自组织竞争型神经网络概述.pptx
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1、第四章第四章 自组织竞争型神经网络自组织竞争型神经网络本章主要介绍自组织竞争型神经网络结构、本章主要介绍自组织竞争型神经网络结构、学习算法,及相关理论。学习算法,及相关理论。1自组织竞争型神经网络概述第1页第四章自组织竞争型神经网络第四章自组织竞争型神经网络4.1 序言序言4.2 竞竞争学争学习习概念和原理概念和原理4.3自组织特征映射神经网络自组织特征映射神经网络4.4自组织特征映射神经网络自组织特征映射神经网络设计设计4.5 对偶传输神经网络对偶传输神经网络4.6小结小结2自组织竞争型神经网络概述第2页4.1 序言序言n在生物神经系统中,存在着一个侧抑制现象,即在生物神经系统中,存在着一个
2、侧抑制现象,即一个神经细胞兴奋以后,会对周围其它神经细胞一个神经细胞兴奋以后,会对周围其它神经细胞产生抑制作用。这种抑制作用会使神经细胞之间产生抑制作用。这种抑制作用会使神经细胞之间出现竞争,其结果是一些获胜,而另一些则失败。出现竞争,其结果是一些获胜,而另一些则失败。表现形式是获胜神经细胞兴奋,失败神经细胞抑表现形式是获胜神经细胞兴奋,失败神经细胞抑制。制。n自组织竞争型神经网络就是模拟上述生物神经系自组织竞争型神经网络就是模拟上述生物神经系统功效人工神经网络。统功效人工神经网络。3自组织竞争型神经网络概述第3页n自组织竞争型神经网络是一个无教师监督学习,自组织竞争型神经网络是一个无教师监督
3、学习,含有自组织功效神经网络。网络经过本身训练,含有自组织功效神经网络。网络经过本身训练,能自动对输入模式进行分类。这一点与能自动对输入模式进行分类。这一点与Hopfield网络模拟人类功效十分相同,自组织竞争型神经网络模拟人类功效十分相同,自组织竞争型神经网络结构及其学习规则与其它神经网络相比有自网络结构及其学习规则与其它神经网络相比有自己特点。己特点。n在网络结构上,它普通是由输入层和竞争层组成在网络结构上,它普通是由输入层和竞争层组成两层网络。两层之间各神经元实现双向连接,而两层网络。两层之间各神经元实现双向连接,而且网络没有隐含层。有时竞争层各神经元之间还且网络没有隐含层。有时竞争层各
4、神经元之间还存在横向连接。存在横向连接。4自组织竞争型神经网络概述第4页n在学习算法上,它模拟生物神经元之间兴奋、协在学习算法上,它模拟生物神经元之间兴奋、协调与抑制、竞争作用信息处理动力学原理来指导调与抑制、竞争作用信息处理动力学原理来指导网络学习与工作,而不像大多数神经网络那样是网络学习与工作,而不像大多数神经网络那样是以网络误差或能量函数作为算法准则。以网络误差或能量函数作为算法准则。n竞争型神经网络组成基本思想是网络竞争层各神竞争型神经网络组成基本思想是网络竞争层各神经元竞争对输入模式响应机会,最终仅有一个神经元竞争对输入模式响应机会,最终仅有一个神经元成为竞争胜者。这一获胜神经元则表
5、示对输经元成为竞争胜者。这一获胜神经元则表示对输入模式分类。入模式分类。5自组织竞争型神经网络概述第5页n自组织竞争人工神经网络是基于上述生物结构自组织竞争人工神经网络是基于上述生物结构和现象形成。它能够对输入模式进行自组织训和现象形成。它能够对输入模式进行自组织训练和判断,并将其最终分为不一样类型。练和判断,并将其最终分为不一样类型。n与与BP网络相比,这种自组织自适应学习能力深网络相比,这种自组织自适应学习能力深入拓宽了人工神经网络在模式识别、分类方面入拓宽了人工神经网络在模式识别、分类方面应用,另首先,竞争学习网络关键应用,另首先,竞争学习网络关键竞争层,竞争层,又是许各种其它神经网络模
6、型主要组成部分。又是许各种其它神经网络模型主要组成部分。6自组织竞争型神经网络概述第6页惯用自组织网络惯用自组织网络n自组织特征映射自组织特征映射(Self-Organizing Feature Map)网络网络n对偶传输对偶传输(Counter propagation)网络网络 返回返回 7自组织竞争型神经网络概述第7页自组织神经网络经典结构自组织神经网络经典结构竞争层竞争层输入层输入层4.2 竞争学习概念与原理竞争学习概念与原理8自组织竞争型神经网络概述第8页分类分类分类是在类别知识等导师信号指分类是在类别知识等导师信号指导下,将待识别输入模式分配到各自模导下,将待识别输入模式分配到各自模
