BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念

最近學(xué)習(xí)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)上文章比較參差不齊，對于初學(xué)者還是很困惑，本文做一下筆記和總結(jié)，方便以后閱讀學(xué)習(xí)。

一、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其主要的特點(diǎn)是：信號是前向傳播的，而誤差是反向傳播的。具體來說，對于如下的只含一個(gè)隱層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型：輸入向量應(yīng)為n個(gè)特征

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的過程主要分為兩個(gè)階段，第一階段是信號的前向傳播，從輸入層經(jīng)過隱含層，最后到達(dá)輸出層；第二階段是誤差的反向傳播，從輸出層到隱含層，最后到輸入層，依次調(diào)節(jié)隱含層到輸出層的權(quán)重和偏置，輸入層到隱含層的權(quán)重和偏置。

1. 神經(jīng)元：神經(jīng)元，或稱神經(jīng)單元/神經(jīng)節(jié)點(diǎn)，是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本的計(jì)算單元，其計(jì)算函數(shù)稱為激活函數(shù)（activation function），用于在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中引入非線性因素，可選擇的激活函數(shù)有：Sigmoid函數(shù)、雙曲正切函數(shù)（tanh）、ReLu函數(shù)（Rectified Linear Units），softmax等。

1.1 Sigmoid函數(shù)，也就是logistic函數(shù)，對于任意輸入，它的輸出范圍都是（0,1）。公式如下：

Sigmoid的函數(shù)圖如上所示，很像平滑版的階躍函數(shù)。但是，sigmoid 有很多好處，例如：

（1）它是非線性的

（2）不同于二值化輸出，sigmoid 可以輸出0到 1 之間的任意值。對，跟你猜的一樣，這可以用來表示概率值。

（ 3)與 2 相關(guān)，sigmoid 的輸出值在一個(gè)范圍內(nèi)，這意味著它不會輸出無窮大的數(shù)。但是，sigmoid 激活函數(shù)并不完美： 梯度消失。如前面的圖片所示，當(dāng)輸入值 z 趨近負(fù)無窮時(shí)，sigmoid 函數(shù)的輸出幾乎為0 . 相反，當(dāng)輸入 z 趨近正無窮時(shí)，輸出值幾乎為 1 . 那么這意味著什么？在這兩個(gè)極端情況下，對應(yīng)的梯度很小，甚至消失了。梯度消失在深度學(xué)習(xí)中是一個(gè)十分重要的問題，我們在深度網(wǎng)絡(luò)中加了很多層這樣的非線性激活函數(shù)，這樣的話，即使第一層的參數(shù)有很大的變化，也不會對輸出有太大的影響。換句話講，就是網(wǎng)絡(luò)不再學(xué)習(xí)了，通常訓(xùn)練模型的過程會變得越來越慢，尤其是使用梯度下降算法時(shí)。

1.2 Tanh函數(shù)

Tanh 或雙曲正切是另一個(gè)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中常用的激活函數(shù)。類似于 sigmoid 函數(shù)，它也將輸入轉(zhuǎn)化到良好的輸出范圍內(nèi)。具體點(diǎn)說就是對于任意輸入，tanh 將會產(chǎn)生一個(gè)介于-1 與 1 之間的值。

Tanh函數(shù)圖

如前面提及的，tanh 激活函數(shù)有點(diǎn)像 sigmoid 函數(shù)。非線性且輸出在某一范圍，此處為(-1, 1)。不必意外，它也有跟 sigmoid 一樣的缺點(diǎn)。從數(shù)學(xué)表達(dá)式就可以看出來，它也有梯度消失的問題，以及也需要進(jìn)行開銷巨大的指數(shù)運(yùn)算。

1.3

ReLU

終于講到了 Relu，人們起初并不覺得它的效果會好過 sigmoid 和 tanh。但是，實(shí)戰(zhàn)中它確實(shí)做到了。事實(shí)上，cs231n 課程甚至指出，應(yīng)該默認(rèn)使用 Relu 函數(shù)。

