rbf神经网络 c语言,RBF神经网络极简介绍及其算法R语言实现

最近deep learning的研究和话题开始又火了起来。然而我却还停留在RBF神经网络的阶段。真是屌丝得不能再屌丝。对SVM也还是一知半解，机器学习最多也就是个入门级别，看来离成为一名数据科学家和数据工作者的道路还很远。这一周时间在研究神经网络，当然内容是很初级的。所以这篇日志比较适合入门者。我写下它也权当是学习过程的记录。写了点R代码，也共享出来。这篇日记不涉及任何数学公式。RBF在我看来，本质上就是非参数回归模型(参见Element of statistical learning的11章)。依据Cover的理论，它先将数据非线性映射到一个更高维度的空间中，然后再在高维空间用线性模型来做回归或者分类。从而得到一个较好的效果。Vapnik曾经说过，一个好的理论是最为实用的。Cover的理论体现了这一点。Cover理论是说，数据在高维空间更倾向于线性可分的，或者更倾向于用线性模型来拟合。从这个理论出发，发展出来了一系列模型。都取得了不错的效果。RBF神经网络，是首先利用RBF，即径向基函数，来首先将数据映射到一个更高的空间。关于RBF，可以参看我的读书笔记。之后的在高维空间上的线性模型，是比较容易实现的。这里就不多说了。基于上面的描述，RBF神经网络的学习过程包含了两步，第一步要学习RBF的参数。一般来说选择Gaussian函数作为RBF，则其参数包括两个，位置参数和刻度参数，即center和width。最简单的方法是用kmeans聚类，学习出center，而用每个聚类中的方差来作为width的估计。学习完RBF的参数之后，我们需要学习高维空间中线性模型的系数，该系数，可以使用基本的最小二乘方法，但是很可能遇见矩阵求逆很麻烦的情况。因此，往往是用递归最小二乘RLS，给出其中需要求逆的矩阵的一个递归形式，使得计算上比较方便。关于RBF神经网络更多的内容，请参看神经网络与机器学习一书。闲话不多说了，下面直接上代码。代码用R语言写成，其中包含3个函数，simData用来生成模拟的数据，用以RBF网络的训练和检测。Euc_dist用以计算两个向量的欧式距离。mysign则给出某个值的符号。训练RBF的算法即为上述的，最为基础和简单的Kmeans和RLS。simData=function(radius,width,distance,sample_size){aa1=runif(sample_size/2)aa2=runif(sample_size/2)rad=(radius-width/2)+width*aa1theta=pi*aa2x=rad*cos(theta)y=rad*sin(theta)label=1*rep(1,length(x))x1=rad*cos(-theta)+rady1=rad*sin(-theta)-distancelabel1=-1*rep(1,length(x1))n_row=length(x)+length(x1)data=matrix(rep(0,3*n_row),nrow=n_row,ncol=3)data[,1]=c(x,x1)data[,2]=c(y,y1)data[,3]=c(label,label1)data}dataSim=simData(radius=10,width=6,distance=-6,sample_size=3000)plot(dataSim[,1],dataSim[,2],col=ifelse(dataSim[,3]==1,"red","green"),xlab="x",ylab="y")

Euc_dist=function(a,b){sqrt(sum((a-b)^2))}mysign=function(d){1*(d>=0)+(-1)*(d<0)}#############算法主体部分######################################num_input=dim(dataSim)[2]-1 #输入训练样本为矩阵num_hidden_node=6 #隐层结点数num_out=1 #输出层结点数data_train=dataSimnum_train=dim(data_train)[1]########初始化c_threshold=1e-3c_delta=Infw=matrix(rep(0,num_hidden_node*num_out),nrow=num_hidden_node,ncol=num_out) #权重矩阵sig=0.01P=matrix(rep(0,6^2),nrow=6) #RLS算法中的R^-1for(i in 1:6){P[i,i]=1*sig^(-1)}c=simData(radius=10,width=6,distance=-6,sample_size=num_hidden_node) #RBF中心的初值c=c[,-3]iter_train_min=10 #训练次数epochs=50 #轮次w_threshold=1e-8mse_threshold=1e-6w_delta=Infn=1m=1eta=1 #学习速率err=0 #错误检测计数器pos_vector=rep(1,num_train) #位置向量，用以标记属于某个聚类的样本的位置mse=vector()ee=vector()################Kmeans算法while(c_delta>c_threshold && n<=num_train){x=data_train[n,-3]y=data_train[n,3]eu_dist=vector()for(i in 1:num_hidden_node){eu_dist[i]=Euc_dist(x,c[i,])}eu_min_value=min(eu_dist)eu_min_pos=order(eu_dist)[1]c[eu_min_pos,]=c[eu_min_pos,]+eta*(x-c[eu_min_pos,])pos_vector[n]=eu_min_posn=n+1}############计算每个聚类中的方差tem_vec=vector()sigma=vector()for(i in 1:num_hidden_node){tem_vec=(pos_vector==i)dist_temp=0for(j in 1:num_train){if(tem_vec[j]==TRUE)dist_temp=Euc_dist(c[i,],data_train[j,-3])+dist_temp}sigma[i]=dist_temp/sum(tem_vec)}g=matrix(rep(0,num_hidden_node),nrow=num_hidden_node)#####################训练输出层权重for(epoch in 1:epochs){random_seq=sample(seq(1:num_train),replace=FALSE)data_randomized_tr=data_train[random_seq,]for(m in 1:num_train){x=data_randomized_tr[m,-3]d=data_randomized_tr[m,3]for(i in 1:num_hidden_node)g[i,]=exp(-t(x-c[i,])%*%(x-c[i,])/(2*sigma[i]^2))#########RLS算法pai=P%*%gkk=pai/(1+t(g)%*%pai)[1,1]e=d-mysign(t(w)%*%g)w_delta=t(kk*e[1,1])ee[m]=d-mysign(t(w)%*%g)w=w+t(w_delta)P=P-kk%*%t(g)%*%P}mse[epoch]=mean(ee^2)if(mse[epoch]1e-6)err=err+1}err/num_test最后得到的效果还行，3000个训练样本，2000个检测样本，最终分类错误率在8%以内。当然，由于随机数，如果你在自己机器上跑上述代码，获得的结果应该与我的不同。上一篇：R语言学习系列(数据挖掘之决策树算法实现--ID3代码篇)

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