山东大学计算机学院2023-2024第一学期神经网络与深度学习期末考试回忆版

Lyapunov函数——能量函数 作为网络的稳定性度量 wijoioj：网络的一致性测度。 xjoj：神经元的输入和输出的一致性测度。 θjoj：神经元自身的稳定性的测度。

用Python实现BP神经网络

风功率预测是能源领域的重要研究课题，特别是在可再生能源利用中占据关键地位的风电场运营中。随着技术的进步，神经网络模型被广泛应用于风功率预测，因其强大的非线性建模能力，能有效处理复杂的气候数据变化。本项目是基于神经网络的风功率预测在MATLAB环境下的具体实现。 我们要理解神经网络的基本概念。神经网络是一种模拟人脑神经元工作原理的计算模型，由大量的节点（神经元）和连接这些节点的边（权重）构成。在风功率预测中，神经网络可以学习并捕获风速、风向等气象参数与风力发电量之间的复杂关系。 MATLAB是一个强大的数学计算软件，它提供了丰富的神经网络工具箱（Neural Network Toolbox），用于构建、训练和测试各种类型的神经网络模型。在这个项目中，我们可能会用到如Feedforward网络（前馈网络）或者Recurrent Neural Networks（循环神经网络），它们都能处理时间序列数据，适合风功率这种具有时间依赖性的预测任务。 文件"yucemin5.m"很可能是实现神经网络模型的MATLAB代码。在这个文件中，开发者可能定义了神经网络结构，如输入层（风速、风向等气象参数）、隐藏层以及输出层（预测的风功率）。同时，它可能包含了训练网络的步骤，如设置学习率、迭代次数等，并使用反向传播算法优化权重。 文件"fengsu5min.mat"和"gonglv5min.mat"是数据文件，分别存储了5分钟间隔的风速和风功率数据。在MATLAB中，.mat文件常用来存储变量或数据集。这两个文件的数据可能被读入到代码中，作为训练和测试神经网络模型的输入。风速是直接影响风力发电机输出功率的关键因素，而风功率则是我们需要预测的目标变量。 在实际应用中，预测模型通常需要经过以下步骤： 1. 数据预处理：清洗数据，处理缺失值，可能需要对风速和风功率进行归一化或标准化操作，以便更好地适应神经网络的训练。 2. 特征选择：选取对风功率影响较大的气象参数作为输入特征。 3. 模型构建：在MATLAB中创建神经网络结构，设定网络层数、节点数、激活函数等。 4. 训练模型：使用历史数据训练神经网络，调整网络参数以最小化预测误差。 5. 验证与调优：通过交叉验证或保留一部分数据来评估模型性能，根据结果调整网络参数或改进模型。 6. 预测：将训练好的模型应用于新的风速数据，得到未来风功率的预测值。 在风功率预测领域，准确的预测可以帮助风电场运营商更有效地调度电力系统，提高经济效益。因此，不断探索和优化预测模型，如使用更先进的神经网络架构，如LSTM（长短时记忆网络）或GRU（门控循环单元），以及集成学习等方法，都是持续的研究方向。

