『壹』 神经网络BP模型
一、BP模型概述
误差逆传播(Error Back-Propagation)神经网络模型简称为BP(Back-Propagation)网络模型。
Pall Werbas博士于1974年在他的博士论文中提出了误差逆传播学习算法。完整提出并被广泛接受误差逆传播学习算法的是以Rumelhart和McCelland为首的科学家小组。他们在1986年出版“Parallel Distributed Processing，Explorations in the Microstructure of Cognition”(《并行分布信息处理》)一书中，对误差逆传播学习算法进行了详尽的分析与介绍，并对这一算法的潜在能力进行了深入探讨。
BP网络是一种具有3层或3层以上的阶层型神经网络。上、下层之间各神经元实现全连接，即下层的每一个神经元与上层的每一个神经元都实现权连接，而每一层各神经元之间无连接。网络按有教师示教的方式进行学习，当一对学习模式提供给网络后，神经元的激活值从输入层经各隐含层向输出层传播，在输出层的各神经元获得网络的输入响应。在这之后，按减小期望输出与实际输出的误差的方向，从输入层经各隐含层逐层修正各连接权，最后回到输入层，故得名“误差逆传播学习算法”。随着这种误差逆传播修正的不断进行，网络对输入模式响应的正确率也不断提高。
BP网络主要应用于以下几个方面：
1)函数逼近：用输入模式与相应的期望输出模式学习一个网络逼近一个函数；
2)模式识别：用一个特定的期望输出模式将它与输入模式联系起来；
3)分类：把输入模式以所定义的合适方式进行分类；
4)数据压缩：减少输出矢量的维数以便于传输或存储。
在人工神经网络的实际应用中，80%～90%的人工神经网络模型采用BP网络或它的变化形式，它也是前向网络的核心部分，体现了人工神经网络最精华的部分。
二、BP模型原理
下面以三层BP网络为例，说明学习和应用的原理。
1.数据定义
P对学习模式(xp，dp)，p=1，2，…，P；
输入模式矩阵X[N][P]=(x1，x2，…，xP)；
目标模式矩阵d[M][P]=(d1，d2，…，dP)。
三层BP网络结构
输入层神经元节点数S0=N，i=1，2，…，S0；
隐含层神经元节点数S1，j=1，2，…，S1；
神经元激活函数f1[S1]；
权值矩阵W1[S1][S0]；
偏差向量b1[S1]。
输出层神经元节点数S2=M，k=1，2，…，S2；
神经元激活函数f2[S2]；
权值矩阵W2[S2][S1]；
偏差向量b2[S2]。
学习参数
目标误差ϵ；
初始权更新值Δ0；
最大权更新值Δmax；
权更新值增大倍数η+；
权更新值减小倍数η-。
2.误差函数定义
对第p个输入模式的误差的计算公式为
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y2kp为BP网的计算输出。
3.BP网络学习公式推导
BP网络学习公式推导的指导思想是，对网络的权值W、偏差b修正，使误差函数沿负梯度方向下降，直到网络输出误差精度达到目标精度要求，学习结束。
各层输出计算公式
输入层
y0i=xi，i=1，2，…，S0；
隐含层
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y1j=f1(z1j)，
j=1，2，…，S1；
输出层
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y2k=f2(z2k)，
k=1，2，…，S2。
输出节点的误差公式
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对输出层节点的梯度公式推导
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E是多个y2m的函数，但只有一个y2k与wkj有关，各y2m间相互独立。
其中
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则
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设输出层节点误差为
δ2k=(dk-y2k)·f2′(z2k)，
则
