深度学习-神经网络原理

神经网络原理

人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN），通常简称为神经网络，它是机器学习当中独树一帜的，最强大的强学习器没有之一。
人脑通过构建复杂的网络可以进行逻辑，语言，图像的学习，而传统机器学习算法不具备和人类相似的学习能力。机器学习研究者们相信，模拟大脑结构可以让机器的学习能力更上一层楼，于是人工神经网络算法应运而生，现在基本都简称为”神经网络“。有了神经网络，基于其算法延申出来的机器学习分枝学科——深度学习也从此走入了人们的视野，成为所有让世人惊叹的人工智能技术的根基。在深度学习中，我们使用圆来表示神经元，使用线表示数据流动的方向。

1.单层神经网络

1.1 回归单层神经网络：线性回归

了解神经网络，可以从线性回归算法开始。线性回归算法是机器学习中最简单的回归类算法，多元线性回归指的就是一个样本有多个特征的线性回归问题。对于一个有个特征的样本 而言，它的回归结果可以写作一个几乎人人熟悉的方程：
$$\widehat{z_i}=b+w_1{x}_{i1}+w_2{x}_{i2}+...+w_n{x}_{in}$$
$w$和$b$被统称为模型的参数，其中$b$被称为截距(intercept)，也叫做偏差(bias)， $w_1{w}_n$被称为回归系数(regression coefficient)，也叫作权重(weights)。这个表达式，其实就和我们小学时就无比熟悉的$y=ax+b$是同样的性质。其中$y$是我们的目标变量，也就是标签。

现在假设，我们的数据只有2个特征，则线性回归方程可以写作如下结构：
$$\hat{z}=b+x_1{w}_1+x_2{w}_2$$
此时，我们只要对模型输入特征$x_1$和$x_2$的取值，就可以得出对应的预测值$\hat{z}$ 。在上一节中我们提到，神经网络的预测过程是从神经元左侧输入特征，让神经元处理数据，并从右侧输出预测结果。这个过程和我们刚才说到的线性回归输出预测值的过程是一 致的。如果我们使用一个神经网络来表达线性回归上的过程，则可以有:

在神经网络中，竖着排列在一起的一组神经元叫做“一层网络”，所以线性回归的网络直观看起来有两层，两层神经网络通过写有参数的线条相连。我们从左侧输入常数$1$和特征取值$x_1$，$x_2$，再让它们与相对应的参数相乘，就可以得到$b$，$w_1{x}_1$，$w_2{x}_2$三个结果。这三个结果通过连接到下一层神经元的直线，被输入下一层神经元。我们在第二层的神经元中将三个乘积进行加和（使用符号$\sum$表示），就可以得到加和结果$\hat{z}$，即$b+x_1{w}_1+x_2{w}_2$，这个值正是我们的预测值。可见，线性回归方程与上面的神经网络图达到的效果是一模一样的。

在上述过程中，左侧的是神经网络的输入层（input layer）。输入层由众多承载数据用的神经元组成，数据从这里输入，并流入处理数据的神经元中。在所有神经网络中，输入层永远只有一层，且每个神经元上只能承载一个特征或一个常量。现在的二元线性回归只有两个特征，所以输入层上只需要三个神经元，包括两个特征和一个常量，其中这里的常量仅仅是被用来乘以偏差用的。对于没有偏差的线性回归来说，我们可以不设置常量1。

右侧的是输出层（output layer）。输出层由大于等于一个神经元组成，我们总是从这一层来获取预测结果。输出层的每个神经元上都承载着单个或多个功能，可以处理被输入神经元的数据。在线性回归中，这个功能就是“加和”，当我们把加和替换成其他的功能，就能够形成各种不同的神经网络。

在神经元之间相互连接的线表示了数据流动的方向，就像人脑神经细胞之间相互联系的“轴突”。在人脑神经细胞中，轴突控制电子信号流过的强度，在人工神经网络中，神经元之间的连接线上的权重也代表了”信息可通过的强度“。最简单的例子是，当$w_1$为0.5时，在特征$x_1$上的信息就只有0.5倍能够传递到下一层神经元中，因为被输入到下层神经元中去进行计算的实际值是$0.5x$。相对的，如果$w_1$是2.5，则会传递2.5倍的$x_1$上的信息。