数据文件给出了1月1日至5月31日每天某风电场风电机组的监测数据，包括风速、风向和机组的输出功率。 要求采用BP网络和改进BP网络对机组输出功率进行预测，预测时间范围为5月1日至5月31日。 1. 根据 风速与风向，预测机组的输出功率。1到4月份为训练样本，预测时间范围为5月1日至5月31日。 采用 均方根误差，平均相对误差、离差与相关系数等指标，分析比较预测性能。 2. 分别采用 自适应线性网络与BP神经网络进行预测，在相同的训练精度下，从网络结构、预测精度、训练时间、训练次数等比较两者性能。 3. 比较 在数据进行预处理（归一化）及不进行预处理情况下，BP网络训练的效果。 【风电功率预测】基于MATLAB的BP神经网络技术在风能领域的应用，是利用神经网络模型预测风电机组输出功率的重要方法。此项目涉及到的主要知识点包括： 1. **BP神经网络**：反向传播（Backpropagation, BP）神经网络是一种多层前馈网络，通过梯度下降法调整权重来最小化预测输出与实际输出之间的误差。在这个任务中，BP网络被用来根据风速和风向数据预测风电功率。 2. **数据预处理**：在训练神经网络前，通常需要对数据进行预处理，如归一化，使得数据在同一尺度上，提高训练效率和预测准确性。在案例中，`mapminmax`函数用于将输入和输出数据进行归一化。 3. **训练与测试数据集划分**：1月1日至4月30日的数据作为训练集，用于构建和训练模型；5月1日至5月31日的数据作为测试集，评估模型的预测性能。 4. **模型评估指标**：为了评估预测模型的性能，使用了以下几种指标： - **均方根误差（RMSE）**：衡量预测值与真实值之间平均差异的平方根，数值越小表示预测精度越高。 - **平均相对误差（MRE）**：比较预测值与真实值的比例，用于衡量预测误差相对于真实值的平均大小。 - **平均离差（MD）**：计算预测值与真实值的绝对差值的平均值。 - **相关系数**：衡量预测值与真实值之间的线性相关程度，取值范围在-1到1之间，1表示完全正相关，-1表示完全负相关，0表示无关联。 5. **自适应线性网络（Adaptive Linear Network, Adaline）**：与BP网络相比，Adaline网络是一种简单的线性神经网络，仅包含一个隐藏层且没有激活函数。在本案例中，Adaline和BP网络进行了比较，考察了在网络结构、预测精度、训练时间和训练次数等方面的性能差异。 6. **训练参数设置**：在MATLAB中，通过设置`net.trainParam.epochs`确定最大训练循环次数，`net.trainParam.goal`定义期望的目标误差，这些参数影响模型的训练过程和收敛速度。 7. **预测过程**：训练完成后，使用训练好的网络对测试集数据进行预测，并通过`sim(net,inputn_test)`得到预测结果。预测结果的准确性通过与实际输出的比较进行分析。 8. **误差分析**：通过计算RMSE、MRE、MD和相关系数，对模型的预测误差进行量化分析，以评估模型的预测性能。 9. **代码实现**：MATLAB提供了丰富的工具箱，如神经网络工具箱，用于创建、训练和评估神经网络模型。在代码中，`newlin`函数用于创建线性网络，`newff`函数用于创建多层前馈网络（BP网络），`train`函数执行网络训练，`sim`函数进行网络预测。 10. **未归一化的数据处理**：在问题1-2中，使用了未经过归一化的数据训练BP网络，这可能会导致训练过程中的梯度消失或梯度爆炸问题，影响模型的收敛性和预测精度。 通过这个风电功率预测项目，可以深入理解神经网络在实际问题中的应用，以及如何通过MATLAB进行建模、训练和性能评估。同时，它也强调了数据预处理的重要性以及不同神经网络架构的选择和比较。