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同理可得
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对隐含层节点的梯度公式推导
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E是多个y2k的函数，针对某一个w1ji，对应一个y1j，它与所有的y2k有关。因此，上式只存在对k的求和，其中
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则
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设隐含层节点误差为
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则
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同理可得
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4.采用弹性BP算法(RPROP)计算权值W、偏差b的修正值ΔW，Δb
1993年德国 Martin Riedmiller和Heinrich Braun 在他们的论文“A Direct Adaptive Method for Faster Backpropagation Learning：The RPROP Algorithm”中，提出Resilient Backpropagation算法——弹性BP算法(RPROP)。这种方法试图消除梯度的大小对权步的有害影响，因此，只有梯度的符号被认为表示权更新的方向。
权改变的大小仅仅由权专门的“更新值”
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其中
权更新遵循规则：如果导数是正(增加误差)，这个权由它的更新值减少。如果导数是负，更新值增加。
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RPROP算法是根据局部梯度信息实现权步的直接修改。对于每个权，我们引入它的
各自的更新值
于在误差函数E上的局部梯度信息，按照以下的学习规则更新
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其中0＜η-＜1＜η+。
在每个时刻，如果目标函数的梯度改变它的符号，它表示最后的更新太大，更新值
为了减少自由地可调参数的数目，增大倍数因子η+和减小倍数因子η–被设置到固定值
η+=1.2，
η-=0.5，
这两个值在大量的实践中得到了很好的效果。
RPROP算法采用了两个参数：初始权更新值Δ0和最大权更新值Δmax
当学习开始时，所有的更新值被设置为初始值Δ0，因为它直接确定了前面权步的大小，它应该按照权自身的初值进行选择，例如，Δ0=0.1(默认设置)。
为了使权不至于变得太大，设置最大权更新值限制Δmax，默认上界设置为
Δmax=50.0。
在很多实验中，发现通过设置最大权更新值Δmax到相当小的值，例如
Δmax=1.0。
我们可能达到误差减小的平滑性能。
5.计算修正权值W、偏差b
第t次学习，权值W、偏差b的的修正公式
W(t)=W(t-1)+ΔW(t)，
b(t)=b(t-1)+Δb(t)，
其中，t为学习次数。
6.BP网络学习成功结束条件每次学习累积误差平方和
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每次学习平均误差
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当平均误差MSE＜ε，BP网络学习成功结束。
7.BP网络应用预测
在应用BP网络时，提供网络输入给输入层，应用给定的BP网络及BP网络学习得到的权值W、偏差b，网络输入经过从输入层经各隐含层向输出层的“顺传播”过程，计算出BP网的预测输出。
8.神经元激活函数f
线性函数
f(x)=x，
f′(x)=1，
f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围(-∞，+∞)。