到此，我们已经了解了线性回归的网络是怎么一回事，它是最简单的回归神经网络，同时也是最简单的神经网络。类似于线性回归这样的神经网络，被称为单层神经网络。

单层神经网络
从直观来看，线性回归的网络结构明明有两层，为什么线性回归被叫做“单层神 经网络”呢？实际上，在描述神经网络的层数的时候，我们不考虑输入层。输入层是每个神经网络都必须存在的一层，任意两个神经网络之间的不同之处就在输入层之后的所有层。所以，我们把输入层之后只有一层的神经网络称为单层神经网络。

#首先使用numpy来创建数据
import numpy as np
X = np.array([[0,0],[1,0],[0,1],[1,1]])
z_reg = np.array([-0.2, -0.05, -0.05, 0.1])
X
X.shape
z_reg
#定义实现简单线性回归的函数
def LinearR(x1,x2):
    w1, w2, b = 0.15, 0.15,-0.2 #给定一组系数w和b
    z = x1*w1 + x2*w2 + b #z是系数*特征后加和的结果
    return z
LinearR(X[:,0],X[:,1])
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可以看到，只要能够给到适合的w和b，回归神经网络其实非常容易实现。从这样的一个简单回归神经网络，我们很容易就可以把它推广到分类模型上。

1.2 二分类单层神经网络：sigmoid与阶跃函数

• sigmoid函数
  在过去我们学习逻辑回归时，我们了解到sigmoid函数可以帮助我们将线性回归连续型的结果转化为0-1之间的概率值，从而帮助我们将回归类算法转变为分类算法逻辑回归。对于神经网络来说我们也可以使用相同的方法。首先先来复习一下Sigmoid函数的的公式和性质：

  Sigmoid函数是一个$S$型的函数，当自变量$z$趋近正无穷时，因变量$g(z)$趋近于$1$， 而当$z$趋近负无穷时，$g(z)$趋近于$0$，因此它能够将任何实数映射到$(0,1)$区间，使其可用于将任意值函数转换为更适合二分类的函数。通常来说，自变量往往是回归类算法（如线性回归）的结果。将回归类算法的连续型数值压缩到$(0,1)$之间后，我们使用阈值$0.5$来将其转化为分类。即当$g(z)$大于0.5时，我们认为样本$z_i$对应的分类结果为$1$类，反之则为$0$类。
  $$g(z)=\frac{1}{1+e^{-z}}$$
  

来看下面这组数据。很容易注意到，这组数据和上面的回归数据的特征$(x_1,x_2)$是完全一致的，只不过标签$y$由连续型结果转变为了分类型。这一组分类的规律是这样的：当两个特征都为$1$的时候标签就为$1$，否则标签就为$0$。这一组特殊的数据被我们称之为“与门”（AND GATE），这里的“与”正是表示“特征一与特征二都是$1$”的含义。

#重新定义数据中的标签 
y_and = [0,0,0,1] 
#根据sigmoid公式定义sigmoid函数 
def sigmoid(z):    
    return 1/(1 + np.exp(-z)) 
def AND_sigmoid(x1,x2):        
    w1, w2, b = 0.15, 0.15,-0.2  #给定的系数w和b不变    
    z = x1*w1 + x2*w2 + b    
    o = sigmoid(z)  #使用sigmoid函数将回归结果转换到(0,1)之间    
    y = [int(x) for x in o >= 0.5] #根据阈值0.5，将(0,1)之间的概率转变 为分类0和1    
    return o, y 
    
#o:sigmoid函数返回的概率结果 
#y:对概率结果按阈值进行划分后，形成的0和1，也就是分类标签 
o, y_sigm = AND_sigmoid(X[:,0],X[:,1]) 
y_sigm == y_and 
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• sign函数
  表达式：
  $$g(z)=y=\{\begin{array}{cc}1& ifz>0\\ 0& ifz==0\\ -1& ifz<0\end{array}$$
  
  由于函数的取值是间断的，符号函数也被称为“阶跃函数”，表示在$0$的两端，函数的结果$y$是从$-1$直接阶跃到了$1$。在这里，我们使用$y$而不是$g(z)$来表示输出的结果，是因为输出结果直接是$0$、$1$、$-1$这样的类别。对于sigmoid函数而言，$g(z)$返回的是$01$之间的概率值，如果我们希望获取最终预测出的类别，还需要将概率转变成$0$或$1$这样的数字才可以。但符号函数可以直接返回类别，因此我们可以认为符号函数输出的结果就是最终的预测结果$y$。在二分类中，符号函数也可以忽略中间$z==0$的时 候，直接分为$0$和$1$两类，用如下式子表示:
  $$\begin{gathered} y=\{\begin{array}{cc}1& ifz>0\\ -1& ifz\le 0\end{array} \\ \because z=w_1{x}_1+w_2{x}_2+b \\ \therefore y=\{\begin{array}{cc}1& if{w}_1{x}_1+w_2{x}_2+b>0\\ -1& if{w}_1{x}_1+w_2{x}_2+b\le 0\end{array} \\ \therefore y=\{\begin{array}{cc}1& if{w}_1{x}_1+w_2{x}_2>-b\\ -1& if{w}_1{x}_1+w_2{x}_2\le -b\end{array} \end{gathered}$$