ReLU 從數(shù)學(xué)表達(dá)式來看，運(yùn)算十分高效。對于某一輸入，當(dāng)它小于0時(shí)，輸出為0，否則不變。下面是 ReLU 的函數(shù)表達(dá)式。Relu(z) = max(0,z)

那么你可能會問，「它是線性函數(shù)吧？為何我們說它是非線性函數(shù)？」

在線代中，線性函數(shù)就是兩個(gè)向量空間進(jìn)行向量加和標(biāo)量乘的映射。

給定上面的定義，我們知道 max(0, x)是一個(gè)分段線性函數(shù)。之所以說是分段線性，是因?yàn)樗??∞, 0]或[0,+∞)上符合線性函數(shù)的定義。但是在整個(gè)定義域上并不滿足線性函數(shù)的定義。例如f(?1)+ f(1)≠f (0)

所以 Relu 就是一個(gè)非線性激活函數(shù)且有良好的數(shù)學(xué)性質(zhì)，并且比 sigmoid 和 tanh 都運(yùn)算得快。除此以外，Relu 還因避免了梯度消失問題而聞名。然而，ReLU 有一個(gè)致命缺點(diǎn)，叫「ReLU 壞死」。ReLu 壞死是指網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元由于無法在正向傳播中起作用而永久死亡的現(xiàn)象。

更確切地說，當(dāng)神經(jīng)元在向前傳遞中激活函數(shù)輸出為零時(shí)，就會出現(xiàn)這個(gè)問題，導(dǎo)致它的權(quán)值將得到零梯度。因此，當(dāng)我們進(jìn)行反向傳播時(shí)，神經(jīng)元的權(quán)重將永遠(yuǎn)不會被更新，而特定的神經(jīng)元將永遠(yuǎn)不會被激活。

還有件事值得一提。你可能注意到，不像 sigmoid 和 tanh，Relu 并未限定輸出范圍。這通常會成為一個(gè)很大的問題，它可能在另一個(gè)深度學(xué)習(xí)模型如遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）中成為麻煩。具體而言，由 ReLU 生成的無界值可能使 RNN 內(nèi)的計(jì)算在沒有合理的權(quán)重的情況下發(fā)生數(shù)值爆炸。因此反向傳播期間權(quán)重在錯(cuò)誤方向上的輕微變化都會在正向傳遞過程中顯著放大激活值，如此一來學(xué)習(xí)過程可能就非常不穩(wěn)定。我會嘗試在下一篇博客文章中詳細(xì)介紹這一點(diǎn)。（摘自https://my.oschina.net/amui/blog/1633904）

1.4 softmax簡介

Softmax回歸模型是logistic回歸模型在多分類問題上的推廣，在多分類問題中，待分類的類別數(shù)量大于2，且類別之間互斥。比如我們的網(wǎng)絡(luò)要完成的功能是識別0-9這10個(gè)手寫數(shù)字，若最后一層的輸出為[0,1,0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]，則表明我們網(wǎng)絡(luò)的識別結(jié)果為數(shù)字1。

Softmax的公式為

，可以直觀看出如果某一個(gè)zj大過其他z,那這個(gè)映射的分量就逼近于1,其他就逼近于0，并且對所有輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化。

2.權(quán)重:

3.偏置

偏置單元（bias unit），在有些資料里也稱為偏置項(xiàng)（bias term）或者截距項(xiàng)（intercept term），它其實(shí)就是函數(shù)的截距，與線性方程 y=wx+b 中的 b 的意義是一致的。在 y=wx+b中，b表示函數(shù)在y軸上的截距，控制著函數(shù)偏離原點(diǎn)的距離，其實(shí)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的偏置單元也是類似的作用。

因此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)也可以表示為：(W, b)，其中W表示參數(shù)矩陣，b表示偏置項(xiàng)或截距項(xiàng)。

2.反向傳播調(diào)節(jié)權(quán)重和偏置