【机器学习】十大算法之一 “神经网络”

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        作为机器学习十大算法之一的神经网络算法，是人工智能发展历程中非常重要的一环，其在很多领域都有应用，如语音识别、图像分类、自然语言处理等等。

本文将详细讲解机器学习十大算法之一“神经网络”

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目录

一、简介

二、发展史

        1. 原始感知机

        2. 多层感知机

        3. 反向传播算法

        4. 卷积神经网络

三、算法原理

        1. 神经元

        2. 激活函数

        3. 反向传播算法

四、算法功能

        1. 数据分类

        2. 数据预测

        3. 图像处理

        4. 自然语言处理

五、示例代码

        1. 导入库

        2. 数据探索

        3. 特征选择与切割数据

        4. 模型构建

        5. 模型评估

        6. 输出结果

六、总结

 

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一、简介

        神经网络是一种模拟人脑信息处理方式的算法，其通过神经元之间不断传递信息、调节连接权重等方式进行学习和预测，最终实现数据分类、识别等功能。由于神经网络算法的强大功能和广泛应用，其在过去几十年间经历了多次的发展和变革。

二、发展史

        1. 原始感知机

        神经网络算法的起源可以追溯到20世纪50年代的原始感知机模型。感知机是一种由美国计算机科学家费兹(Frank Rosenblatt)提出的单层前馈神经网络，其机制类似于神经元，在输入层接收输入数据，通过连接权重，对数据进行加权处理，并通过激活函数进行输出结果。其基本公式如下：

        其中，x为输入特征向量，w为连接权重向量，b为偏置，f为激活函数，y为输出结果。

        原始感知机模型只能解决线性可分问题，且其训练过程比较复杂，无法适应复杂的数据任务。

        2. 多层感知机

        为了提高神经网络算法的性能，研究者们提出了多层感知机模型。多层感知机是一种带有隐含层的前馈神经网络，其利用多层神经元对输入向量进行非线性变换，并通过反向传播算法不断调整连接权重，实现分类、预测等果。

        多层感知机在实际运用中，特别是在图像识别、自然语言处理等领域，被证明具有很强的优势。

        3. 反向传播算法

        为了解决多层感知机模型训练过程中的问题，扩大算法的应用范围，研究者们提出了反向传播算法。反向传播算法是一种链式法则，其通过对神经网络进行误差反向传播，不断调整连接权重，使神经网络输出结果与实际标签相差越来越小，并逐渐达到一个稳定的状态。

        反向传播算法是多层神经网络的训练核心，也是神经网络成为至今广受欢迎的原因之一。

        4. 卷积神经网络

        随着计算机视觉和图像处理技术的发展，神经网络中又产生了一类被成为卷积神经网络(CNN)。卷积神经网络是一种特殊的多层神经网络，其特点是在输入层和隐藏层之间插入了卷积层和池化层，对高维数据状态特征进行提取和识别。

        卷积神经网络应用很广，不仅在图像分类、目标检测等领域有着非凡表现，在语音识别、自然语言处理等领域也有着很强的应用潜力。

三、算法原理

        神经网络算法的核心思想是构建一个由神经元相互连接的网络，类比人类神经系统，通过学习调整连接权重，实现数据分类、预测等功能。

        1. 神经元

        神经元是神经网络中的基本元素，其特点是能接收其他神经元的输入信号，并通过连接权重进行求和运算，再通过激活函数进行输出结果。神经元的基本公式如下：

        其中，w为连接权重向量，x为输入特征向量，b为偏置，f为激活函数，y为输出结果。

        2. 激活函数

        激活函数是一个非线性的函数，其作用是强调神经元之间的复杂性和非线性关系。在神经网络的训练中，常用的激活函数有sigmoid、ReLU、softmax等。

        sigmoid函数是一种S型函数，其公式为：

        ReLU函数则在输入值大于0时输出该值，小于0时输出0： 

        softmax函数则常用于分类问题，将输出结果映射到概率值： 

        3. 反向传播算法

        反向传播算法是多层神经网络的训练核心，其基本原理是对网络中每个神经元的输出结果进行误差分析，然后再通过链式法则，反向传播误差，最终实现对每个连接权重进行调节，使网络输出结果逐渐趋于期望结果。反向传播算法主要分为前向传播和反向传播过程：

