深度学习笔记之神经网络、激活函数、目标函数和深度的初步认识

 

 

　　不多说，直接上干货！

 

 

　　AI技术研究的兴起，伴随着两种最直观的思维技巧，即遗传算法与神经网络，这是对生物学研究最直观的技术抽象。深度学习的前身就是神经网络，这个80年代灵光乍现的技术，在那一波人工智能的大潮驱使下，带着人们对于未来AI时代的憧憬，迅速蔓延，一时风头无两，和今天深度学习的火热几乎如出一辙。

      某乎友的观点给出了这两种技术的鲜明对比，如同麻汁与芝麻酱，换汤不换药，所谓深度在于把二两变成了三斤，给出的官方解释是深度学习只是依赖于大数据和更好的硬件，除此再无区别。

　　当然也有不同观点，但不管如何，这并不是我们要讨论的话题，只要捋清来龙去脉，请读者自己站队。

 

 

 

 

•   神经网络

        生物学家对人体大脑研究发现，人脑存在860亿个神经元，复杂的神经元通过生物电驱动，实现消息的加工和处理，神经元是怎么处理信息的呢？通过神经元结构来进行说明：

　　　　　　　　　　　　

 

1）神经元作为信息处理的基本结构，主要构件是树突，细胞体和轴突，树突及细胞体接收外部刺激信号（由其他神经元传递）；

2）轴突的作用过程是信号处理的过程，这个过程不完全是一种线性的处理过程，而是存在一种潜在的拟合方法，实现信号的放大或者抑制，也有可能出现信号消失，因此这种处理过程带有较大的随机性；

3）突触 实现信号的向下传递，当前面的信号处理后仍然存在时，将信号传递到相连接的神经元；

4）由于每个神经元对其他神经元产生的刺激或者抑制，最初的信号得到加工，这个加工过程非常复杂，路径也很深，有人把这个过程称为一个“图灵机”。

        基于生物神经学的研究，神经网络的概念诞生，被抽象成数学符号，描述为以加权平均形式，而信号加工处理过程被简化为单向网络，如下图所示：

　　　　　　　　　　

 

        左图是1943年McCulloch和Pitts抽象出来的一种人工神经元模型，称为“M-P神经元模型”，分为信息归集（加权求和）和 随机处理（激活函数）两个部分，“加权求和”对接收信息进行触发响应，而“激活函数”旨在模拟信号衰减、抑制的随机过程。

        多个神经元按照层次划分，严格定义输入输出，这就是神经网络的雏形，虽然这与实际情况仍有较大差异。

目前你已经了解一个基本的神经网络模型，那这里面我们需要求解的是什么呢？对，是参数。直接给出公式：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

 

 

        第二层的输出 由第一层的输入 加权计算得到， 是加权后的一个非线性变换，我们将其描述为激活函数，这是我们接下来要讲的一个重要概念。

 

 

 

 

 

•   激活函数

        机器学习里面数据拟合有一个关键问题，模型越复杂，所能描述的信息量越丰富，其可分性也就越好。

        从这个图上，我们能够看到一个很明显的结论，线性函数对于数据的实用性最差，想要描述问题，我们有两种方法：

1）原来线性的加权平均过程变为更高次幂函数；

2）分段拟合。

        拟合函数的次数越高，越能描述数据的特征；分段越合理，结果越准确，这两种方法所描述的是同一种思路-非线性。

        非线性解决了简单加权平均无法有效解决的分类描述问题，也是我们所说的激活函数的灵魂所在。

        激活函数 通过添加一个额外的非线性过程来模拟神经元处理过程，避免了次数过高带来的计算复杂性，同时兼顾随机性因素。根据生物学特征研究，典型的激活函数应具备以下几个特征：

1）单侧抑制；

2）相对宽阔的兴奋边界；

3）稀疏激活性。

        

　　目前 常用的几种激活函数有sigmoid、tanh、ReLU、Softplus。

　　　　　　　　　　　　

        Sigmoid函数也称S曲线，将输入映射到  之间，从数学上看，非线性的Sigmoid函数对中央区的信号增益较大，对两侧信号增益较小，公式可以表示为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　

        tanh函数相比在于允许负值的出现，其表现与Sigmoid一致，公式描述为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

        ReLU（RectifiedLinear Units）是最简单的激活函数（小于0时归0，大于0时不处理），代表特征是分段线性，因此其前向后向传播、求导都是分段线性，计算量相比前两种较小。

        ReLU另一个关键特征在于，其有效模拟了输出为0的神经元丢弃特征，确保了网络稀疏性，能够有效减少参数的相互依存关系，缓解了过拟合问题的发生。ReLU解决了前面两种模型所未能有效描述的单侧抑制（右侧不抑制）问题，公式描述为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

        Softplus同样是一类接近于生物学特征的激活函数，和ReLU的区别在于不具备稀疏性，公式描述为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　    

 

•   目标函数

        相信大家对目标函数并不陌生，借助于已有样本，我们能够衡量特定输入与期待的输出之间的差异，描述为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