卷积和全连接神经网络实现手写数字识别 本文档介绍了使用卷积神经网络和全连接神经网络实现手写数字识别的方法。文档中首先介绍了实验的内容和实验原理，然后详细讲解了全连接神经网络和卷积神经网络的原理和结构。文档还提供了实验步骤，指导读者如何使用 Keras 实现手写数字识别。 一、实验内容 本实验的目的是使用 Keras 实现手写数字识别。实验中，我们将使用 MNIST 数据集，该数据集包含 60000 张手写数字图片，每张图片的大小是 28x28 个像素点。我们将使用全连接神经网络和卷积神经网络两种方法来实现手写数字识别。 二、实验原理 ### 2.1 数据集 MNIST 数据集是手写数字识别的常用数据集。每张图片由 28x28 个像素点构成，每个像素点用一个灰度值表示。可以将这 28x28 个像素展开为一个一维的行向量，作为输入，也就是有 784x1 的向量。 ### 2.2 神经元 人工神经网络（ANN，Artificial Neuron Network）是模拟生物大脑的神经网络结构，它是由许多称为人工神经细胞（Artificial Neuron，也称人工神经元）的细小结构单元组成。简易模型如下所示： x1 … xn：表示神经细胞的输入，也就是输入神经细胞的信号。 w1 … wn：表示每个输入的权重，就好比生物神经网络中每个轴突和树突的连接的粗细，强弱的差异。 b：偏置权重 threshold：偏置（可以将 threshold * b 看作是前面提到的生物神经细胞的阈值） 蓝色部分：细胞体。 黄色球形是所有输入信号以的求和。 红色部分是表示求和之后的信号的激励函数（即达到阈值就处于兴奋状态，反之抑制，当然作为人工神经细胞，其激励函数很多，阶跃（型）激励函数，sigmoid（s 型）激励函数，双曲正切（tanh）激励函数，ReLu（Rectified Linear Units）激励函数等等） ### 2.3 全连接神经网络 全连接神经网络模型是一种多层感知机（MLP），感知机的原理是寻找类别间最合理、最具有鲁棒性的超平面，感知机最具代表的是 SVM 支持向量机算法。神经网络同时借鉴了感知机和仿生学，神经元接受一个信号后会发送各个神经元，各个神经元接受输入后根据自身判断，激活产生输出信号后汇总从而实现对信息源实现识别、分类。 包含两个隐藏层的神经元网络结构如下： 每个结点和下一层所有几点都有运算关系，实践中全连接神经网络通常有多个隐藏层，增加隐藏层可以更好的分离数据的特征，但过多的隐藏层也会增加训练时间以及会产生过拟合。 训练神经网络中需要使用 bp 算法，先是通过前向传播，得到预测结果，再反向传播去调整模型权重。反向传播：反向传播根据前向传播产生的损失函数值，沿输出端向至输入端优化每层之间参数，在此过程中运算利用梯度下降法优化参数，神经网络求解参数本质上仍然是规则中求最优解问题，现在的机器学习框架如 Tensorflow、pytorch、keras 将梯度下降法、Booting、Bagging 这些优化中常用技巧封装起来，我们只用关注数据建模即可。 ### 2.4 卷积神经网络 卷积神经网络可以利用空间结构关系减少需要学习的参数量，提高反向传播算法的训练效率。一般的 CNN 有多个卷积层构成，每个卷积层会进行如下操作： 图像通过多个不同的卷积核的滤波，并加偏置（bias），提取出局部特征，每一个卷积核会映射出一个新的 2D 图像。将前面卷积核的滤波输出结果进行非线性的激活函数处理。对激活函数的结果再进行池化操作（即降采样），目前一般是使用最大池化，保留最显著的特征，并提升模型的畸变容忍能力。 这几个步骤就构成最常见的卷积层，当然也可以在加上一个 LRN 层（Local Response Normalization，局部响应归一化层）。 CNN 的要点是卷积核的权值共享（Weight Sharing）、局部连接模式（Local Connection）和池化层（Pooling）中的降采样（Down-Sampling）。局部连接和权值共享降低了参数量，使训练复杂度大大下降，减轻过拟合并降低计算量。同时权值共享还赋予了 CNN 对平移的容忍性，而池化层降采样则进一步降低了输出层参数，并赋予模型轻度形变的容忍性，提高模型的泛化能力。 每个卷基层包含三个部分：卷积、池化和非线性激活函数使用卷积提取空间特征降采样的平均池化层、双曲正切或 S 型的激活函数、MLP 作为最后的分类器层与层之间的稀疏连接减少计算复杂度。 三、实验步骤 ### 3.1 全连接神经网络实现 1. 获取数据集 Keras 中集成了 MNIST 数据集，直接从其中导入数据，并对数据进行整理。从之可以看出，数据为 28*28，一共 60000 张。 2. 对数据集中的数据进行可视化 3. 对数据进行维度转换把每一张 28 x 28 的图片分别转为长度为 784 的向量，再合并成一个大的像素矩阵，每个维度表示一个像素点的灰度值/255。 4. 对输出结果进行格式转化将经过神经网络训练完后的内容，转化为 10 个类别的概率分布。 本文档介绍了使用卷积神经网络和全连接神经网络实现手写数字识别的方法。使用 Keras 实现手写数字识别可以使用 MNIST 数据集，并使用全连接神经网络和卷积神经网络两种方法来实现手写数字识别。

