孙怡带你深度学习(1)--神经网络

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深度学习

深度学习(DL, Deep Learning)是机器学习(ML, Machine Learning)领域中一个新的研究方向。

从上方的内容包含结果,我们可以知道,在学习深度学习之前,我们还需要了解一下什么是神经网络。

神经网络

神经网络,我们可以将它类比为人类的神经元,由外界传递信息,产生神经冲动,传递电信号,做出行为的过程。

这是生物学上的体现,那么,在神经网络中是如何体现的呢?

由外界传入数据,然后通过"路径"抵达神经元,在每一条的"路径"上会有不同的w参数,与传入的数据进行计算。从而影响接收值:

在推导式中,每条"路径"上的信息传入神经元,然后对他们进行累加求和,接着经过特定的输出函数sigmoid函数输入,对结果进行分类。

神经网络的本质:通过参数与激活函数来拟合特征与目标之间的真实函数关系。但在一个神经网络的程序中,不需要神经元和线,本质上是矩阵的运算,实现一个神经网络最需要的是线性代数库。

1. 感知器

由两层神经元组成的神经网络--"感知器"(Perceptron),感知器只能线性划分数据。

对于这样简单的感知器,只能线性划分数据,因为对于神经元的结果,只有y =kx+b一层计算,只可以在二维空间画一条直线划分,这样的话,对于一些区域型的数据无法具体分类,比如:

对于这组数据的分类,是无法通过一条直线就让它们分开的,那该如何分类N呢?

我们得让分类的线弯曲,比如:

这样就将类别划分开了。可是,我们该怎样使这条"线"弯曲呢?通过多层感知器。

2. 多层感知器

多层感知器其实就是增加了一个中间层,即隐含层。而这,也就是神经网络可以做非线性分类的关键。

多层感知器同简单感知器的区别就是多加了1层运算,那这样我们的计算就变成了y=w1x1+w2x2+b,在一个二维图片中,这样的函数计算可以使"线"弯曲,从而实现了非线性分类。

偏置

在神经网络中需要默认增加偏置神经元(节点),这些节点是默认存在 的。它本质上是一个只含有存储功能,且存储值永远为1 的单元。在神经网络的每个层次中,除了输出层以外,都会含有这样一个偏置单元。

偏置节点没有输入(前一层中没有箭头指向它)。一般情况下,我们都不会明确画出偏置节点。

3. 神经网络的构造

神经网络从左到右分为输入层、隐含层、输出层。

需要记忆

  1. 设计一个神经网络时,输入层与输出层的节点数往往是固定 的,中间层则可以自由指定
    1. 输入层的节点数:与特征的维度匹配(特征数量)。
    2. 输出层的节点数:与目标的维度匹配(类别结果数量)。
    3. 中间层的节点数:目前业界没有完善的理论来指导这个决策。一般是根据经验来设置。
  2. 神经网络结构图中的拓扑与箭头代表着预测过程时数据的流向,跟训练时的数据流有一定的区别;
  3. 结构图里的关键不是圆圈(代表"神经元"),而是连接线(代表"神经元"之间的连接)。每个连接线对应一个不同的权重(其值称为权值),这是需要训练得到的。

4. 模型训练

模型训练的目的:使得参数尽可能的与真实的模型逼近。

具体做法:

  1. 首先给所有参数赋上随机值。我们使用这些随机生成的参数值,来预测训练数据中的样本。
  2. 计算预测值为yp,真实值为y。那么,定义一个损失值loss,损失值用于判断预测的结果和真实值的误差,误差越小越好。

损失函数

  1. 均方差损失函数

对真实值与预测值作差然后做平方,计算每一条数据的差值平方加起来,然后再除以数据的条数即可得到损失值。

  1. 多分类的情况下,交叉熵损失函数

运算过程,将一组数据传入:

公式:

总结

本篇介绍了:

  1. 神经网络的构造
  2. 神经网络的运行过程
  3. 感知器
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