读书笔记：敲开神经网络的大门

(本文是根据 neuralnetworksanddeeplearning 这本书的第一章 Using neural nets to recognize handwritten digits 整理而成的读书笔记，根据个人口味做了删减)

对于人类来说，识别下面的数字易如反掌，但对计算机而言，却不是一个简单的任务。

在我们的大脑中，有一块跟视觉相关的皮层 V1，这里面包含着数以百万计的神经元，而这些神经元之间的连接，更是达到了数以亿计。在漫长的进化过程中，大自然将人类的大脑训练成了一个「超级计算机」，使它可以轻易地读懂、看懂、听懂很多目前的计算机仍然难以处理的问题。在本章中，作者介绍了一种可以帮助计算机识别手写体的程序：神经网络「neural network」。

首先，我们从神经网络的几个基本概念讲起。

Perceptrons

Perceptrons，中文译为感知器，最早由科学家Frank Rosenblatt于上个世纪 50 至 60 年代提出。在现代神经网络中，Perceptrons 已经用得很少了（更多地使用 sigmoid neuron 等神经元模型）。但要了解 sigmoid neuron 怎么来的，就有必要先弄清楚 Perceptrons。

举例来说，最简单的 Perceptrons 类似如下结构：

它接受三个输入 \(x_1\)、\(x_2\)、\(x_3\)，输出 0 或者 1。为了衡量每个输入的重要程度，Rosenblatt 引入了权重的概念，假设 \(w_1\)、\(w_2\)、\(w_3\) 分别对应 \(x_1\)、\(x_2\)、\(x_3\)，那么，我们可以得到 Perceptrons 的输出为：

\[output=\begin{cases} 0 &if \ \ \sum_{j}{w_j x_j} <= threshold \\\\ 1 &if \ \ \sum_{j}{w_j x_j} > threshold \end{cases} \]

当然，Perceptrons 在处理较复杂的任务的时候，其结构也会更加复杂，比如：

在这个网络中，Perceptrons 的第一列称为第一层 (first layer)，这一层的感知器接受三个输入 (evidence) 来决定输出。Perceptrons 的第二层，则以第一层的输出结果作为输入来产生最后的输出，因此第二层可以认为是在处理比第一层更加复杂抽象的工作。

为了简化数学表达，我们将 \(\sum\_{j}{w\_jx\_j}\) 表示成 \(WX\)，\(W\)、\(X\) 分别代表权重和输入的向量。同时，我们将阈值的负值 (-threshold) 表示成 bias，即 \(b = -threshold\)。这样，Perceptrons 的输出可以重写为：

\[output=\begin{cases} 0 &if \ \ WX+b <= 0 \\\\ 1 &if \ \ WX+b > 0 \end{cases}. \]

Sigmoid neurons

现在，我们考虑一下如何训练 Perceptrons 的参数（W 和 b）。假设网络的参数发生了一点点微小的变化，为了训练过程的可控，网络的输出也应该发生微小的变化。

如果网络错误地将手写数字 8 分类为 9，那么我们希望在参数做一点点修改，网络的输出会更靠近 9 这个结果，只要数据量够多，这个修改的过程重复下去，最后网络的输出就会越来越正确，这样神经网络才能不断学习。

然而，对于 Perceptrons 来说，参数的微调却可能导致结果由 0 变为 1，然后导致后面的网络层发生连锁反应。换句话说，Perceptrons 的性质导致它的训练过程是相当难控制的。

为了克服这个问题，我们引入一种新的感知器 sigmoid neuron。它跟 Perceptrons 的结构一模一样，只是在输出结果时加上了一层 sigmoid 函数：\(\sigma(z)=\frac{1}{1+e^{(-z)}}\)。这样，网络的输出就变成了：

\[output=\frac{1}{1+exp(-(WX+b))} \]

sigmoid 函数的图像如下：

当 \(WX+b\) 趋于 ∞ 的时候，函数值趋于 1，当 \(WX+b\) 趋于 0 的时候，函数值趋于 0。在这种情况下，sigmoid neuron 就退化成 Perceptrons。

sigmoid 函数也可以看作是对 step 函数的平滑，step 函数如下：

可以看出，Perceptrons neuron 的本质就是 step 函数。

那么，为什么 sigmoid neuron 就比 Perceptrons 更容易训练呢？原因在于，sigmoid 函数是平滑、连续的，它不会发生 step 函数那种从 0 到 1 的突变。用数学的语言表达就是，参数微小的改变（\(\Delta w_j\)、\(\Delta b\)）只会引起 output 的微小改变：\(\Delta output \approx \sum_j{\frac{\partial output}{\partial w_j}\Delta w_j}+\frac{\partial output}{\partial b}\Delta b\)。可以发现，\(\Delta output\) 和 \(\Delta w_j\)、\(\Delta b\) 是一个线性关系，这使得网络的训练更加可控。

事实上，正是 sigmoid 函数这种平滑的特性起了关键作用，而函数的具体形式则无关紧要。在本书后面的章节中，还会介绍其他函数来代替 sigmoid，这类函数有个学名叫激活函数 (activation function)。从数学上讲，函数平滑意味着函数在定义域内是可导的，而且导数有很好的数学特性（比如上面提到的线性关系），step 函数虽然分段可导，但它的导数值要么一直是 0，要么在突变点不可导，所以它不具备平滑性。

Learning with gradient descent

假设神经网络的输入是由图片像素组成的一维向量 $\overline x $，输出是一个 one-hot 向量 \(\overline y = y(\overline x)\)。为了量化神经网络的输出结果，我们定义一个代价函数：

\[C(w, b) = \frac{1}{2n}\sum_x||y(x)-a||^2 \tag{6} \]

