神经网络算法实现（神经网络算法实现白酒分类）

大家好！今天让创意岭的小编来大家介绍下关于神经网络算法实现的问题，以下是小编对此问题的归纳整理，让我们一起来看看吧。

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本文目录:

• 1、深度学习中的神经网络编写需要设计到哪些算法？

• 2、利用神经网络进行文本分类算法综述（持续更新中）

• 3、神经网络：卷积神经网络（CNN）

• 4、人工神经网络算法与机器学习算法是两种完全不同的算法

一、深度学习中的神经网络编写需要设计到哪些算法？

涉及到的算法有很多，比如反向传播算法、前向传播、卷积算法、矩阵远点的算法、梯度优化的算法、评估算法等等。单纯用算法来描述过于笼统，一般都是直接用对应的数学原理和公式去描述神经网络的编写过程的。首先，定义网络结构，诸如神经元个数、隐层数目、权重、偏置等，其次根据梯度下降进行前向传播，再次反向传播更新梯度，最后是循环往复直到网络最优。

二、利用神经网络进行文本分类算法综述（持续更新中）

传统的文本分类一般都是使用词袋模型/Tf-idf作为特征+机器学习分类器来进行分类的。随着深度学习的发展，越来越多的神经网络模型被用来进行文本分类。本文将对这些神经网络模型做一个简单的介绍。

本文介绍了一种词向量模型，虽然算不得文本分类模型，但由于其可以说是fasttext的基础。因此也简单提一下。

作者认为cbow和skipgram及大部分词向量模型都没有考虑到单词的多态性，而简单的将一个单词的多种形态视为独立的单词。例如like的不同形式有likes，liking，liked，likes，这些单词的意思其实是相同的，但cbow/skipgram模型却认为这些单词是各自独立的，没有考虑到其形态多样性。

因此作者提出了一个可以有效利用单词字符级别信息的n-gram词向量模型，该模型是以skipgram模式实现的。例如单词 where，其n-gram表示为<wh, whe, her, ere, re>, where。其中<>分别表示前后缀。在原始的skipgram模型中，输入仅仅只是where的onehot向量，而在此模型中输入则变成了<wh, whe, her, ere, re>, where的onehot编码的加和，有效的利用了字符级别的信息，因此效果更加好。

而在loss方面，文中采用了负采样+binary LogisticRegression的策略。即对每一个目标单词都预测为正负中的一种。

在本文中作者提供了一个基于神经网络的文本分类模型，这个模型是基于cbow的，与cbow非常类似。

和CBOW一样，fastText模型也只有三层：输入层、隐含层、输出层（Hierarchical Softmax），输入都是多个经向量表示的单词，输出都是一个特定的target，隐含层都是对多个词向量的叠加平均。不同的是，CBOW的输入是目标单词的上下文，fastText的输入是多个单词及其n-gram特征的embeding表示方式，这些特征用来表示单个文档；CBOW的输入单词被onehot编码过，fastText的输入特征是被embedding过；CBOW的输出是目标词汇，fastText的输出是文档对应的类标。输出层的实现同样使用了层次softmax，当然如果自己实现的话，对于类别数不是很多的任务，个人认为是可以直接使用softmax的。

最后，贴一个Keras的模型fasttext简化版。

基于词向量表示，本文提出利用卷积神经网络来进行文本分类。其算法如上图所示：

在本文中，作者尝试了多种不同的词向量模式：

在上一篇文章中CNN网络的输入一般是预训练好的词向量，而在本文中作者提出一种直接将embedding训练与分类任务结合在一起，且能有效提取/保留词序信息，也即有效训练出n-gram的模型方法，其实也可以理解为一种利用CNN来进行embedding的方法。

此外，另一个问题是输入序列长度变化问题（在上一篇文章textCNN中通过padding解决的？），在本文作者提出使用一个动态可变的pooling层来解决这个问题，使得卷积层输出的大小是相同的。关于可变pooling其实与图像识别中的 空间金字塔池化 (Spatial Pyramid Pooling) 是类似的。