神经网络是一种模仿人脑神经元工作原理的计算模型，它在人工智能、机器学习等领域有着广泛的应用。在Delphi编程环境中，开发神经网络可以利用各种库和框架，其中一个就是Fast Artificial Neural Network Library（FANN），这是一个跨平台的神经网络库，支持多种编程语言，包括Delphi。 FANN库为Delphi开发者提供了接口，可以方便地创建、训练和应用神经网络。在你提到的压缩包"**fann_delphi_2_0**"中，很可能是FANN的Delphi版本2.0的源代码或者API封装，它可能包含了以下内容： 1. **FANN库介绍**：FANN库是一个轻量级的神经网络实现，提供了快速的前向传播和训练算法。它的核心是C语言编写，但通过头文件和绑定代码，可以轻松在Delphi这样的高级语言中使用。 2. **Delphi接口**：在"**fann_delphi_2_0**"中，可能包含了将C语言API转换为Delphi可使用的单元或组件，使得Delphi程序员能够直接调用神经网络的功能，如创建网络结构、加载和保存权重、训练数据等。 3. **网络结构**：神经网络的基本构建模块包括输入层、隐藏层和输出层。在FANN中，开发者可以定义网络的层数、每层的神经元数量以及连接方式，例如全连接或部分连接。 4. **训练算法**：FANN支持多种训练算法，如批量梯度下降、随机梯度下降和快速梯度下降等，用于调整神经元之间的权重，以最小化预测误差。 5. **数据预处理**：在训练神经网络之前，通常需要对输入数据进行预处理，如归一化、标准化或特征选择。Delphi接口可能包含这些预处理功能，以提高训练效率和准确性。 6. **错误函数与停止条件**：训练过程中的目标是通过最小化特定的错误函数（如均方误差）来优化网络。FANN允许设置不同的错误阈值和最大迭代次数作为停止训练的条件。 7. **保存与加载模型**：训练好的模型可以保存到磁盘，以便以后在不重新训练的情况下直接使用。FANN库提供了保存和加载网络权重的函数。 8. **应用示例**：压缩包可能还包含了一些Delphi的示例程序，展示了如何使用FANN库来创建、训练和测试神经网络，帮助开发者快速上手。 9. **文档和API**：通常，库的发布会包含相关的API文档，解释每个函数的用途和参数，这对于理解和使用FANN库至关重要。 通过这个Delphi版的FANN库，你可以构建自己的神经网络模型，用于分类、回归或其他复杂问题的解决。它简化了神经网络编程的复杂性，让Delphi开发者也能轻松涉足这一领域。不过，要充分利用这个库，你需要了解神经网络的基本概念，熟悉Delphi编程，并且可能需要学习一些机器学习的基础知识。