此时，$-b$就是一个阈值，我们可以使用任意字母来替代它，比较常见的是字母$\theta$。当然，不把它当做阈值，依然保留$$w_1{x}_1+w_2{x}_2+b$$与0进行比较的关系也没有任何问题。和sigmoid一样，我们也可以使用阶跃函数来处理”与门“的数据：

def AND(x1,x2):    
    w1, w2, b = 0.15, 0.15, -0.23 #和sigmoid相似的w和b    
    z = x1*w1 + x2*w2 + b    
    y = [int(x) for x in z >= 0]    
    return y 
    
AND(X[:,0],X[:,1]) 

y_and
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阶跃函数和sigmoid都可以完成二分类的任务。在神经网络的二分类中， $g(z)$几乎默认是sigmoid函数，少用阶跃函数，这是由神经网络的解法决定的.

1.3 多分类单层神经网络：softmax回归

在了解二分类后，我们可以继续将神经网络推广到多分类。逻辑回归通过Many-vs-Many（多对多）和Onevs-Rest（一对多）模式来进行多分类。其中，OvR是指将多个标签类别中的一类作为类别$1$，其他所有类别作为类别$0$，分别建立多个二分类模型，综合得出多分类结果的方法。MvM是指把好几个标签类作为$1$，剩下的几个标签类别作为$0$，同样分别建立多个二分类模型来得出多分类结果的方法。这两种方法非常有效，尤其是在逻辑回归做多分类的问题上能够解决很多问题，但是对于神经网络却不奏效。理由非常简单：

• 1. 逻辑回归是一个单层神经网络，计算非常快速，在使用OvR和MvM这样需要同时建立多个模型的方法时，运算速度不会成为太大的问题。但真实使用的神经网络往往是一个庞大的算法，建立一个模型就会耗费很多时间，因此必须建立很多个模型来求解的方法对神经网络来说就不够高效。
• 2. 我们有更好的方法来解决这个问题，那就是softmax回归。

Softmax函数是深度学习基础中的基础，它是神经网络进行多分类时，默认放在输出层中处理数据的函数。假设现在神经网络是用于三分类数据，且三个分类分别是苹果，柠檬和百香果，序号则分别是分类 1、分类2和分类3。则使用softmax函数的神经网络的模型会如下所示：

与二分类一样，我们从网络左侧输入特征，从右侧输出概率，且概率是通过线性回归的结果$z$外嵌套softmax函数来进行计算。在二分类时，输出层只有一个神经元，只输出样本对于正类别的概率（通常是标签为$1$的概率），而softmax的输出层有三个神经元，分别输出该样本的真实标签是苹果、柠檬或百香果的概率。在多分类中，神经元的个数与标签类别的个数是一致的，如果是十分类，在输出层上就会存在十个神经元，分别输出十个不同的概率。此时，样本的预测标签就是所有输出的概率${\sigma }_1$，${\sigma }_2$，${\sigma }_3$中最大的概率对应的标签类别。
那每个概率是如何计算出来的呢？来看Softmax函数的公式：
$${\sigma }_k=Softmax(z_k)=\frac{e^{z_k}}{{\sum }^K{e}^z}$$

其中$e$为自然常数（约为2.71828），$z$与sigmoid函数中的一样，表示回归类算法（如线性回归）的结果。$K$表示该数据的标签中总共有$K$个标签类别，如三分类时$K=3$ ，四分类时$K=4$ 。$k$表示标签类别$k$类。很容易可以看出，Softmax函数的分子是多分类状况下某一个标签类别的回归结果的指数函数，分母是多分类状况下所有标签类别的回归结果的指数函数之和，因此Softmax函数的结果代表了样本的结果为类别$k$的概率。

举个例子，当我们有三个分类，分别是苹果，梨，百香果的时候，样本$i$被分类为百香果的概率${\sigma }_{百香果}$为：
$${\sigma }_{百香果}=\frac{{\sigma }_{百香果}}{{\sigma }_{苹果}+{\sigma }_{梨}+{\sigma }_{百香果}}$$