这篇文章有点将fastText与TextCNN结合在一起的感觉，将n-gram embedding与分类任务结合在了一起进行训练，通过CNN来进行Embedding。

Text Categorization via Region Embedding》

在本篇文章中作者提出了一个tv-embedding（即two-view embedding），它也属于region embedding（也可以理解为ngram embedding）。这种方法与上面的bow-CNN表示相似，使用bow（bag of words）的方式来表示一个区域的词句，然后通过某个区域（region，左右邻域的单词或词句）来预测其前后的区域（单词或词句），即输入区域是view1，target区域是view2。tv-embedding是单独训练的，在使用的时候与CNN中的embedding组合在一起（形成多个channel？）。作者认为，word2vec方法预训练得到的embedding向量是普适性的，而通过特定任务的数据集的训练得到tv-embedding具有任务相关的一些信息，更有利于提升我们的模型效果。

吐槽一下，这篇文章没太看懂，也可能是英语太差，作者文章中没有那种一眼就能让人理解的网络图，像textCNN的图就非常一目了然，看图就知道是怎么做的了。

本文提出了一个使用监督学习加半监督预训练的基于LSTM的文本分类模型。文章作者与上面相同，所以用到的很多技术可以说与上面也是同出一辙。因此简单说下本文的一些思路。

作者认为已有的直接使用LSTM作为文本分类模型并直接将LSTM的最后一个输出作为后续全连接分类器的方法面临两个问题：（1）这种方式一般都是与word embedding整合在一起（即输入onehot经过一个embedding层再进入LSTM），但是embedding训练不稳定，不好训练；（2）直接使用LSTM最后一个输出来表示整个文档不准确，一般来说LSTM输入中后面的单词会在最后输出中占有较重的权重，但是这对于文章表示来说并不总是对的。因此作者对这两点进行了改进：

本文其实可以看作是作者将自己前面的tv-embedding半监督训练与RCNN的一个融合吧，大有一种一顿操作猛如虎，一看人头0-5的感觉（因为作者的实验结果跟一般的CNN相比其实也抢不了多少）。

本文的作者也是前面两篇使用CNN来进行文本分类处理的文章的作者。因此在本文中，结合了前面两篇文章提出的一些方法，并使用了一个深层的卷积神经网络。具体的细节包括：

更多详细的关于DPCNN的细节可以查看 从DPCNN出发，撩一下深层word-level文本分类模型 。

本文提出了一种基于CNN+Attention的文本分类模型。作者认为已有的基于CNN的文本分类模型大都使用的是固定大小的卷积核，因此其学习到的表示也是固定的n-gram表示，这个n与CNN filter大小相关。但是在进行句子的语义表示时，不同句子发挥重要作用的ngram词语常常是不同的，也即是变化的。因此，模型能根据句子来自适应的选择每个句子最佳的n-gram对于提升模型的语义表示能力是非常关键的。本文便是由此思路提出了一种自适应的来选择不同n-gram表示的模型。

本文模型在主题结构上参照了CV中的DenseNet，借由DenseNet中的稠密连接来提取到丰富的n-gram特征表示。举例来说，在layer3的特征不仅能学习到f(x1, x2, x3)，还能学习到f(x1(x2,x3))这种更多层次，更加丰富的特征。网络的结构主要包括三部分：DenseCNN主网络，Attention module和最后的全连接层分类网络。下面对这三部分进行简单的说明：

本文通过Dense connection + Attention来自动获取对于文本语义最重要的n-gram特征，结果很好。但是缺点是，这个网络比较适合较短的文本，文中对输入文本进行了padding补齐，对于不同数据集最大长度分别为50，100等，但这对于较长的文本明显是不足的。因此对于较长的文本或许HAN这种借用RNN来不限制输入长短的网络会更好。

本文提出了一种结合循环神经网络（RNN）和卷积神经网络来进行文本分类的方法，其结构如上图所示，该网络可以分为三部分：

虽然说是RNN与CNN的结合，但是其实只用到了CNN中的pooling，多少有一点噱头的意思。文中还提到了RCNN为什么比CNN效果好的原因，即为什么RCNN能比CNN更好的捕捉到上下文信息：CNN使用了固定大小window（也即kernel size）来提取上下文信息，其实就是一个n-gram。因此CNN的表现很大程度上受window大小的影响，太小了会丢失一些长距离信息，太大了又会导致稀疏性问题，而且会增加计算量。