7、式类中去。式类中去。聚类聚类无导师指导分类称为聚类,聚类无导师指导分类称为聚类,聚类目标是将相同模式样本划归一类,而将目标是将相同模式样本划归一类,而将不相同分离开不相同分离开。4.2 竞争学习概念与原理竞争学习概念与原理竞争学习概念竞争学习概念9自组织竞争型神经网络概述第9页 相同性测量相同性测量欧式距离法欧式距离法两个模式向量欧式距离越小,两两个模式向量欧式距离越小,两个向量越靠近,所以认为这两个个向量越靠近,所以认为这两个模式越相同,当两个模式完全相模式越相同,当两个模式完全相同时其欧式距离为零。假如对同同时其欧式距离为零。假如对同一类内各个模式向量间欧式距离一类内各个模式向量间欧式距离
8、作出要求,不允许超出某一最大作出要求,不允许超出某一最大值值T T,则最大欧式距离,则最大欧式距离T T就成为一就成为一个聚类判据,同类模式向量距离个聚类判据,同类模式向量距离小于小于T T,两类模式向量距离大于,两类模式向量距离大于T T。10自组织竞争型神经网络概述第10页 相同性测量相同性测量余弦法余弦法两个模式向量越靠近,其夹角越两个模式向量越靠近,其夹角越小,余弦越大。当两个模式向量小,余弦越大。当两个模式向量完全相同时,其余弦夹角为完全相同时,其余弦夹角为1 1。假如对同一类内各个模式向量间假如对同一类内各个模式向量间夹角作出要求,不允许超出某一夹角作出要求,不允许超出某一最大夹角
9、最大夹角a a,则最大夹角就成为,则最大夹角就成为一个聚类判据。同类模式向量夹一个聚类判据。同类模式向量夹角小于角小于a a,两类模式向量夹角大,两类模式向量夹角大于于a a。余弦法适合模式向量长度。余弦法适合模式向量长度相同和模式特征只与向量方向相相同和模式特征只与向量方向相关相同性测量。关相同性测量。11自组织竞争型神经网络概述第11页竞争学习原理竞争学习原理竞争学习规则竞争学习规则Winner-Take-AllWinner-Take-All网络输出神经元之间相互竞争以求被激活,结网络输出神经元之间相互竞争以求被激活,结果在每一时刻只有一个输出神经元被激活。这果在每一时刻只有一个输出神经元
10、被激活。这个被激活神经元称为竞争获胜神经元,而其它个被激活神经元称为竞争获胜神经元,而其它神经元状态被抑制,故称为神经元状态被抑制,故称为Winner Take Winner Take AllAll。4.2 竞争学习概念与原理竞争学习概念与原理12自组织竞争型神经网络概述第12页1.1.向量归一化向量归一化 首先将当前输入模式向量首先将当前输入模式向量X X和竞争层中各神经元对应内星向量和竞争层中各神经元对应内星向量W Wj j 全部全部进行归一化处理;进行归一化处理;(j=1,2,m)(j=1,2,m)13自组织竞争型神经网络概述第13页向量归一化之向量归一化之前前14自组织竞争型神经网络概
11、述第14页向量归一化之向量归一化之后后15自组织竞争型神经网络概述第15页竞争学习原理竞争学习原理竞争学习规则竞争学习规则Winner-Take-All2.2.寻找获胜神经元寻找获胜神经元 当网络得到一个输入模式向当网络得到一个输入模式向量时,竞争层全部神经元对应内星权向量均与其量时,竞争层全部神经元对应内星权向量均与其进行相同性比较,并将最相同内星权向量判为竞进行相同性比较,并将最相同内星权向量判为竞争获胜神经元。争获胜神经元。欲使两单位向量最相同,须使其点积最大。即:欲使两单位向量最相同,须使其点积最大。即:16自组织竞争型神经网络概述第16页从上式能够看出,欲使两单位向量欧式距离最小,须