一般用于输出层，可使网络输出任何值。
S型函数S(x)
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f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围(0，1)。
f′(x)=f(x)[1-f(x)]，
f′(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围(0，
一般用于隐含层，可使范围(-∞，+∞)的输入，变成(0，1)的网络输出，对较大的输入，放大系数较小；而对较小的输入，放大系数较大，所以可用来处理和逼近非线性的输入/输出关系。
在用于模式识别时，可用于输出层，产生逼近于0或1的二值输出。
双曲正切S型函数
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f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围(-1，1)。
f′(x)=1-f(x)·f(x)，
f′(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围(0，1]。
一般用于隐含层，可使范围(-∞，+∞)的输入，变成(-1，1)的网络输出，对较大的输入，放大系数较小；而对较小的输入，放大系数较大，所以可用来处理和逼近非线性的输入/输出关系。
阶梯函数
类型1
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f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围{0，1}。
f′(x)=0。
类型2
中国矿产资源评价新技术与评价新模型
f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围{-1，1}。
f′(x)=0。
斜坡函数
类型1
中国矿产资源评价新技术与评价新模型
f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围[0，1]。
中国矿产资源评价新技术与评价新模型
f′(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围{0，1}。
类型2
中国矿产资源评价新技术与评价新模型
f(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围[-1，1]。
中国矿产资源评价新技术与评价新模型
f′(x)的输入范围(-∞，+∞)，输出范围{0，1}。
三、总体算法
1.三层BP网络(含输入层，隐含层，输出层)权值W、偏差b初始化总体算法
(1)输入参数X[N][P]，S0，S1，f1[S1]，S2，f2[S2]；
(2)计算输入模式X[N][P]各个变量的最大值，最小值矩阵 Xmax[N]，Xmin[N]；
(3)隐含层的权值W1，偏差b1初始化。
情形1：隐含层激活函数f( )都是双曲正切S型函数
1)计算输入模式X[N][P]的每个变量的范围向量Xrng[N]；
2)计算输入模式X的每个变量的范围均值向量Xmid[N]；
3)计算W，b的幅度因子Wmag；
4)产生[-1，1]之间均匀分布的S0×1维随机数矩阵Rand[S1]；
5)产生均值为0，方差为1的正态分布的S1×S0维随机数矩阵Randnr[S1][S0]，随机数范围大致在[-1，1]；
6)计算W[S1][S0]，b[S1]；
7)计算隐含层的初始化权值W1[S1][S0]；
8)计算隐含层的初始化偏差b1[S1]；
9))输出W1[S1][S0]，b1[S1]。
情形2：隐含层激活函数f( )都是S型函数
1)计算输入模式X[N][P]的每个变量的范围向量Xrng[N]；
2)计算输入模式X的每个变量的范围均值向量Xmid[N]；
3)计算W，b的幅度因子Wmag；
4)产生[-1，1]之间均匀分布的S0×1维随机数矩阵Rand[S1]；
5)产生均值为0，方差为1的正态分布的S1×S0维随机数矩阵Randnr[S1][S0]，随机数范围大致在[-1，1]；
6)计算W[S1][S0]，b[S1]；