在众多自然语言处理任务中，一个非常突出的问题就是训练数据不足，且标注难度大。因此文本提出了一种多任务共享的RNN模型框架，其使用多个不同任务数据集来训练同一个模型共享参数，已达到扩充数据集的作用。

文中作者提出了三个模型，如上图所示：

三个模型的训练方式相同：

本文提出了一个层次LSTM+Attention模型。作者认为，虽然一篇文章有多个句子组成但真正其关键作用的可能是其中的某几个，因此对各个句子施加了注意力机制，以使得对文章语义贡献较多的句子占有更多的权重。同样的，组成一个句子的单词有多个，但是发挥重要作用的可能就那么几个，因此使用注意力机制以使得重要单词发挥更大的作用，这些便是本文的核心思想。整个网络可分为三层，两个LSTM层分别用来进行word encode和sentence encode，最顶上为一个全连接分类层。若加上两层注意力层，则可认为网络为5层。下面简单聊聊这五层网络的结构：

总体来说，本文看起来还是比较有意思的，符合人阅读文章的习惯，我们写文章的时候也是有中心词和中心句的。但是由于这个层级结构是否会导致训练慢或者不好训练还不得而知。最后，文中还提出对文章按长短先进行排序，长度相似的进入一个batch，这将训练速度加快了3倍。

本文提出了一个基于图神经网络的文本分类方法。该方法的主要思想是将所有文章及其包含的词汇都放到一个图网络里面去，图网络中的节点分为两种类型：单词节点和文章节点。其中连接单词节点和文章节点的边的权重使用TF-IDF来表示，而单词与单词之间边的权重则是使用点互信息（PMI）来表示。点互信息与传统语言模型中的条件概率计算方式非常相似。只不过PMI采用的是滑窗方式而条件概率是直接在所有语料中进行统计，可以认为是将所有语料当做一个大窗口，这时就又与PMI相同了。

A表示图网络的邻接矩阵，表示如下：

GCN同样也是可以含有多层隐藏层的，其各个层的计算方式如下：

其中A'为归一化对称邻接矩阵， W0 ∈ R^(m×k) 为权重矩阵，ρ是激活函数，例如 ReLU ρ(x) = max(0,x) 如前所述，可以通过叠加多个GCN层来合并更高阶的邻域信息：

其中j表示层数。

损失函数定义为所有已标记文档的交叉熵误差:

文中提到Text GCN运行良好的原因有两个方面：

但是其也有一些缺：

总的来说，文章的idea还是挺有意思的，效果也还不错。初识GCN可能还是有一点难以理解，可以参考如下资料进行进一步学习：

基于图卷积网络的文本分类算法

如何理解 Graph Convolutional Network（GCN）？

三、神经网络：卷积神经网络（CNN）

神经网络 最早是由心理学家和神经学家提出的，旨在寻求开发和测试神经的计算模拟。

粗略地说， 神经网络 是一组连接的 输入/输出单元 ，其中每个连接都与一个 权 相关联。在学习阶段，通过调整权值，使得神经网络的预测准确性逐步提高。由于单元之间的连接，神经网络学习又称 连接者学习。

神经网络是以模拟人脑神经元的数学模型为基础而建立的，它由一系列神经元组成，单元之间彼此连接。从信息处理角度看，神经元可以看作是一个多输入单输出的信息处理单元，根据神经元的特性和功能，可以把神经元抽象成一个简单的数学模型。

神经网络有三个要素： 拓扑结构、连接方式、学习规则

神经网络的拓扑结构 ：神经网络的单元通常按照层次排列，根据网络的层次数，可以将神经网络分为单层神经网络、两层神经网络、三层神经网络等。结构简单的神经网络，在学习时收敛的速度快，但准确度低。

