神经网络为什么可以实现分类?---三分类网络0,1,2与弹性振子力学系统

本文制作了一个三分类的网络来分类mnist数据集的0,1,2.并同时制作了一个力学模型,用来模拟这个三分类的过程,并用这个模型解释分类的原理。

上图可以用下列方程描述

只要ωx0,ωx1,ωx2,ωx012这四个数已知这个方程组是可以解的。

现在设计一个网络来计算ωx0

制作一个网络分类mnist 0和一张图片x,让左右两个网络实现参数共享,让x向1,0,0收敛,让mnist 0向0,1,0收敛

将这个网络简写成

d2(mnist 0, x)81-con(3*3)-49-30-3-(3*k) ,k∈(0,1)

具体进样顺序

   

 

δ=0.5

   

 

初始化权重

   

 

 

迭代次数

 

 

X

1

判断是否达到收敛

mnist 0-1

2

判断是否达到收敛

梯度下降

   

 

X

3

判断是否达到收敛

mnist 0-2

4

判断是否达到收敛

梯度下降

   

 

……

   

 

X

9997

判断是否达到收敛

mnist 0-4999

9998

判断是否达到收敛

梯度下降

   

 

……

   

 

如果4999图片内没有达到收敛标准再次从头循环

X

9999

判断是否达到收敛

mnist 0-1

10000

判断是否达到收敛

梯度下降

   

 

……

   

 

每当网路达到收敛标准记录迭代次数和对应的准确率测试结果

将这一过程重复199次

 

 

δ=0.01

   

 

   

 

δ=3e-6

收敛条件是

   

 

if (Math.abs(f2[0]-y[0])< δ  &&  Math.abs(f2[1]-y[1])< δ   &&  Math.abs(f2[2]-y[2])< δ  )

因为对应每个δ都有一个n与之对应,所以可以得到一条稳定的n(δ)曲线。让nx0等于ωx0。

用同样的办法制作另外三个网络

d2(mnist 1, x)81-con(3*3)-49-30-3-(3*k) ,k∈(0,1)

制作一个网络分类mnist 1和一张图片x,让左右两个网络实现参数共享,让x向1,0,0收敛,让mnist 1向0,1,0收敛,得到ωx1.

d2(mnist 2, x)81-con(3*3)-49-30-3-(3*k) ,k∈(0,1)

制作一个网络分类mnist 2和一张图片x,让左右两个网络实现参数共享,让x向1,0,0收敛,让mnist 2向0,0,1收敛,得到ωx2.

计算mnist0,mnist1和mnist2相对一个参照物x的频率,让他们的频率可以相互比较。

d3(mnist 0,1,2)81-con(3*3)-49-30-3-(3*k) ,k∈(0,1)

制作一个网络分类mnist 0,1,2让三个网络实现参数共享,让mnist 0向1,0,0收敛,让mnist 1向0,1,0收敛,让mnist 2 向0,0,1收敛,得到ω012.

计算ωx

所以ωx,ω0,ω1,ω2都可以被解出来。

 

再根据质量关系

 

如果假设mx=1。m0,m1,m2也都可以被解出来

具体解得的数据

δ

ω123

 

ωx0

ωx1

ωx2

 

ωx

ω0

ω1

ω2

0.1

7587.95

 

2472.46

2934.42

3140.44

 

2055.39

3324.81

#NUM!

#NUM!

1.00E-02

11022.2

 

3210.84

3790.5

4027.85

 

2635.91

4469.02

#NUM!

#NUM!

1.00E-03

18193.2

 

4364.11

5471.13

5291.57

 

3579.12

6091.61

#NUM!

#NUM!

9*1e-4

19061.9

 

4436.95

5452.92

5168.63

 

3569.43

6578.86

#NUM!

#NUM!

8*1e-4

19311.7

 

4632.25

5613.24

5432.4

 

3723.26

6889.13

#NUM!

#NUM!

7*1e-4

20254.4

 

4830.88

5765.85

5547.04

 

3839.11

7484.61

#NUM!

#NUM!

6*1e-4

21368.1

 

5128.38

5991.87

6051.89

 

4084.89

7877.29

#NUM!

#NUM!

5*1e-4

22162.8

 

6119.18

6673.56

6826.39

 

4711.76

10931.1

#NUM!

#NUM!

4*1e-4

22926.2

 

7350.78

7738.91

8741.98

 

5745.78

12195.5

17949.2

#NUM!

3*1e-4

25926.6

 

9288.86

10599.9

11598.3

 

7640.9

12855

38570.7

#NUM!

2*1e-4

29002.3

 

13223

14411.3

15514.8

 

10781.1

18781.3

31213.9

#NUM!