12、使两向量从上式能够看出,欲使两单位向量欧式距离最小,须使两向量点积最大。即:点积最大。即:竞争学习规则竞争学习规则Winner-Take-All17自组织竞争型神经网络概述第17页3.3.网络输出与权值调整网络输出与权值调整 j j j*j*步骤步骤3 3完成后回到步骤完成后回到步骤1 1继续训练,直到学习率衰减到继续训练,直到学习率衰减到0 0。竞争学习规则竞争学习规则Winner-Take-All18自组织竞争型神经网络概述第18页竞争学习几何意义竞争学习几何意义19自组织竞争型神经网络概述第19页 *1W *jW *)()()()(*ttttjpWXW-=hD *)(*1tj+W )(t
13、pX jW mW *竞争学习几何意义竞争学习几何意义20自组织竞争型神经网络概述第20页例例4.1 4.1 用竞争学习算法将以下各模式分为用竞争学习算法将以下各模式分为2 2类类:解:为作图方便,将上述模式转换成极坐标形式解:为作图方便,将上述模式转换成极坐标形式 :竞争层设两个权向量,随机初始化为单位向量:竞争层设两个权向量,随机初始化为单位向量:21自组织竞争型神经网络概述第21页22自组织竞争型神经网络概述第22页23自组织竞争型神经网络概述第23页24自组织竞争型神经网络概述第24页25自组织竞争型神经网络概述第25页26自组织竞争型神经网络概述第26页27自组织竞争型神经网络概述第2
14、7页28自组织竞争型神经网络概述第28页29自组织竞争型神经网络概述第29页30自组织竞争型神经网络概述第30页31自组织竞争型神经网络概述第31页32自组织竞争型神经网络概述第32页n1981年芬兰年芬兰Helsink大学大学T.Kohonen教授提出一教授提出一个自组织特征映射网,简称个自组织特征映射网,简称SOM网,又称网,又称Kohonen网。网。nKohonen认为:一个神经网络接收外界输入模认为:一个神经网络接收外界输入模式时,将会分为不一样对应区域,各区域对输式时,将会分为不一样对应区域,各区域对输入模式含有不一样响应特征,而且这个过程是入模式含有不一样响应特征,而且这个过程是自
15、动完成。自组织特征映射正是依据这一看法自动完成。自组织特征映射正是依据这一看法提出来,其特点与人脑自组织特征相类似。提出来,其特点与人脑自组织特征相类似。4.3自组织特征映射神经网络自组织特征映射神经网络33自组织竞争型神经网络概述第33页SOMSOM网生物学基础网生物学基础生物学研究事实表明,在人脑感觉通道上,神经元生物学研究事实表明,在人脑感觉通道上,神经元组织原理是有序排列。所以当人脑经过感官接收外界组织原理是有序排列。所以当人脑经过感官接收外界特定时空信息时,大脑皮层特定区域兴奋,而且类特定时空信息时,大脑皮层特定区域兴奋,而且类似外界信息在对应区域是连续映象。似外界信息在对应区域是连
16、续映象。对于某一图形或某一频率特定兴奋过程,神经元有对于某一图形或某一频率特定兴奋过程,神经元有序排列以及对外界信息连续映象是自组织特征映射网序排列以及对外界信息连续映象是自组织特征映射网中竞争机制生物学基础。中竞争机制生物学基础。34自组织竞争型神经网络概述第34页SOMSOM网拓扑结构网拓扑结构SOMSOM网共有两层,输入层模拟感知外界输入信息视网共有两层,输入层模拟感知外界输入信息视网膜,输出层模拟做出响应大脑皮层。网膜,输出层模拟做出响应大脑皮层。35自组织竞争型神经网络概述第35页SOMSOM网权值调整域网权值调整域 SOM网获胜神经元对其邻近神经元影响是由近及网获胜神经元对其邻近神
17、经元影响是由近及远,由兴奋逐步转变为抑制,所以其学习算法中远,由兴奋逐步转变为抑制,所以其学习算法中不但获胜神经元本身要调整权向量,它周围神经不但获胜神经元本身要调整权向量,它周围神经元在其影响下也要程度不一样地调整权向量。这元在其影响下也要程度不一样地调整权向量。这种调整可用三种函数表示:种调整可用三种函数表示:36自组织竞争型神经网络概述第36页37自组织竞争型神经网络概述第37页SOMSOM网权值调整域网权值调整域以获胜神经元为中心设定一个邻域半径,该半径圈以获胜神经元为中心设定一个邻域半径,该半径圈定范围称为优胜邻域。在定范围称为优胜邻域。在SOM网学习算法中,优网学习算法中,优胜邻域
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