神经网络的层数和每层的单元数由问题的复杂程度而定。问题越复杂，神经网络的层数就越多。例如，两层神经网络常用来解决线性问题，而多层网络就可以解决多元非线性问题

神经网络的连接 ：包括层次之间的连接和每一层内部的连接，连接的强度用权来表示。

根据层次之间的连接方式，分为：

1）前馈式网络：连接是单向的，上层单元的输出是下层单元的输入，如反向传播网络，Kohonen网络

2）反馈式网络：除了单项的连接外，还把最后一层单元的输出作为第一层单元的输入，如Hopfield网络

根据连接的范围，分为：

1）全连接神经网络：每个单元和相邻层上的所有单元相连

2）局部连接网络：每个单元只和相邻层上的部分单元相连

神经网络的学习

根据学习方法分：

感知器：有监督的学习方法，训练样本的类别是已知的，并在学习的过程中指导模型的训练

认知器：无监督的学习方法，训练样本类别未知，各单元通过竞争学习。

根据学习时间分：

离线网络：学习过程和使用过程是独立的

在线网络：学习过程和使用过程是同时进行的

根据学习规则分：

相关学习网络：根据连接间的激活水平改变权系数

纠错学习网络：根据输出单元的外部反馈改变权系数

自组织学习网络：对输入进行自适应地学习

摘自《数学之美》对人工神经网络的通俗理解：

神经网络种类很多，常用的有如下四种：

1）Hopfield网络，典型的反馈网络，结构单层，有相同的单元组成

2）反向传播网络，前馈网络，结构多层，采用最小均方差的纠错学习规则，常用于语言识别和分类等问题

3）Kohonen网络：典型的自组织网络，由输入层和输出层构成，全连接

4）ART网络：自组织网络

深度神经网络：

Convolutional Neural Networks(CNN)卷积神经网络

Recurrent neural Network(RNN)循环神经网络

Deep Belief Networks(DBN)深度信念网络

深度学习是指多层神经网络上运用各种机器学习算法解决图像，文本等各种问题的算法集合。深度学习从大类上可以归入神经网络，不过在具体实现上有许多变化。

深度学习的核心是特征学习，旨在通过分层网络获取分层次的特征信息，从而解决以往需要人工设计特征的重要难题。

Machine Learning vs. Deep Learning 

神经网络（主要是感知器）经常用于 分类

神经网络的分类知识体现在网络连接上，被隐式地存储在连接的权值中。

神经网络的学习就是通过迭代算法，对权值逐步修改的优化过程，学习的目标就是通过改变权值使训练集的样本都能被正确分类。

神经网络特别适用于下列情况的分类问题：

1) 数据量比较小，缺少足够的样本建立模型

2) 数据的结构难以用传统的统计方法来描述

3) 分类模型难以表示为传统的统计模型

缺点：

1) 需要很长的训练时间，因而对于有足够长训练时间的应用更合适。

2) 需要大量的参数，这些通常主要靠经验确定，如网络拓扑或“结构”。

3)  可解释性差 。该特点使得神经网络在数据挖掘的初期并不看好。

优点：

1) 分类的准确度高

2)并行分布处理能力强

3)分布存储及学习能力高

4)对噪音数据有很强的鲁棒性和容错能力

最流行的基于神经网络的分类算法是80年代提出的 后向传播算法 。后向传播算法在多路前馈神经网络上学习。 

定义网络拓扑

在开始训练之前，用户必须说明输入层的单元数、隐藏层数（如果多于一层）、每一隐藏层的单元数和输出层的单元数，以确定网络拓扑。

对训练样本中每个属性的值进行规格化将有助于加快学习过程。通常，对输入值规格化，使得它们落入0.0和1.0之间。

离散值属性可以重新编码，使得每个域值一个输入单元。例如，如果属性A的定义域为(a0,a1,a2)，则可以分配三个输入单元表示A。即，我们可以用I0 ,I1 ,I2作为输入单元。每个单元初始化为0。如果A = a0，则I0置为1；如果A = a1，I1置1；如此下去。

