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[机器学习] 神经网络

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发表于 2018-6-7 08:28:31 |只看该作者 |倒序浏览
1 概述
2 神经网络模型
3 中英文对照
4 中文译者

概述

以监督学习为例,假设我们有训练样本集   70ebbf3d401302b5d148530b986f0602.png ,那么神经网络算法能够提供一种复杂且非线性的假设模型 58d3a4fe4ad68b333b180071dd46db82.png ,它具有参数 7c9aa03f5258ecf79556ba374d7eb2cd.png ,可以以此参数来拟合我们的数据。

为了描述神经网络,我们先从最简单的神经网络讲起,这个神经网络仅由一个“神经元”构成,以下即是这个“神经元”的图示:

300px-SingleNeuron.png



这个“神经元”是一个以 3cb2ab026a8bb3279a30485c2220a5a4.png 及截距 dcb8dd3d14a2c0aa9b06ec6ce4ec0d59.png 为输入值的运算单元,其输出为 89f1f9e549b908834d9fedca36d07bd4.png ,其中函数 5df2a707a6b2421afcb345f96051297e.png 被称为“激活函数”。在本教程中,我们选用sigmoid函数作为激活函数 0303dd697c0e1b72185d7939f9870784.png

ce5df10952ab30aa868f44db2f77486b.png

可以看出,这个单一“神经元”的输入-输出映射关系其实就是一个逻辑回归(logistic regression)。

虽然本系列教程采用sigmoid函数,但你也可以选择双曲正切函数(tanh):


a9025d0884453bd5898c9681e871b3fb.png

以下分别是sigmoid及tanh的函数图像

400px-Sigmoid_Function.png 400px-Tanh_Function.png

87e9b5fc0869fae518eed4b75536334f.png   函数是sigmoid函数的一种变体,它的取值范围为 85a1c5a07f21a9eebbfb1dca380f8d38.png ,而不是sigmoid函数的 84235d31ac83fe764546463aba7acc0e.png

注意,与其它地方(包括OpenClassroom公开课以及斯坦福大学CS229课程)不同的是,这里我们不再令 c582053ce9cb63d69ae80acb53ded0d3.png 。取而代之,我们用单独的参数 5254b90d248051980262672a1bbc2433.png 来表示截距。

最后要说明的是,有一个等式我们以后会经常用到:如果选择 ec62a4df6800f8c9ea680a08003df5c3.png ,也就是sigmoid函数,那么它的导数就是 994ac235e9478c8f465a4acdd8aae017.png (如果选择tanh函数,那它的导数就是 e7deb0493f3858b59b86181afe368fec.png ,你可以根据sigmoid(或tanh)函数的定义自行推导这个等式。


神经网络模型

所谓神经网络就是将许多个单一“神经元”联结在一起,这样,一个“神经元”的输出就可以是另一个“神经元”的输入。例如,下图就是一个简单的神经网络:

400px-Network331.png


我们使用圆圈来表示神经网络的输入,标上“”的圆圈被称为偏置节点,也就是截距项。神经网络最左边的一层叫做输入层,最右的一层叫做输出层(本例中,输出层只有一个节点)。中间所有节点组成的一层叫做隐藏层,因为我们不能在训练样本集中观测到它们的值。同时可以看到,以上神经网络的例子中有3个输入单元(偏置单元不计在内),3个隐藏单元及一个输出单元

我们用 546158a6d0082614d47e7f8a63225b0b.png 来表示网络的层数,本例中 3c89b5db1e49221343428af57c90e44a.png ,我们将第 ba0593b3db2fa8535b077516f4b0d70b.png 层记为 55ea36127aa64b92b071c269cd1e3990.png ,于是 13e0887b9e716279d9a7b8bc8e6ad63b.png 是输入层,输出层是 221a7296664022427d488fdb9b14b19b.png 。本例神经网络有参数 aa3d6ed3c577d41a791324008558efbe.png ,其中 dfe43c64e3c42ea4ff1774fc82b87805.png (下面的式子中用到)是第 层第 235c5146ab110558897640c34dad7d97.png 单元与第 9068105ec8ebb97277c937bfa61b606d.png 层第 0b36ee693126b34b58f77dba7ed23987.png 单元之间的联接参数(其实就是连接线上的权重,注意标号顺序), 4c786c16575b63bbb554254725b6b648.png 是第 层第 单元的偏置项。因此在本例中, 5ca0efbb17e86cb00091f6a528e0ab0e.png 431cf6f298e4106efb5bff4495aa3c6d.png 。注意,没有其他单元连向偏置单元(即偏置单元没有输入),因为它们总是输出 。同时,我们用 8afb62ac69ccb2911bb24795ff052a07.png 表示第 层的节点数(偏置单元不计在内)。