1.00E-04

37411.5

 

25290.2

27430.9

29153.8

 

22370.7

29764.2

38931.9

53083.3

9*1e-5

39277

 

26452.8

30887

33227.6

 

24944.5

28272.6

45208.3

69954.5

8*1e-5

39619.2

 

30812.7

34556.4

35642

 

29511.8

32302.4

43574.7

48439.4

7*1e-5

42224.3

 

34396

39146.5

39702.1

 

34088

34712.5

47430.5

49492.7

6*1e-5

46435.3

 

39686.3

46285.1

45362.6

 

41007.1

38485.4

54320.9

51485.4

5*1e-5

45628.2

 

45913.8

52943.6

52850.1

 

56574

39643.5

49933

49776.4

4*1e-5

52063.7

 

58538.8

66635.4

62407.9

 

82495.7

47853.1

57402.7

52229.9

3*1e-5

54023.4

 

73604.5

86087.4

82569

 

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

2*1e-5

65447.1

 

105869

121513

114573

 

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

1.00E-05

80455.8

 

199074

235384

193000

 

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

9*1e-6

85210.4

 

217783

255118

224412

 

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

8*1e-6

90364.4

 

235942

292894

242478

 

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

7*1e-6

92539.4

 

267342

312441

276817

 

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

6*1e-6

100522

 

298437

370803

305591

 

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

5*1e-6

103184

 

355890

424557

344916

 

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

4*1e-6

112972

 

431037

509263

409437

 

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

3*1e-6

127752

 

539694

641035

523975

 

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

2*1e-6

138964

 

 

936074

15953.4

 

#VALUE!

#VALUE!

#VALUE!

#VALUE!

 

由于统计精度的问题只得到了一部分有效的点

由图ω0,ω1,ω2的曲线有可能有交点。

 

δ

mx

m0

m1

m2

mx0

mx1

mx2

m123

k

0.1

1

0.38217

#NUM!

#NUM!

1.38217

0.98124

0.85672

0.22012

4224629

1.00E-02

1

0.34788

#NUM!

#NUM!

1.34788

0.96716

0.85653

0.17157

6947999

1.00E-03

1

0.34521

#NUM!

#NUM!

1.34521

0.85591

0.91498

0.11611

1.3E+07

9*1e-4

1

0.29437

#NUM!

#NUM!

1.29437

0.85698

0.95384

0.10519

1.3E+07

8*1e-4

1

0.29209

#NUM!

#NUM!

1.29209

0.87993

0.93949

0.11151

1.4E+07

7*1e-4

1

0.2631

#NUM!

#NUM!

1.2631

0.88667

0.95801

0.10778

1.5E+07

6*1e-4

1

0.26891

#NUM!

#NUM!

1.26891

0.92954

0.91119

0.10964

1.7E+07

5*1e-4

1

0.1858

#NUM!

#NUM!

1.1858

0.99697

0.95283

0.13559

2.2E+07

4*1e-4

1

0.22197

0.10247

#NUM!

1.22197

1.10247

0.86399

0.18843

3.3E+07

3*1e-4

1

0.3533

0.03924

#NUM!

1.3533

1.03924

0.86802

0.26057

5.8E+07

2*1e-4

1

0.32951

0.1193

#NUM!

1.32951

1.1193

0.96574

0.41455

1.2E+08

1.00E-04

1

0.5649

0.33018

0.1776

1.5649

1.33018

1.1776

1.07268

5E+08

9*1e-5

1

0.77842

0.30445

0.12715

1.77842

1.30445

1.12715

1.21002

6.2E+08

8*1e-5

1

0.83468

0.45869

0.37119

1.83468

1.45869

1.37119

1.66456

8.7E+08

7*1e-5

1

0.96435

0.51652

0.47437

1.96435

1.51652

1.47437

1.95524

1.2E+09

6*1e-5

1

1.13534

0.56988

0.63438

2.13534

1.56988

1.63438

2.33961

1.7E+09

5*1e-5

1

2.03652

1.28369

1.29178

3.03652

2.28369

2.29178

4.61198

3.2E+09

4*1e-5

1

2.97196

2.06537

2.49473

3.97196

3.06537

3.49473

7.53207

6.8E+09

3*1e-5

1

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

2*1e-5

1

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

1.00E-05

1

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

9*1e-6

1

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

8*1e-6

1

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

7*1e-6

1

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

6*1e-6

1

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

5*1e-6

1

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

4*1e-6

1

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

3*1e-6

1

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

#NUM!

2*1e-6

1

#VALUE!

#VALUE!

#VALUE!

#VALUE!

#VALUE!

#VALUE!

#VALUE!

#VALUE!

1.00E-06

1

#VALUE!

#VALUE!

#VALUE!

#VALUE!

#VALUE!

#VALUE!

#VALUE!

#VALUE!

1.00E-07

1

#VALUE!

#VALUE!

#VALUE!

#VALUE!

#VALUE!