一个输出单元可以用来表示两个类（值1代表一个类，而值0代表另一个）。如果多于两个类，则每个类使用一个输出单元。

隐藏层单元数设多少个“最好” ，没有明确的规则。

网络设计是一个实验过程，并可能影响准确性。权的初值也可能影响准确性。如果某个经过训练的网络的准确率太低，则通常需要采用不同的网络拓扑或使用不同的初始权值，重复进行训练。

后向传播算法学习过程：

迭代地处理一组训练样本，将每个样本的网络预测与实际的类标号比较。

每次迭代后，修改权值，使得网络预测和实际类之间的均方差最小。

这种修改“后向”进行。即，由输出层，经由每个隐藏层，到第一个隐藏层（因此称作后向传播）。尽管不能保证，一般地，权将最终收敛，学习过程停止。

算法终止条件：训练集中被正确分类的样本达到一定的比例，或者权系数趋近稳定。

后向传播算法分为如下几步：

1) 初始化权

网络的权通常被初始化为很小的随机数（例如，范围从-1.0到1.0，或从-0.5到0.5）。

每个单元都设有一个偏置（bias），偏置也被初始化为小随机数。

2) 向前传播输入

对于每一个样本X，重复下面两步：

向前传播输入，向后传播误差

计算各层每个单元的输入和输出。输入层：输出=输入=样本X的属性；即，对于单元j，Oj = Ij = Xj。隐藏层和输出层：输入=前一层的输出的线性组合,即，对于单元j， Ij =wij Oi + θj，输出=

3) 向后传播误差

计算各层每个单元的误差。

输出层单元j，误差：

Oj是单元j的实际输出，而Tj是j的真正输出。

隐藏层单元j，误差：

wjk是由j到下一层中单元k的连接的权，Errk是单元k的误差

更新 权 和 偏差 ，以反映传播的误差。

权由下式更新：

 其中，△wij是权wij的改变。l是学习率，通常取0和1之间的值。

 偏置由下式更新：

  其中，△θj是偏置θj的改变。

Example

人类视觉原理：

深度学习的许多研究成果，离不开对大脑认知原理的研究，尤其是视觉原理的研究。1981 年的诺贝尔医学奖，颁发给了 David Hubel（出生于加拿大的美国神经生物学家） 和Torsten Wiesel，以及Roger Sperry。前两位的主要贡献，是“发现了视觉系统的信息处理”， 可视皮层是分级的 。

人类的视觉原理如下：从原始信号摄入开始（瞳孔摄入像素Pixels），接着做初步处理（大脑皮层某些细胞发现边缘和方向），然后抽象（大脑判定，眼前的物体的形状，是圆形的），然后进一步抽象（大脑进一步判定该物体是只气球）。

对于不同的物体，人类视觉也是通过这样逐层分级，来进行认知的：

在最底层特征基本上是类似的，就是各种边缘，越往上，越能提取出此类物体的一些特征（轮子、眼睛、躯干等），到最上层，不同的高级特征最终组合成相应的图像，从而能够让人类准确的区分不同的物体。

可以很自然的想到：可以不可以模仿人类大脑的这个特点，构造多层的神经网络，较低层的识别初级的图像特征，若干底层特征组成更上一层特征，最终通过多个层级的组合，最终在顶层做出分类呢？答案是肯定的，这也是许多深度学习算法（包括CNN）的灵感来源。

卷积神经网络是一种多层神经网络，擅长处理图像特别是大图像的相关机器学习问题。卷积网络通过一系列方法，成功将数据量庞大的图像识别问题不断降维，最终使其能够被训练。

CNN最早由Yann LeCun提出并应用在手写字体识别上。LeCun提出的网络称为LeNet，其网络结构如下：

这是一个最典型的卷积网络，由 卷积层、池化层、全连接层 组成。其中卷积层与池化层配合，组成多个卷积组，逐层提取特征，最终通过若干个全连接层完成分类。

CNN通过卷积来模拟特征区分，并且通过卷积的权值共享及池化，来降低网络参数的数量级，最后通过传统神经网络完成分类等任务。

降低参数量级：如果使用传统神经网络方式，对一张图片进行分类，那么，把图片的每个像素都连接到隐藏层节点上，对于一张1000x1000像素的图片，如果有1M隐藏层单元，一共有10^12个参数，这显然是不能接受的。