我们用 c9b144e0a6735fafb01b3615a2a0dc05.png 表示第 层第 单元的激活值(输出值)。当 4a4725e295806f22b26342fe3cd3338f.png 时, f5c1979e94318aee674de68348b96557.png ,也就是第 个输入值(输入值的第 个特征)。对于给定参数集合 ,我们的神经网络就可以按照函数   来计算输出结果。本例神经网络的计算步骤如下:


fde22a388f607f526f03644c71a72f92.png


我们用 3dd5c56e0949e76de86690e1b868cdcf.png 表示第 层第 单元输入加权和(包括偏置单元),比如, aae7340fe1eb75c824b8abc107c3db27.png ,则 cf8cb56750f5aaca7dc59480a53d9676.png

这样我们就可以得到一种更简洁的表示法。这里我们将激活函数 扩展为用向量(分量的形式)来表示,即 db84346dcd6187f0fbb0f6c1a72eecf8.png ,那么,上面的等式可以更简洁地表示为:


9690acc03c1e5133b0509257b532b4f7.png


我们将上面的计算步骤叫作前向传播。回想一下,之前我们用 de0b51a7e4a2b2047d52a165419ac048.png   表示输入层的激活值,那么给定第 层的激活值 bd2728b5337ccec5b5729756d5796b20.png 后,第 层的激活值 eb8a863a7b57397bf06a0532d4f1daf1.png 就可以按照下面步骤计算得到:


5cfcbbe6d55b6c882f56a85a57eafe6e.png


将参数矩阵化,使用矩阵-向量运算方式,我们就可以利用线性代数的优势对神经网络进行快速求解。

目前为止,我们讨论了一种神经网络,我们也可以构建另一种结构的神经网络(这里结构指的是神经元之间的联接模式),也就是包含多个隐藏层的神经网络。最常见的一个例子是 5b7a0657fdea25f29866c8e1d6e884ac.png 层的神经网络,第 6e924e04b5c9d4c5be131609a038b821.png 层是输入层,第 层是输出层,中间的每个层 与层 紧密相联。这种模式下,要计算神经网络的输出结果,我们可以按照之前描述的等式,按部就班,进行前向传播,逐一计算第 cf7d186efd913f4fb9ceb939bf5135c4.png 层的所有激活值,然后是第 d9b949d768ca8bab18830d9efc3fa441.png 层的激活值,以此类推,直到第 层。这是一个前馈神经网络的例子,因为这种联接图没有闭环或回路。

神经网络也可以有多个输出单元。比如,下面的神经网络有两层隐藏层:   及 ,输出层 ab05e0667abe37f2e3cbc05735573034.png 有两个输出单元。


500px-Network3322.png



要求解这样的神经网络,需要样本集   f178249571382c3921d2c46f7abd47da.png   ,其中 9edce3bff2898e4b7f084ad3a2bbf494.png 。如果你想预测的输出是多个的,那这种神经网络很适用。(比如,在医疗诊断应用中,患者的体征指标就可以作为向量的输入值,而不同的输出值 7a5d164f3df0329a8032cda67d95d9d4.png 可以表示不同的疾病存在与否。)


中英文对照

neural networks 神经网络
activation function 激活函数
hyperbolic tangent 双曲正切函数
bias units 偏置项
activation 激活值
forward propagation 前向传播
feedforward neural network 前馈神经网络(参照Mitchell的《机器学习》的翻译)


中文译者

孙逊(sunpaofu@foxmail.com),林锋(xlfg@yeah.net),刘鸿鹏飞(just.dark@foxmail.com), 许利杰(csxulijie@gmail.com
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