7)计算隐含层的初始化权值W1[S1][S0]；
8)计算隐含层的初始化偏差b1[S1]；
9)输出W1[S1][S0]，b1[S1]。
情形3：隐含层激活函数f( )为其他函数的情形
1)计算输入模式X[N][P]的每个变量的范围向量Xrng[N]；
2)计算输入模式X的每个变量的范围均值向量Xmid[N]；
3)计算W，b的幅度因子Wmag；
4)产生[-1，1]之间均匀分布的S0×1维随机数矩阵Rand[S1]；
5)产生均值为0，方差为1的正态分布的S1×S0维随机数矩阵Randnr[S1][S0]，随机数范围大致在[-1，1]；
6)计算W[S1][S0]，b[S1]；
7)计算隐含层的初始化权值W1[S1][S0]；
8)计算隐含层的初始化偏差b1[S1]；
9)输出W1[S1][S0]，b1[S1]。
(4)输出层的权值W2，偏差b2初始化
1)产生[-1，1]之间均匀分布的S2×S1维随机数矩阵W2[S2][S1]；
2)产生[-1，1]之间均匀分布的S2×1维随机数矩阵b2[S2]；
3)输出W2[S2][S1]，b2[S2]。
2.应用弹性BP算法(RPROP)学习三层BP网络(含输入层，隐含层，输出层)权值W、偏差b总体算法
函数：Train3BP_RPROP(S0，X，P，S1，W1，b1，f1，S2，W2，b2，f2，d，TP)
(1)输入参数
P对模式(xp，dp)，p=1，2，…，P；
三层BP网络结构；
学习参数。
(2)学习初始化
1)
2)各层W，b的梯度值
(3)由输入模式X求第一次学习各层输出y0，y1，y2及第一次学习平均误差MSE
(4)进入学习循环
epoch=1
(5)判断每次学习误差是否达到目标误差要求
如果MSE＜ϵ，
则，跳出epoch循环，
转到(12)。
(6)保存第epoch-1次学习产生的各层W，b的梯度值
(7)求第epoch次学习各层W，b的梯度值
1)求各层误差反向传播值δ；
2)求第p次各层W，b的梯度值
3)求p=1，2，…，P次模式产生的W，b的梯度值
(8)如果epoch=1，则将第epoch-1次学习的各层W，b的梯度值
(9)求各层W，b的更新
1)求权更新值Δij更新；
2)求W，b的权更新值
3)求第epoch次学习修正后的各层W，b。
(10)用修正后各层W、b，由X求第epoch次学习各层输出y0，y1，y2及第epoch次学习误差MSE
(11)epoch=epoch+1，
如果epoch≤MAX_EPOCH，转到(5)；
否则，转到(12)。
(12)输出处理
1)如果MSE＜ε，
则学习达到目标误差要求，输出W1，b1，W2，b2。
2)如果MSE≥ε，
则学习没有达到目标误差要求，再次学习。
(13)结束
3.三层BP网络(含输入层，隐含层，输出层)预测总体算法
首先应用Train3lBP_RPROP( )学习三层BP网络(含输入层，隐含层，输出层)权值W、偏差b，然后应用三层BP网络(含输入层，隐含层，输出层)预测。
函数：Simu3lBP( )。
1)输入参数：
P个需预测的输入数据向量xp，p=1，2，…，P；
三层BP网络结构；
学习得到的各层权值W、偏差b。
2)计算P个需预测的输入数据向量xp(p=1，2，…，P)的网络输出 y2[S2][P]，输出预测结果y2[S2][P]。
四、总体算法流程图
BP网络总体算法流程图见附图2。
五、数据流图
BP网数据流图见附图1。
六、实例
实例一 全国铜矿化探异常数据BP 模型分类
1.全国铜矿化探异常数据准备
在全国铜矿化探数据上用稳健统计学方法选取铜异常下限值33.1，生成全国铜矿化探异常数据。
2.模型数据准备
根据全国铜矿化探异常数据，选取7类33个矿点的化探数据作为模型数据。这7类分别是岩浆岩型铜矿、斑岩型铜矿、矽卡岩型、海相火山型铜矿、陆相火山型铜矿、受变质型铜矿、海相沉积型铜矿，另添加了一类没有铜异常的模型(表8-1)。
3.测试数据准备
全国化探数据作为测试数据集。
4.BP网络结构
隐层数2，输入层到输出层向量维数分别为14，9、5、1。学习率设置为0.9，系统误差1e-5。没有动量项。
表8-1 模型数据表
续表
5.计算结果图
如图8-2、图8-3。
图8-2
图8-3 全国铜矿矿床类型BP模型分类示意图
实例二 全国金矿矿石量品位数据BP 模型分类
1.模型数据准备