但是在CNN里，可以大大减少参数个数，基于以下两个假设：

1）最底层特征都是局部性的，也就是说，用10x10这样大小的过滤器就能表示边缘等底层特征

2）图像上不同小片段，以及不同图像上的小片段的特征是类似的，也就是说，能用同样的一组分类器来描述各种各样不同的图像

基于以上两个假设，就能把第一层网络结构简化

用100个10x10的小过滤器，就能够描述整幅图片上的底层特征。

卷积运算的定义如下图所示：

如上图所示，一个5x5的图像，用一个3x3的 卷积核 ：

   101

   010

   101

来对图像进行卷积操作（可以理解为有一个滑动窗口，把卷积核与对应的图像像素做乘积然后求和），得到了3x3的卷积结果。

这个过程可以理解为使用一个过滤器（卷积核）来过滤图像的各个小区域，从而得到这些小区域的特征值。在实际训练过程中， 卷积核的值是在学习过程中学到的。

在具体应用中，往往有多个卷积核，可以认为， 每个卷积核代表了一种图像模式 ，如果某个图像块与此卷积核卷积出的值大，则认为此图像块十分接近于此卷积核。如果设计了6个卷积核，可以理解为这个图像上有6种底层纹理模式，也就是用6种基础模式就能描绘出一副图像。以下就是24种不同的卷积核的示例：

池化 的过程如下图所示：

可以看到，原始图片是20x20的，对其进行采样，采样窗口为10x10，最终将其采样成为一个2x2大小的特征图。

之所以这么做，是因为即使做完了卷积，图像仍然很大（因为卷积核比较小），所以为了降低数据维度，就进行采样。

即使减少了许多数据，特征的统计属性仍能够描述图像，而且由于降低了数据维度，有效地避免了过拟合。

在实际应用中，分为最大值采样（Max-Pooling）与平均值采样（Mean-Pooling）。

LeNet网络结构：

注意，上图中S2与C3的连接方式并不是全连接，而是部分连接。最后，通过全连接层C5、F6得到10个输出，对应10个数字的概率。

卷积神经网络的训练过程与传统神经网络类似，也是参照了反向传播算法

第一阶段，向前传播阶段：

a）从样本集中取一个样本(X,Yp)，将X输入网络；

b）计算相应的实际输出Op

第二阶段，向后传播阶段

a）计算实际输出Op与相应的理想输出Yp的差；

b）按极小化误差的方法反向传播调整权矩阵。

四、人工神经网络算法与机器学习算法是两种完全不同的算法

人工神经网络算法与机器学习算法是两种完全不同的算法，他们的区别在于：

人工神经网络(Artificial Neural Network，简称ANN)是一种有监督学习算法，它试图通过模拟人脑神经系统对复杂信息的处理机制来构建一种数学模型。

该算法是最知名、应用最为广泛的机器学习算法，可以毫不夸张地说，你所能接触到的人工智能产品，绝大部分都使用了神经网络算法，比如手机经常用到的人脸识别、文字识别、语音识别、指纹识别等，都是基于神经网络分类算法实现的。

机器学习（MachineLearning，ML）逐渐成为热门学科，主要目的是设计和分析一些学习算法，让计算机从数据中获得一些决策函数，从而可以帮助人们解决一些特定任务，提高效率。它的研究领域涉及了概率论、统计学、逼近论、凸分析、计算复杂性理论等多门学科。

机器学习最成功的应用领域是计算机视觉，虽然也还是需要大量的手工编码来完成工作。人们需要手工编写分类器、边缘检测滤波器，以便让程序能识别物体从哪里开始，到哪里结束；写形状检测程序来判断检测对象是不是有八条边；写分类器来识别字母“ST-O-P”。使用以上这些手工编写的分类器，人们总算可以开发算法来感知图像，判断图像是不是一个停止标志牌。

以上就是关于神经网络算法实现相关问题的回答。希望能帮到你，如有更多相关问题，您也可以联系我们的客服进行咨询，客服也会为您讲解更多精彩的知识和内容。

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