第五章 神经网络

前言

神经网络是模仿生物的神经网络来做的一种机器学习方法,可以分类也可以回归。

本质就是:一组输入,分别给所有的 隐藏层神经元(假设隐藏层只有一层),接受到输入的每一个神经元,经过激活函数的计算和自身的偏置b(bias),输出给下一层的所有神经元(如果隐藏层只有一层,那么下一层就是输出层),下一层神经元接受到输入之后,同样经过激活函数的计算和自身的偏置,得到每个输出层神经元的最终输出。

如果是分类模型,那么输出层的神经元个数,就是总的类别数目,如果是回归模型,那么输出层的神经元个数就是1个或者多个,如果是多个,需要对每个输入做加权平均或者数值平均,最终得到1个输出值,也是模型的预测值。

神经元

接受多个不同的输入,给下一层神经元同样的输出。生物神经元有数突和轴突,数突负责接收输入,轴突负责输出。只不过生物神经网络,有细胞核的蛋白质以及细胞核自身的偏置(个性)来决定是否输出,机器学习中的神经元,由激活函数和自身偏置来决定输出的值,但是无论值多少,都会有输出。

激活函数

每一层神经元的输出值应该是多少,由激活函数来计算,通常用Sigmoid函数:\frac{1}{1+e^{-(w_{i}x+b )}  }

损失函数

输出值:\hat{y} 与观测值(样本值) y的误差平方最小: Loss(y, \hat{y} ) = \sum_{i=1}^n(y_{i}-\hat{y_{i}})^2

BP网络

BP: backward propgation,反向传播。也就是说,通过误差反向修正各层参数来重复训练,最终得到理想的神经网络模型(确定了各层的参数、隔层偏置、Loss函数最小)的神经网络,我们称为BP网络。

误差反向传播:

假设有一个3层的BP网络:输入层(2个神经元)、隐藏层(4个神经元)、输出层(2个神经元)

隐藏层的输入:  q_{1} = w_{12}*x_{1} + w_{22}*x_{2}

隐藏层的输出:h_{1} =f(q_{1} ) + \beta _{1} ,这里 f 是 Sigmoid函数

输出层的输入:c_{1} = v_{12}*h_{1} + v_{22}*h_{2}

输出层的输出:\hat{y} _{1} =f(c_{1} ) + \gamma_{1} ,这里 f 是 Sigmoid函数

那么根据Loss函数,分别计算 \Delta\gamma  \Delta v_{1}  ,\Delta \beta _{1}  ,\Delta w_{1}  ,

\Delta \gamma 为例,当计算出\Delta \gamma之后,用\gamma =\Delta \gamma+\gamma \beta _{1} =\Delta \beta _{1} + \beta _{1}等等重新训练。

如何计算\Delta \gamma呢?求梯度,并且梯度=0,也就是下降最快的下一个移动点(调整点):

-\eta*\frac{ \delta Loss}{\delta \gamma } =-\eta *\frac{\delta Loss}{\delta \hat{y} } *\frac{\delta \hat{y}}{\delta u }*\frac{\delta u}{\delta \gamma  }

这里u是激活函数,比如sigmoid,\eta 称为学习率或者步长,通常用一个很小的数来表示,比如 0.1。

目前没有确切理论支撑的是:

神经网络应该有多少层,每层多少个神经元,只能凭实战经验。

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