一时刻只有一个单元改变状态,其余单元保持不变;元改变状态,其余单元保持不变;并行(同步,并行(同步,synchronous):某一时刻所有神经):某一时刻所有神经元同时改变状态。元同时改变状态。w稳定状态稳定状态 如果从如果从t=0的任一初始态的任一初始态s(0)开始变化,存在某一有开始变化,存在某一有限时刻限时刻t,从此以后网络状态不再变化,即,
13、从此以后网络状态不再变化,即s(t+1)=s(t),则称网络达到,则称网络达到稳定状态稳定状态。5 5.3.1 .3.1 离散离散离散离散HopfieldHopfield神经网络神经网络神经网络神经网络5.3 反馈型神经网络反馈型神经网络智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 w能量函数的定义能量函数的定义 异步方式:异步方式:同步方式:同步方式:5 5.3.1 .3.1 离散离散离散离散HopfieldHopfield神经网络神经网络神经网络神经网络5.3 反馈型神经网络反馈型神经网络智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 w能量函数能量函数 能量是有界的
14、:能量是有界的:从任一初始状态开始,若在每次迭代时都满足从任一初始状态开始,若在每次迭代时都满足E0,则网络的能量将越来越小,最后趋向于稳,则网络的能量将越来越小,最后趋向于稳定状态定状态E0。5 5.3.1 .3.1 离散离散离散离散HopfieldHopfield神经网络神经网络神经网络神经网络5.3 反馈型神经网络反馈型神经网络智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 w能量函数能量函数 分析异步(且网络对称分析异步(且网络对称wij=wji)情况下:)情况下:假设只有神经元假设只有神经元i改变状态改变状态 5 5.3.1 .3.1 离散离散离散离散HopfieldHop
15、field神经网络神经网络神经网络神经网络5.3 反馈型神经网络反馈型神经网络智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 w能量函数能量函数 分析异步(且网络对称分析异步(且网络对称wij=wji)情况下:)情况下:假设只有神经元假设只有神经元i改变状态改变状态 5 5.3.1 .3.1 离散离散离散离散HopfieldHopfield神经网络神经网络神经网络神经网络同号同号5.3 反馈型神经网络反馈型神经网络智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 w能量函数能量函数 分析同步(且网络对称分析同步(且网络对称wij=wji)情况下:)情况下:5 5.3.1 .3
16、.1 离散离散离散离散HopfieldHopfield神经网络神经网络神经网络神经网络同号同号5.3 反馈型神经网络反馈型神经网络智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 w网络结构网络结构 与电子线路对应:与电子线路对应:放大器放大器神经元神经元 电阻、电容电阻、电容神经元的时间常数神经元的时间常数 电导电导权系数权系数 5 5.3.2 .3.2 连续连续连续连续HopfieldHopfield神经网络神经网络神经网络神经网络5.3 反馈型神经网络反馈型神经网络智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 w网络的微分方程网络的微分方程w能量函数能量函数 可证明,
17、若可证明,若g-1为单调增且连续,为单调增且连续,Cj0,Tji=Tij,则,则有有dE/dt0,当且仅当,当且仅当dvi/dt=0时时dE/dt=0。5 5.3.2 .3.2 连续连续连续连续HopfieldHopfield神经网络神经网络神经网络神经网络5.3 反馈型神经网络反馈型神经网络智能优化计算智能优化计算华东理工大学自动化系 2007年 w能量函数能量函数 随着时间的增长,神经网络在状态空间中的解轨迹随着时间的增长,神经网络在状态空间中的解轨迹总是向能量函数减小的方向变化,且网络的稳定点总是向能量函数减小的方向变化,且网络的稳定点就是能量函数的极小点。就是能量函数的极小点。5 5.
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