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神经网络

参数和变量

  • \(x_i\)：输入层（input layer）第\(i\)个神经单元的输入值，与输出值相同；
  • \(w^l_{ji}\)：从第\(l-1\)层第\(i\)个神经单元指向第\(l\)层的第\(j\)个神经单元的权重（weight）；
  • \(b^l_j\)：第\(l\)层第\(j\)个神经单元的偏置（bias）；
  • \(z^l_j\)：第\(l\)层第\(j\)个神经单元的加权输入；
  • \(a^l_j\)：第\(l\)层第\(j\)个神经单元的输出值，当\(l=1\)时，有\(a^1_j=x_j\)；
  • \(y_j\)：输出层（output layer）第\(j\)个神经单元的输出值（最终的预测值），有\(y_j=a^L_j\)；
  • \(t_j\)：输出层第\(j\)个神经单元对应的正解；
  • \(x_i[k],z^l_j[k],a^l_j[k]\)：第\(k\)个训练实例的变量值。

每层（除输入层外）神经单元的加权输入，与上一层的神经单元的输出以及之间的权重和偏置有关，设第\(l-1\)层有\(m\)个神经单元，则其正向传播（forward propagation）如下，

\[ \begin{equation} z^l_j=\sum_{i=1}^{m} w^l_{ji}a^{l-1}_i+b^l_j \end{equation} \]

设第\(l\)层的神经单元的个数为\(n\)，则两层之间的矩阵表示如下，

\[ \begin{equation} \begin{bmatrix} z^l_1 \\ \mathellipsis \\ z^l_n \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} w^l_{11} & w^l_{12} & \mathellipsis & w^l_{1m} \\ &&\mathellipsis \\ w^l_{n1} & w^l_{n2} & \mathellipsis & w^l_{nm} \\ \end{bmatrix} \begin{bmatrix} a^{l-1}_1 \\ a^{l-1}_2 \\ \mathellipsis \\ a^{l-1}_m \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} b^l_1 \\ \mathellipsis \\ b^l_n \end{bmatrix} \end{equation} \]

可以把偏置设为 \(w_0\)，其对应输入为 \(x_0=1\).

激活函数

每一个神经单元输出值和输入值之间的关系称为激活函数（activation function），设\(f\)为激活函数，则有，

\[ \begin{equation} \quad a^l_j=f(z^l_j) \end{equation} \]

以下是几种常用的激活函数。

Sigmoid 函数

\[ \begin{equation} \sigma(z)=\frac{1}{1+e^{-z}} \end{equation} \]

ReLU 函数

\[ \begin{equation} f(z)=\begin{cases} z\quad (z>0) \\ 0 \quad (z\le0) \end{cases} \end{equation} \]

softmax 函数

神经网络在处理分类问题时，常使用 softmax 函数作为输出层的激活函数。设输出层有\(n\)个神经单元，则 softmax 函数如下，

\[ \begin{equation} y_j=\frac{\exp(z^L_j)}{\sum_{i=1}^{n}\exp(z^L_j)} \end{equation} \]

由上式易知，softmax 函数的输出总和为\(1\)，因此可以将其输出解释为每种输出类别的概率。

在实际计算时，为了防止溢出，通常在指数运算前，加上一个常数\(C\)（一般取输入值的最大值的负值），即等价于，

\[ \begin{equation} y_j=\frac{\exp(z^L_j+C)}{\sum_{i=1}^{n}\exp(z^L_j+C)} \end{equation} \]

损失函数

损失函数（cost function）表示神经网络对给定输入的预测值和正解之间的误差程度。

均方误差

损失函数的一个例子是均方误差（mean squared error），设输出层有\(N\)个神经单元，训练实例总数为\(K\)，则均方误差的计算方式如下，

\[ \begin{equation} E=\frac{1}{2}\sum_{k=1}^K\sum_{i=1}^N(t_i-y_i)^2 \end{equation} \]

交叉熵误差

损失函数的另一个常用的例子是交叉熵误差（cross entropy error），其计算方式如下，

\[ \begin{equation} E=-\frac{1}{n}\sum_{k=1}^K\sum_{i=1}^N t_i\lg y_i \end{equation} \]

梯度

由多元函数的全部自变量的偏导数汇总而成的向量称为梯度（gradient），设有函数\(f(x_1,x_2,\mathellipsis,x_n)\)，则其梯度表示如下，

\[ \begin{equation} \nabla f=(\frac{\partial f}{\partial x_1},\frac{\partial f}{\partial x_2},\mathellipsis,\frac{\partial f}{x_n}) \end{equation} \]

数值微分

利用微小的差分求偏导数的过程称为数值微分（numerical calculus），计算方式如下，

\[ \begin{equation} \frac{\partial f}{\partial x}\approx\frac{f(x+\epsilon)-f(x-\epsilon)}{2\epsilon} \end{equation} \]

其中 \(\epsilon\) 是个小数，例如 \(10^{-4}\).

