• 浅层神经网络


    神经网络表示

     所谓“隐藏”的含义就是在训练集中这些中间节点的真正数值我们是不知道的,在训练集中我们看不到它们的数值。我们能看到输入值,也能看到输出值,但是隐藏层的值我们是无法看到的

    之前我们利用x来表示输入特征,现在我们也可以使用来表示,它意味着网络中不同层的值会传递给后面的层

    输入层将x的值传递给隐藏层,我们将输入层的激活值称为a[0]

    下一层隐藏层也会产生一些激活值,我们将其记作a[1]

    这里的第一个单元或者说节点我们将其表示为以此类推。

     这里是一个四维向量,一个4*1矩阵,所以这个图中有四个节点,或者说四个隐藏层单元。

    输出层的话表示的就是a[2]

    在此例中这是个双层神经网络。这里不算输入层,隐藏层是第一层

    隐藏层有两个相关的参数w和b

    计算神经网络的输出

     先看左图,这个是logistic回归的计算,分两步,先计算一下z,之后 再计算激活函数也就是sigmoid函数。而右图的神经网络呢就是重复计算这两步骤多次。

    只看隐藏层的第一个节点,我们就可以把这个第一个节点看作是左图的这个圆。然后先计算,这里因为是第一个节点,我们都在符号上面加上一个下标,之后第二步就是计算激活函数了

     按照之前我们所说的符号第一个节点就写成了a1[1]

    上标表示层数;下标表示 层中的第几个节点。

    剩下的几个节点也是按照以上方法进行计算。

     然后我们可以将它们进行向量化

     

     像这样,之后 , 我们可以将这些符号w啥的,进行一下堆叠,成为一个w[1]

     

    整体来说的话就是,输入一个特征x,然后到隐藏层,先进行两步计算,完了之后 我们到输出层进行计算,输出层计算的话和上面那个左图是一样,也是一个圆,也是分两步进行计算。然后上标就改为[2]即可。所以当我们遇到像这种的神经网络计算单个特征向量时,我们再写代码时只需要写这四步就可以了。

    多个例子中的向量化

    这个表示第二层的第i 个特征向量

    前面有了解到单个特征向量的计算输出。那么如果是有多个呢,无非就是重复几次计算嘛

     利用for循环来遍历一下。

     这些也可以实现向量化

     这里就是将一些符号进行了一下堆叠实现向量化

    激活函数

    在神经网络的正向传播步骤中,

     有这两步用的激活函数。这里我们可以使用g来代替,有一个激活函数效果要比

     好一些,就是tanh函数,双曲正切函数。,介于-1到1之间

    现在函数和tanh函数都有一个缺点就是如果z非常大或非常小,那么导数的梯度或者说这个函数的斜率可能 就很小,所以z很大或很小的时候函数的斜率很接近0,这样会拖慢梯度下降算法。这时,在机器学习里有一个叫修正线性单元,ReLU函数。

     只要z为正导数就为1,当z为负的时候,斜率就为0。

    在选择激活函数时有一些经验法则,就是如果你在做二元分类,输出值为0和1,那么函数很适合作为输出层的激活函数,然后其他所有单元都有ReLU,如果你不确定隐层应该用哪个,那就可以用ReLU作为激活函数

    为什么需要非线性激活函数

    事实上,如果你想让你的神经网络能够计算出有趣的函数,那必须使用非线性激活函数。

    激活函数的导数

     神经网络的梯度下降法

    单隐层神经网络,有如下参数

      使用nx
    表示那么多输入特征 那么矩阵W[1]就是(n[1],n[0]

    b[1]就是n[1]维向量,可以写成(n[1],1),也就是列向量

    b[2]的维度就是(n[2],1),矩阵W[2]就是(n[2],n[1]

    还有一个神经网络的成本函数:J。假设我们再做二元分类,所以参数就是

    J(W[1],b[1],W[2],b[2])=1/m  然后对损失函数求平均

     然后这里的L表示 当你的神经网络预测出y帽时的损失函数

    所以要训练参数,算法就需要做梯度下降,在训练神经网络时,随机初始化参数很重要

    当你把参数初始化成某些值 之后 每个梯度下降循环都会计算预测值

    你要计算i=1到m的预测值y帽

     然后计算导数,计算dW[1],

     然后梯度下降最后会更新,将W[1]更新,b[1]也需要更新

     这就是梯度下降的一次迭代循环,然后重复很多次,直到你的参数看起来在收敛

    总结一下,正向传播的方程

     最后这个公式都是对整个训练集向量化,若我们做的是二分分类的话,那么最后这个激活函数应该是sigmoid函数。

    轮到反向传播了,也就是计算导数了。

     这里运用了一些Python代码,np.sum是python的numpy命令,用来对矩阵的一个维度求和,水平相加求和,而加上开关keepdims就是防止python,直接输出这些古怪的值为1的数组,它的维度是(n,....),所以加上keepdims=True确保python输出的是矩阵,对于db^[2]这个向量输出的维度是(n,1)

    随机初始化

    当你训练神经网络时,随机初始化权重非常重要,对于logistic回归可以将权重初始化为零,但如果将神经网络的各参数数组全部初始化为0,再使用梯度下降算法那就完无效了。

    当你有两个输入特征,即n^[0]=2,有两个隐藏单元,n^[1]=2;与隐层相关的矩阵W^[1]是2*2的矩阵,是先将值都初始化为0

      这些初始化的值都是一样的,也就是说两个单元都在做着完全相同的运算,结果也是完全相同的,无论你训练 神经网络多长时间,两个隐藏单元仍然在计算完全一样的函数,所以在这种情况下,多个隐藏单元就没意义了。

    所以我们就需要两个不同的隐藏单元去计算不同的函数,解决方案就是随机初始化所有参数。

    首先我们可以令W^[1]=np.random.randn(2,2)*0.01,这可以产生参数为(2,2)的高斯分布随机变量,然后你再乘以一个很小的数字,比如0.01,这样你就将权重 初始化成很小的随机数。

    b的话可以是0的。即b^[1]=np.zero((2,1))

    对于W^[2]和b^[2]的话重复上面1的操作就行

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