根据全国金矿储量品位数据，选取4类34个矿床数据作为模型数据，这4类分别是绿岩型金矿、与中酸性浸入岩有关的热液型金矿、微细浸染型型金矿、火山热液型金矿(表8-2)。
2.测试数据准备
模型样本点和部分金矿点金属量、矿石量、品位数据作为测试数据集。
3.BP网络结构
输入层为三维，隐层1层，隐层为三维，输出层为四维，学习率设置为0.8，系统误差1e-4，迭代次数5000。
表8-2 模型数据
4.计算结果
结果见表8-3、8-4。
表8-3 训练学习结果
表8-4 预测结果(部分)
续表
『贰』 神经网络简述
机器学习中谈论的神经网络是指“神经网络学习”，或者说，是机器学习和神经网络这两个学科领域的交叉部分[1]。
在这里，神经网络更多的是指计算机科学家模拟人类大脑结构和智能行为，发明的一类算法的统称。
神经网络是众多优秀仿生算法中的一种，读书时曾接触过蚁群优化算法，曾惊讶于其强大之处，但神经网络的强大，显然蚁群优化还不能望其项背。
A、起源与第一次高潮。有人认为，神经网络的最早讨论，源于现代计算机科学的先驱——阿兰.图灵在1948年的论文中描述的“B型组织机器”[2]。二十世纪50年代出现了以感知机、Adaling为代表的一系列成功，这是神经网络发展的第一个高潮[1]。
B、第一次低谷。1969年，马文.明斯基出版《感知机》一书，书中论断直接将神经网络打入冷宫，导致神经网络十多年的“冰河期”。值得一提的是，在这期间的1974年，哈佛大学Paul Webos发明BP算法，但当时未受到应有的重视[1]。
C、第二次高潮。1983年，加州理工学院的物理学家John Hopfield利用神经网络，在旅行商问题上获得当时最好结果，引起轰动；Rumelhart等人重新发明了BP算法，BP算法迅速走红，掀起神经网络第二次高潮[1]。
D、第二次低谷。二十世纪90年代中期，统计学习理论和支持向量机兴起，较之于这些算法，神经网络的理论基础不清晰等缺点更加凸显，神经网络研究进入第二次低谷[1]。
E、深度学习的崛起。2010年前后，随着计算能力的提升和大数据的涌现，以神经网络为基础的“深度学习”崛起，科技巨头公司谷歌、Facebook、网络投入巨资研发，神经网络迎来第三次高潮[1]。2016年3月9日至15日，Google人工智能程序AlphaGo对阵韩国围棋世界冠军李世乭，以4:1大比分获胜，比众多专家预言早了十年。这次比赛，迅速在全世界经济、科研、计算机产业各领域掀起人工智能和深度学习的热烈讨论。
F、展望。从几个方面讨论一下。
1)、近期在Google AlphaGo掀起的热潮中，民众的热情与期待最大，甚至有少许恐慌情绪；计算机产业和互联网产业热情也非常巨大，对未来充满期待，各大巨头公司对其投入大量资源；学术界的反应倒是比较冷静的。学术界的冷静，是因为神经网络和深度神经网络的理论基础还没有出现长足的进步，其缺点还没有根本改善。这也从另一个角度说明了深度神经网络理论进步的空间很大。
2)、"当代神经网络是基于我们上世纪六十年代掌握的脑知识。"关于人类大脑的科学与知识正在爆炸式增长。[3]世界上很多学术团队正在基于大脑机制新的认知建立新的模型[3]。我个人对此报乐观态度，从以往的仿生算法来看，经过亿万年进化的自然界对科技发展的促进从来没有停止过。
3)、还说AlphaGo，它并不是理论和算法的突破，而是基于已有算法的工程精品。AlhphaGo的工作，为深度学习的应用提供了非常广阔的想象空间。分布式技术提供了巨大而廉价的计算能力，巨量数据的积累提供了丰富的训练样本，深度学习开始腾飞，这才刚刚开始。
一直沿用至今的，是McChlloch和Pitts在1943年依据脑神经信号传输结构抽象出的简单模型，所以也被称作”M-P神经元模型“。
其中，
f函数像一般形如下图的函数，既考虑阶跃性，又考虑光滑可导性。
实际常用如下公式，因形如S，故被称作sigmoid函数。
把很多个这样的神经元按一定层次连接起来，就得到了神经网络。
两层神经元组成，输入层接收外界输入信号，输出层是M-P神经元(只有输出层是)。
感知机的数学模型和单个M-P神经元的数学模型是一样的，如因为输入层只需接收输入信号，不是M-P神经元。
感知机只有输出层神经元是B-P神经元，学习能力非常有限。对于现行可分问题，可以证明学习过程一定会收敛。而对于非线性问题，感知机是无能为力的。