        我们的目的在于，通过大量的数据训练，得到上面所提到的一组参数集 ，使得对于特定样本输入，得到的输出结果最接近所期待的样本y值，也就是目标损失最小，一般也把这个损失定义为损失函数（LostFunction）。

        目标函数优化的过程是个求极值的过程，经典的方法包括随机梯度下降法（RandomGradient Descent）、牛顿法（Newton’smethod）。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

        另外还有启发式方法、共轭梯度法等，不如前面两种常用，可以不必关注，对于梯度下降法和牛顿法建议大家系统学习一下PRML、MLAPP、ESL等机器学习的书籍，里面讲的比较透彻，喜欢看视频的也可以找下AndrewNg的Stanford公开课，这里我们不在概念上进行描述，仅给出这两种方法的优缺点，以供选择：

1）收敛方式不同，梯度下降法以梯度负方向为搜索方向，一阶收敛；而牛顿法考虑了梯度变化趋势，是二阶收敛，能更合适的确定全局搜索方向；

2）在收敛速度上，梯度下降法在远离极小值的地方下降很快，而在靠近极小值的地方下降很慢；牛顿法收敛方向更为明确，过程更快；

3）复杂性来看，牛顿法对目标函数有严格要求，必须有连续的一、二阶偏导数，海森矩阵必须正定，每一步的计算量更大；

        梯度下降法得到局部最优解，如果目标函数是一个凸优化问题，就是全局最优解；在非凸情况下，牛顿法不保证收敛到局部最小值，有些时候会收敛到鞍点。

        前面提到了目标函数最小化，是求解网络参数的唯一手段，不管是梯度下降还是牛顿法，都是基于迭代过程的。

        以梯度下降法为例，对于目标函数 cost(x)，如何求参数 (w,b) 呢？给定任意初始点，按照负梯度方向搜索，确定下一个迭代点，重复计算直到目标函数收敛，这里面最关键的一点就在于梯度方向的计算，而求负梯度方向的过程可以描述为求偏导的过程。

        链式求导法则，这个在微积分的基本概念是时候发挥用场了，对于函数 f(x)=(1+x)(1+x)，链式公式可以描述为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

        求导公式：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

        代入可以得到：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

        Backpropagationalgorithm，即BP算法，是神经网络典型的应用，其反向传播的思路在于，计算所构造的误差函数针对对应参数的偏导数，来更新对应参数的值。

        我们通过一个实际的例子来进行说明，in(x) 对应的 out(x)，对参数 a0,0 迭代更新的过程。

　　　　　　　　　　　　　　

 

        我们假设一组样本及参数数据作为迭代输入，参数更新过程描述为：

        Step0：初始化

1）样本 x=[0.1,0.3,0.2]，对应输出为 z = 0.6，

2）对应的初始化权值 a0 = [0.5,0.5,0.5]，b0 = 0.5，

3）对应的初始化权值 w = [0.5,0.5,0.5]，b1 = 0.5，

        Step1：数据正向传播

                Y0 =0.5*0.1 + 0.5*0.3 + 0.5*0.2 + 0.5 = 0.8，

                Y1 Y2 省略计算，假设结果为 [0.6, 0.8],

                Z0 = 0.5*0.8 + 0.5*Y1 + 0.5*Y2 + 0.5 = 1.6，

                当前样本误差值：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

        平均样本误差值（可以作为终止判定依据）：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　   

        Step2：计算偏导

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

        通过链式求导公式分别计算：

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　   

        Step3：更新权值（负梯度方向）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

        其中 L为Learn Rate学习率（设为0.6）。

 

 

 

 

•   所谓深度

        我想现在可以真正开启深度学习了。

        多层神经网络是不是深度学习？对于这个问题也许有一些争论，作者的给出的答案是肯定的。

        深度学习== 多层神经网络

        Ok，工程师们可以不再有顾虑，开始干活了；学术健儿们先别慌，你字典里的深度学习必然要更高大上，否则让你的CVPR情何以堪呐？So在你眼中：

        深度学习==（带Trick的）多层神经网络

        多层网络采用BP方法训练时，会遇到两个问题：

1）初始化参数选择不当，导致的 局部极值问题。局部极值问题；

2）误差传播到前面已经变得很小，无法起到参数矫正的意义，这就是所说的 梯度发散。梯度发散导致最后面靠近输出的2-3层参数结果收敛，前面若干层震荡，而震荡效应又导致后面参数的重新收敛，因此，结果就是，大于3层的网络不光训练困难，准确度也会下降。

        对于这个实际存在的问题，大牛们通过两个阶段来克服：

        第一阶段：

        2006年Hinton大神提出逐层贪心预训练（layer-wisepre-training）方法进行有效克服，方法概述为：

1）逐层构建单层神经元，保证每次训练一个单层网络；

2）所有层训练完后，使用wake-sleep算法进行调优。

        第二阶段：

        2012年开始，CNN大行其道，并且借助ReLU、Dropout等技巧，更有效的规避了训练问题（预训练方法基本被抛弃），至此，多层网络的“所谓深度”得以正名，“深度学习”的概念正式确立。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

参考博客

深度学习基础