其中，\(w\) 表示网络的权重参数，\(b\) 表示 biases，\(n\) 是样本数，\(a\) 是网络的输出结果。我们称 \(C\) 为二次代价函数，或者称为平方差(MSE)。当 \(y(x)\) 和 \(a\) 很接近的时候，\(C \approx 0\)。因此，我们的训练算法就是为降低代价函数的值，而最常用的算法就是梯度下降(gradient descent)。

其实我们在高中阶段就遇到过类似的问题：已知函数曲线过几个点，求出这条曲线的方程。不同的是，这里是用代价函数间接求函数参数，而且，这里不是要让函数穿过这些点，而是去拟合、逼近这些点。

现在我们要思考一个问题，为什么要使用平方差作为代价函数？既然我们感兴趣的就是图片被正确分类的数量，那为什么不直接降低这个数量的值，而是绕个弯去降低一个二次代价函数？原因在于图片正确分类的数量这个函数不是一个平滑的函数，换句话说，\(w\) 和 \(b\) 的微小变化对这个函数的影响是不可控的，道理和上面的 sigmoid 函数一样。所以，我们采用这个上面的二次代价函数。

事实上，还有其他平滑的函数可以作为代价函数，这里我们只简单介绍二次代价函数。

讲到这里，我们提到了两次平滑函数：sigmoid 和 二次代价函数。其中，前者是神经网络的输出，后者是对神经网络结果的一种评估，是为了方便对网络参数进行训练。这里要求使用平滑函数是为了使训练的过程更加可控。虽然我们优化的时候是针对代价函数调整参数，但 sigmoid 函数会在代价函数中被使用，所以这两个函数都必须是平滑的。

gradient descent

下面，我们先将这些函数抛在一边，研究一下梯度下降方法。

假设我们要最小化一个函数 \(C(\overline v)\)，其中 \(\overline v = v_1, v_2, …\)。

简单起见，我们假设参数是二维的，函数图像长这个样子：

想求这个函数在哪个点取的最小值，数学家们的方法是对函数求导（多个参数就求偏导），然后判断在每一维上的单调性，最后求出在每个维度上的最小值点。这种方法理论上一定可以求出这个函数的最低点，不过，实际上却很难执行，因为函数图像可能会非常复杂，维度可能很高（上图只是一个简单的例子）。

所以，科学家们提出一种看似简单但实际上却屡试不爽的技巧：梯度下降。这种方法的思路是：不管函数图像是什么样的，反正我只往函数每一维度的梯度方向前进。所谓函数梯度，其实就是函数的导数方向：\(\nabla C=(\frac{\partial C}{\partial {v_1}}, \frac{\partial C}{\partial {v_2}})^T\)。然后，我们让函数参数也往这个方向移动：\(v → v' = v + \Delta v = v -\eta \nabla C\)，其中，\(\eta\) 称为学习率，\(\Delta v\) 称为步长。这样，函数每次的偏移量为 \(\Delta C \approx \nabla C \Delta v = \frac{\partial C}{\partial v_1} \Delta v_1 + \frac{\partial C}{\partial v_2} \Delta v_2\)。不管函数导数的值是正是负（函数图像向上还是向下），只要学习率适当，这个式子都能保证函数往最低点走，当然，如果学习率的取值过大，函数的下降可能会出现曲折抖动的情况。

梯度下降也存在一些不足之处，比如，如果函数存在多个局部最低值，梯度下降可能会陷入局部最低点出不来。

回到实际问题，现在我们将梯度下降应用到网络参数中：

\[w_k → w_{k}' = w_k-\eta \frac{\partial C}{\partial w_k} \]

\[b_l → b_{l}' = b_l-\eta \frac{\partial C}{\partial b_l} \]

通过不断迭代上面的过程，代价函数会不断下降，运气好的话就可能下降到全局最低点的位置。

stochastic gradient descent

不过，这里有个计算上的问题，我们之前的二次代价函数为：\(C(w,b)=\frac{1}{2n}\sum_x ||y(x)-a||^2\)，因此，在计算导数的时候，需要将每个样本的导数值都加起来取平均，这在概率学上是有意义的（防止个别噪声样本的影响），但实际计算的时候，由于样本数量很大，这无疑会造成巨大的计算量。因此，有人又提出一种随机梯度下降(stochastic gradient descent)的方法来加快训练。这种方法每次只挑选少量的随机样本进行训练（当然，所有样本在一轮训练中都需要被挑选到）。

具体来说，假设我们每次挑选 m 个随机样本进行训练，总样本数为 n，那么，只要 m 足够大，我们可以得到一个近似关系（大数定理？）：

\[\frac{\sum_{j=1}^{m}\Delta C_{X_{j}}}{m} \approx \frac{\sum_{x} \Delta C_x}{n} = \Delta C \tag{18} \]

然后，每次对参数的训练就变成：

\[w_k→w_{k}'=w_k-\frac{\eta}{m} \sum_j \frac{\partial C}{\partial w_k} \tag{20} \]

\[b_l→b_l'=b_l-\frac{\eta}{m} \sum_j \frac{\partial C}{\partial b_l} \tag{21} \]

有时候，人们会忽略等式前面的\(\frac{1}{n}\)或\(\frac{1}{m}\)，只在单一的样本上进行训练。这种方法在样本事先不知道（例如，样本是实时产生的）的情况下比较有效。

参考

• Using neural nets to recognize handwritten digits