BP神经网络全称叫作误差逆传播(Error Propagation)神经网络，一般是指基于误差逆传播算法的多层前馈神经网络。这里为了不占篇幅，BP神经网络将起篇另述。
BP算法是迄今最为成功的神经网络学习算法，也是最有代表性的神经网络学习算法。BP算法不仅用于多层前馈神经网络，还用于其他类型神经网络的训练。
RBF网络全程径向基函数(Radial Basis Function)网络，是一种单隐层前馈神经网络，其与BP网络最大的不同是采用径向基函数作为隐层神经元激活函数。
卷积神经网络(Convolutional neural networks，简称CNNs)是一种深度学习的前馈神经网络，在大型图片处理中取得巨大成功。卷积神经网络将起篇另述。
循环神经网络(Recurrent Neural Networks，RNNs)与传统的FNNs不同，RNNs引入定向循环，能够处理那些输入之间前后关联的问题。RNNs已经在众多自然语言处理(Natural Language Processing, NLP)中取得了巨大成功以及广泛应用[5]。RNNs将起篇另述。[5]
[1]、《机器学习》，周志华著
[2]、《模式识别（第二版）》，Richard O.Duda等著，李宏东等译
[3]、《揭秘IARPA项目：解码大脑算法或将彻底改变机器学习》，Emily Singerz著，机器之心编译出品
[4]、图片来源于互联网
[5]、 循环神经网络(RNN, Recurrent Neural Networks)介绍
『叁』 深入浅出BP神经网络算法的原理
深入浅出BP神经网络算法的原理
相信每位刚接触神经网络的时候都会先碰到BP算法的问题，如何形象快速地理解BP神经网络就是我们学习的高级乐趣了（画外音：乐趣？你在跟我谈乐趣？）
本篇博文就是要简单粗暴地帮助各位童鞋快速入门采取BP算法的神经网络。
BP神经网络是怎样的一种定义？看这句话：一种按“误差逆传播算法训练”的多层前馈网络。
BP的思想就是：利用输出后的误差来估计输出层前一层的误差，再用这层误差来估计更前一层误差，如此获取所有各层误差估计。这里的误差估计可以理解为某种偏导数，我们就是根据这种偏导数来调整各层的连接权值，再用调整后的连接权值重新计算输出误差。直到输出的误差达到符合的要求或者迭代次数溢出设定值。
说来说去，“误差”这个词说的很多嘛，说明这个算法是不是跟误差有很大的关系？
没错，BP的传播对象就是“误差”，传播目的就是得到所有层的估计误差。
它的学习规则是：使用最速下降法，通过反向传播（就是一层一层往前传）不断调整网络的权值和阈值，最后使全局误差系数最小。
它的学习本质就是：对各连接权值的动态调整。
拓扑结构如上图：输入层（input），隐藏层（hide layer），输出层（output）
BP网络的优势就是能学习和储存大量的输入输出的关系，而不用事先指出这种数学关系。那么它是如何学习的？
BP利用处处可导的激活函数来描述该层输入与该层输出的关系，常用S型函数δ来当作激活函数。
我们现在开始有监督的BP神经网络学习算法：
1、正向传播得到输出层误差e
=>输入层输入样本=>各隐藏层=>输出层
2、判断是否反向传播
=>若输出层误差与期望不符=>反向传播
3、误差反向传播
=>误差在各层显示=>修正各层单元的权值，直到误差减少到可接受程度。
算法阐述起来比较简单，接下来通过数学公式来认识BP的真实面目。
假设我们的网络结构是一个含有N个神经元的输入层，含有P个神经元的隐层，含有Q个神经元的输出层。
这些变量分别如下：
认识好以上变量后，开始计算：
一、用（-1，1）内的随机数初始化误差函数，并设定精度ε，最多迭代次数M
二、随机选取第k个输入样本及对应的期望输出
重复以下步骤至误差达到要求：
三、计算隐含层各神经元的输入和输出
四、计算误差函数e对输出层各神经元的偏导数，根据输出层期望输出和实际输出以及输出层输入等参数计算。
五、计算误差函数对隐藏层各神经元的偏导数，根据后一层（这里即输出层）的灵敏度（稍后介绍灵敏度）δo(k)，后一层连接权值w，以及该层的输入值等参数计算
六、利用第四步中的偏导数来修正输出层连接权值
七、利用第五步中的偏导数来修正隐藏层连接权值
八、计算全局误差（m个样本，q个类别）
比较具体的计算方法介绍好了，接下来用比较简洁的数学公式来大致地概括这个过程，相信看完上述的详细步骤都会有些了解和领悟。