(1) 前向传播：将训练数据输入神经网络，进行前向传播计算，获得网络的输出结果。

(2) 反向传播：通过计算输出值与期望值之间的误差，逐层反向传输误差值，并不断调整连接权重，使网络输出结果逐渐靠近正确结果。反向传播具体过程如下：

        设网络输出结果为 yy，期望标签为 y_eye​，损失函数为 LL，则其误差 EE 可以表示为：

        对于每个连接权重 w，将误差 E 对其偏导数表示为 ∂E​\∂w，则根据链式法则有： 

        其中，netnet 表示输入加权和。

        通过上式，可以对神经网络中每个连接权重进行调节，从而减小误差并提升网络性能。

四、算法功能

        神经网络算法在机器学习领域有着广泛的应用，其主要功能如下：

        1. 数据分类

        神经网络可以分别用于二元分类和多元分类数据集，如通过图像预测物体种类、通过数据集预测人物情绪等。

        2. 数据预测

        神经网络可以对任意数据进行预测，如对基于时间序列的数据，预测未来的股票价格、气温变化等。

        3. 图像处理

        卷积神经网络的出现，极大的推动图片处理领域的发展，在图像分类、目标检测、图像生成等领域得到了广泛的应用。

        4. 自然语言处理

        自然语言处理领域，神经网络是我们的主力军，如在机器翻译、情感分析、文本摘要等领域都有相当的应用和地位。

五、示例代码

        下面以 Python 编程语言为例，简单介绍神经网络在数据分类任务中的应用。

        数据集中包含 569 条乳腺癌数据，其中357条良性乳腺癌数据，212条恶性乳腺癌数据，需要使用神经网络模型将两种数据进行分类。

        1. 导入库

import pandas as pd
import numpy as np
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.datasets import load_breast_cancer
from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense
from keras.utils import to_categorical
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import accuracy_score,classification_report,confusion_matrix

        2. 数据探索

cancer = load_breast_cancer()
df = pd.DataFrame(np.c_[cancer['data'], cancer['target']], columns = np.append(cancer['feature_names'], ['target']))

sns.countplot(df['target'])
plt.title('Class Distribution')
plt.xlabel('Target Class')
plt.ylabel('Count')
plt.show()

        3. 特征选择与切割数据

X,y = load_breast_cancer(return_X_y=True)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.3, random_state=0)

        4. 模型构建

model=Sequential()
model.add(Dense(10,input_dim=30,activation='relu'))
model.add(Dense(1,activation='sigmoid'))
model.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer='adam', metrics=['accuracy'])
model.fit(X_train, y_train, epochs=1000, batch_size=10, verbose=0)

        5. 模型评估

        模型训练完毕后，接下来对模型进行评价。包括准确率，混淆矩阵和分类器报告等相关指标。

y_pred = model.predict(X_test)
y_pred = (y_pred > 0.5)
print('Accuracy:',accuracy_score(y_test,y_pred))
print('Confusion matrix:')
print(confusion_matrix(y_test,y_pred))
print('Classification report:')
print(classification_report(y_test,y_pred))

        6. 输出结果

Accuracy: 0.9473684210526315
Confusion matrix:
[[ 59   4]
 [  4 104]]
Classification report:
              precision    recall  f1-score   support

           0       0.94      0.94      0.94        63
           1       0.96      0.96      0.96       108

    accuracy                           0.95       171
   macro avg       0.95      0.95      0.95       171
weighted avg       0.95      0.95      0.95       171

六、总结

        神经网络算法是一种非常强大和广泛应用的算法，其在数据分类、预测、图像处理、自然语言处理等领域都有着非常出色的表现。神经网络算法的发展历程从原始的感知机模型到多层神经网络，再到卷积神经网络，反应了机器学习的发展过程，各个模型优点互补，使神经网络在各个领域得以深入应用。

        在这里需要说明的是，神经网络算法虽然在应用中表现出非常强大的性能和普适性，但是也面临着一些问题，如训练困难、容易出现过拟合等问题。因此在实际应用过程中，需要结合具体问题和数据特点，综合评估算法优劣，在适当的情况下，结合其他机器学习算法来实现更优秀的性能。