在IT领域，尤其是在计算机视觉和深度学习中，数据集是训练模型的基础，特别是对于像YOLO（You Only Look Once）这样的目标检测神经网络。本文将详细介绍"RM2023雷达站所用到的yolo神经网络训练数据集"以及与之相关的知识点。 YOLO是一种实时目标检测系统，由Joseph Redmon等人于2016年提出。其核心思想是将图像分割为多个网格，并让每个网格负责预测几个边界框，每个边界框对应一个物体类别概率。这种设计使得YOLO能够快速且高效地处理图像，适合于像雷达站这样的应用场景，其中快速、准确的目标识别至关重要。 该数据集"RM2023_Radar_Dataset-main"针对的是RM2023雷达站的特定需求，包含了两类目标：车辆和装甲板。这表明该数据集可能专门用于训练YOLO或其他目标检测模型来识别这两种目标。通常，这样的数据集会包括图像文件以及对应的标注文件，标注文件中列出了每张图像中各个目标的坐标和类别信息，这对于训练神经网络至关重要。 在训练神经网络时，数据预处理是关键步骤。图像可能需要进行缩放、归一化或增强操作，如翻转、旋转等，以增加模型的泛化能力。数据集需要被划分为训练集、验证集和测试集，以便监控模型的性能并防止过拟合。 对于YOLO模型，训练通常涉及以下步骤： 1. 初始化模型：可以使用预训练的YOLO模型，如YOLOv3或YOLOv4，进行迁移学习。 2. 编译模型：配置损失函数（如多类别交叉熵）和优化器（如Adam），设置学习率和其他超参数。 3. 训练模型：通过反向传播和梯度下降更新权重，调整模型以最小化损失。 4. 验证与调优：在验证集上评估模型性能，根据结果调整模型结构或超参数。 5. 测试模型：在未见过的测试数据上评估模型的泛化能力。 在"RM2023_Radar_Dataset-main"中，我们可能会找到图像文件夹、标注文件（如CSV或XML格式）、可能的预处理脚本以及训练配置文件等。这些文件共同构成了一个完整的训练环境，帮助开发者构建和优化适用于雷达站的YOLO模型。 总结来说，"RM2023雷达站所用到的yolo神经网络训练数据集"是一个专为雷达站目标检测设计的数据集，包括车辆和装甲板两类目标。通过理解和利用这个数据集，开发者可以训练出能够在实际环境中高效运行的YOLO模型，提升雷达站的监测和识别能力。在训练过程中，关键步骤包括数据预处理、模型编译、训练、验证和测试，每个环节都需要仔细考虑和优化，以确保模型的性能和实用性。

水色图像水质评价采用专门针对推向处理的卷积神经网络来进行分类处理

BP神经网络，即反向传播神经网络（Back Propagation Neural Network），是一种按误差逆传播算法训练的多层前馈神经网络。它通常包含输入层、一个或多个隐藏层以及输出层。BP神经网络在信息处理、人工智能、图像识别等领域有着广泛的应用。 手写数字识别是神经网络应用的一个重要领域，通常采用机器学习算法进行识别。传统的软件实现方式依赖于数据的串行传送，而神经网络本身具有并行数据处理的特性。为了实现数据的实时处理，可以利用FPGA（现场可编程门阵列）硬件平台，因为FPGA能够利用其并行计算和高速信息处理的优势来提高效率。 FPGA是一种可以通过编程来配置的集成电路，允许用户在硬件级别上实现自定义的算法。随着技术的发展，FPGA的集成度越来越高，拥有数百万个门电路以及集成处理器核心（如PowerPC）、高速乘法单元和其他功能单元。这使得FPGA成为实现复杂算法，尤其是在实时数据处理场景下的理想选择。 研究中使用了MNIST数据集，这是一个包含手写数字图像的数据集，常用于训练各种图像处理系统。数据集中的60000个样本用于训练BP神经网络。BP算法主要由随机梯度下降算法和反向传播算法组成，通过小批量数据迭代的方式（本例中为30次）进行网络权重和偏置的训练。 在FPGA上实现BP算法，需要采用硬件描述语言（如Verilog）编写代码，以实现算法的各个组成部分，包括时序控制、网络状态控制、激活函数（如S型函数Sigmoid及其导数的线性拟合）等。网络权重和偏置的初始化通常采用高斯分布方法，本研究中使用的是均值为0，方差为1的分布。 为了评估设计的网络性能，采用了Quartus 13.0和ModelSim进行仿真与分析，这是一种常见的数字逻辑电路仿真软件。仿真分析的结果表明，该FPGA实现的手写数字BP神经网络能够在4.5秒内迭代30次，并达到91.6%的样本识别正确率。与传统软件Python 2.7实现的方法相比，FPGA平台的设计不仅满足了实时性要求，同时也在手写数字识别的准确率上表现优秀。 基于FPGA实现的手写数字BP神经网络研究与设计涉及到了硬件设计、算法优化、软件仿真等多个方面，展示了FPGA技术在加速神经网络应用方面的重要潜力。这项研究不仅为手写数字识别提供了一个高效的硬件实现方案，也为其他需要实时数据处理的机器学习应用场景提供了可借鉴的参考。