假设我们的神经网络是这样的，此时有两个隐藏层。
我们先来理解灵敏度是什么？
看下面一个公式：
这个公式是误差对b的一个偏导数，这个b是怎么？它是一个基，灵敏度δ就是误差对基的变化率，也就是导数。
因为?u/?b=1，所以?E/?b=?E/?u=δ，也就是说bias基的灵敏度?E/?b=δ等于误差E对一个节点全部输入u的导数?E/?u。
也可以认为这里的灵敏度等于误差E对该层输入的导数，注意了，这里的输入是上图U级别的输入，即已经完成层与层权值计算后的输入。
每一个隐藏层第l层的灵敏度为：
这里的“?”表示每个元素相乘，不懂的可与上面详细公式对比理解
而输出层的灵敏度计算方法不同，为：
而最后的修正权值为灵敏度乘以该层的输入值，注意了，这里的输入可是未曾乘以权值的输入，即上图的Xi级别。
对于每一个权值(W)ij都有一个特定的学习率ηIj，由算法学习完成。
『肆』 BP神经网络(误差反传网络)
虽然每个人工神经元很简单，但是只要把多个人工
神经元按一定方式连接起来就构成了一个能处理复杂信息的神经网络。采用BP算法的多层前馈网络是目前应用最广泛的神经网络，称之为BP神经网络。它的最大功能就是能映射复杂的非线性函数关系。
对于已知的模型空间和数据空间，我们知道某个模型和他对应的数据，但是无法写出它们之间的函数关系式，但是如果有大量的一一对应的模型和数据样本集合，利用BP神经网络可以模拟(映射)它们之间的函数关系。
一个三层BP网络如图8.11所示，分为输入层、隐层、输出层。它是最常用的BP网络。理论分析证明三层网络已经能够表达任意复杂的连续函数关系了。只有在映射不连续函数时(如锯齿波)才需要两个隐层[8]。
图8.11中，X=(x1，…，xi，…，xn)T为输入向量，如加入x0=-1，可以为隐层神经元引入阀值;隐层输出向量为:Y=(y1，…，yi，…，ym)T，如加入y0=-1，可以为输出层神经元引入阀值;输出层输出向量为:O=(o1，…，oi，…，ol)T;输入层到隐层之间的权值矩阵用V表示，V=(V1，…，Vj，…，Vl)T，其中列向量Vj表示隐层第j个神经元的权值向量;隐层到输出层之间的权值矩阵用W表示，W=(W1，…，Wk，…，Wl)T，
其中列向量Wk表示输出层第k个神经元的权值向量。
图8.11 三层BP网络[8]
BP算法的基本思想是:预先给定一一对应的输入输出样本集。学习过程由信号的正向传播与误差的反向传播两个过程组成。正向传播时，输入样本从输入层传入，经过各隐层逐层处理后，传向输出层。若输出层的实际输出与期望的输出(教师信号)不符，则转入误差的反向传播。将输出误差以某种形式通过隐层向输入层逐层反传，并将误差分摊给各层的所有神经元，获得各层的误差信号，用它们可以对各层的神经元的权值进行调整(关于如何修改权值参见韩立群著作[8])，循环不断地利用输入输出样本集进行权值调整，以使所有输入样本的输出误差都减小到满意的精度。这个过程就称为网络的学习训练过程。当网络训练完毕后，它相当于映射(表达)了输入输出样本之间的函数关系。
在地球物理勘探中，正演过程可以表示为如下函数:
d=f(m) (8.31)
它的反函数为
m=f-1(d) (8.32)
如果能够获得这个反函数，那么就解决了反演问题。一般来说，难以写出这个反函数，但是我们可以用BP神经网络来映射这个反函数m=f-1(d)。对于地球物理反问题，如果把观测数据当作输入数据，模型参数当作输出数据，事先在模型空间随机产生大量样本进行正演计算，获得对应的观测数据样本，利用它们对BP网络进行训练，则训练好的网络就相当于是地球物理数据方程的反函数。可以用它进行反演，输入观测数据，网络就会输出它所对应的模型。
BP神经网络在能够进行反演之前需要进行学习训练。训练需要大量的样本，产生这些样本需要大量的正演计算，此外在学习训练过程也需要大量的时间。但是BP神经网络一旦训练完毕，在反演中的计算时间可以忽略。
要想使BP神经网络比较好地映射函数关系，需要有全面代表性的样本，但是由于模型空间的无限性，难以获得全面代表性的样本集合。用这样的样本训练出来的BP网络，只能反映样本所在的较小范围数据空间和较小范围模型空间的函数关系。对于超出它们的观测数据就无法正确反演。目前BP神经网络在一维反演有较多应用，在二维、三维反演应用较少，原因就是难以产生全面代表性的样本空间。