#VALUE!

#VALUE!

#VALUE!

 

这条质量曲线里m1和m2的值也纠缠在一起。

虽然频率和质量的曲线从图上看都有纠缠但,这几个纠缠的点不完全重合,如果从频率和质量两个维度去分类仍然可能将这几个对象区分开。

这个实验虽然只得到了7组有价值的数据,但也证实了这种模拟是可能的。

 

实验数据

学习率 0.1

权重初始化方式

Random rand1 =new Random();

int ti1=rand1.nextInt(98)+1;

int xx=1;

if(ti1%2==0)

{ xx=-1;}

tw[a][b]=xx*((double)ti1/x);

第一层第二层和卷积核的权重的初始化的x分别为1000,1000,200

 

 

d2(mnist 0, x)81-con(3*3)-49-30-3-(3*k) ,k∈(0,1)的数据

x0---3k

                 
                   

f2[0]

f2[1]

f2[2]

迭代次数n

平均准确率p-ave

δ

耗时ms/次

耗时ms/199次

耗时min/199次

最大准确率p-max

0.498028

0.500578

0.267648

17.9196

0.503767

0.5

806.3417

160464

2.6744

0.822695

0.609062

0.391232

0.001381

1721.543

0.5064

0.4

1103.322

219561

3.65935

0.969267

0.715655

0.284307

0.001383

1913.513

0.673654

0.3

1133.392

225547

3.759117

0.997636

0.819332

0.180886

0.001309

2203.241

0.753759

0.2

287.1608

57146

0.952433

0.997636

0.913426

0.086324

0.001203

2472.457

0.785112

0.1

1594.548

317330

5.288833

0.998109

0.992089

0.007913

9.45E-04

3210.839

0.75202

0.01

1374.216

273486

4.5581

0.997636

0.999266

7.34E-04

6.94E-04

4364.106

0.697801

0.001

1594.709

317364

5.2894

0.997636

0.999359

6.42E-04

6.69E-04

4436.95

0.71783

9.00E-04

1835.452

365264

6.087733

0.99669

0.999431

5.69E-04

6.39E-04

4632.246

0.690243

8.00E-04

2244.447

446649

7.44415

0.99669

0.999527

4.74E-04

5.96E-04

4830.879

0.677335

7.00E-04

2293.94

456497

7.608283

0.995272

0.999606

3.95E-04

5.60E-04

5128.377

0.722364

6.00E-04

2407.397

479072

7.984533

0.995745

0.999698

3.02E-04

4.79E-04

6119.181

0.739387

5.00E-04

2638.276

525025

8.750417

0.997636

0.999792

2.08E-04

3.92E-04

7350.779

0.781313

4.00E-04

2925.864

582255

9.70425

0.998109

0.99985

1.50E-04

2.96E-04

9288.859

0.773073

3.00E-04

3337.955

664269

11.07115

0.997163

0.999908

9.19E-05

1.98E-04

13223.02

0.806277

2.00E-04

3833.729

762927

12.71545

0.997163

0.994943

0.005057

9.89E-05

25290.15

0.806339

1.00E-04

5484.06

1091329

18.18882

0.997636

0.999972

2.78E-05

8.91E-05

26452.81

0.785402

9.00E-05

5786.945

1151603

19.19338

0.997636

0.994949

0.005051

7.92E-05

30812.7

0.752778

8.00E-05

5980.07

1190035

19.83392

0.998582

0.994954

0.005046

6.92E-05

34396

0.774002

7.00E-05

8870.95

1765335

29.42225

0.998109

0.994957

0.005043

5.94E-05

39686.29

0.775178

6.00E-05

9581.141

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0.010051

5.92E-06

0.989949

305591.4

0.527146

6.00E-06

51288.63

10206438

170.1073

0.639165

0.005026

4.94E-06

0.994974

344915.9

0.524828

5.00E-06

59820.35

11904251

198.4042

0.604374

0.005026

3.95E-06

0.994974

409437.4

0.526517

4.00E-06

70332.83

13996238

233.2706

0.708748

4.95E-07

2.97E-06

1

523975

0.522715

3.00E-06

97274.69

19357665

322.6278

0.58002

 

d3(mnist 0,1,2)81-con(3*3)-49-30-3-(3*k) ,k∈(0,1)的数据

已经在《计算一个网络准确率达到99.9%的时间和需要的迭代次数---验证实例三分类minst0,1,2》给出了

d2(mnist 0, x)81-con(3*3)-49-30-3-(3*k) ,k∈(0,1)

d2(mnist 1, x)81-con(3*3)-49-30-3-(3*k) ,k∈(0,1)

d2(mnist 2, x)81-con(3*3)-49-30-3-(3*k) ,k∈(0,1)

的具体数据比较多有感兴趣的朋友可以到我的资源里下载。

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