误差反向传播法

误差反向传播法（back propagation）的特点是将繁杂的导数计算替换为数列的递推关系式，从而简化梯度求解。设第\(l\)层第\(j\)个神经单元误差为\(\delta^{l}_{j}\)，定义如下，

\[ \begin{equation} \delta^l_j=\frac{\partial E}{\partial z^l_j}\quad (l=2,3,\mathellipsis) \end{equation} \]

根据式\((1)\)和链式法则，易知误差对权重和偏置的偏导数如下，

\[ \begin{equation} \frac{\partial E}{\partial w^l_{ji}}=\delta^l_j a^{l-1}_i \qquad \frac{\partial E}{\partial b^l_j}=\delta^l_j \end{equation} \]

因此，只要求出各个神经单元误差\(\delta^l_j\)，即可得到梯度下降所需的偏导数（梯度）。

设\(f\)为激活函数，根据链式法则有，

\[ \begin{equation} \delta^L_j=\frac{\partial E}{\partial a^L_j}\frac{\partial a^L_j}{\partial z^L_j} =\frac{\partial E}{\partial y_j}f'(z^L_j) \end{equation} \]

根据选择的损失函数和激活函数即可求得输出层的神经单元误差。

设第\(l\)层有\(n\)个神经单元，根据多元函数的链式法则及式\((1)\)有，

\[ \begin{equation} \delta^{l-1}_i=\frac{\partial a^{l-1}_i}{\partial z^{l-1}_i}\sum_{j=1}^n \frac{\partial E}{\partial z^l_j}\frac{\partial z^l_j}{\partial a^{l-1}_i} \\ =f'(z^{l-1}_i)\sum_{j=1}^n \delta^l_j w^l_{ji} \end{equation} \]

设第\(l-1\)层有\(m\)个神经单元，则上述递推关系的矩阵表示如下（其中\(\odot\)表示 Hadamard 乘积），

\[ \begin{equation} \begin{bmatrix} \delta^{l-1}_1 \\ \delta^{l-1}_2 \\ \mathellipsis \\ \delta^{l-1}_m \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} w^l_{11} & \mathellipsis & w^l_{n1} \\ w^l_{12} & \mathellipsis & w^l_{n2} \\ & \mathellipsis \\ w^l_{1m} & \mathellipsis & w^l_{nm} \\ \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \delta^l_1 \\ \mathellipsis \\ \delta^l_n \end{bmatrix} \odot \begin{bmatrix} f'(z^{l-1}_1) \\ f'(z^{l-1}_2) \\ \mathellipsis \\ f'(z^{l-1}_m) \end{bmatrix} \end{equation} \]

从输出层开始，根据以上递推关系（反向传播）即可依次求得隐藏层的神经单元误差，再代入式\((14)\)，从而求得损失函数在当前参数处的梯度。

参数优化

神经网络学习的目的是找到使损失函数的值尽可能小的参数。这是寻找最优参数的问题，解决这个问题的过程称为最优化（optimization），以下是几种常见的最优化方法（参数集合记作\(W\)，梯度记作\(g\)）。

随机梯度下降法

当参数沿着梯度反方向（反向共线）移动时，误差减小得最快，表示如下，

\[ \begin{equation} W\larr W-\eta \cdot g \end{equation} \]

其中，\(\eta\)是一个微小的正数，称作学习率。\(\eta\)是一个超参数（hyper parameter）。

以上参数优化方法称为随机梯度下降法（stochastic gradient descent），简称 SGD。但是在 SGD 中，梯度向量的方向并没有指向最小值的方向，如果函数是各向异性的，则其搜索路径是比较低效的。

动量法（Momentum）

\[ \begin{gather} v\larr \alpha v-\eta \cdot g \\ W\larr W+v \end{gather} \]

其中，\(v\)对应物理上的速度，随着参数沿着梯度反方向移动，\(v\)会逐渐增加。

AdaGrad

学习率衰减，指的是随着学习的进行，使学习率逐渐减小的方法，这里的学习率减小是针对所有的参数。AdaGrad 进一步发展了这个方法，不同的参数使用不同的学习率，并随着学习而减小。

\[ \begin{gather} h\larr h + g\odot g \\ W\larr W-\frac{\eta}{\epsilon + \sqrt h} \cdot g \end{gather} \]

其中，\(h\)保存了之前所有梯度值的平方和，然后通过系数\(\frac{1}{\epsilon + \sqrt{h}}\)调整每个参数学习的尺度，如果参数变化较大，其学习率也会衰减地较快。\(\epsilon\)常取\(10^{-7}\)，防止分母为零。

RMSProp

在 AdaGrad 算法中，随着学习的进行，\(h\)会越来越大，导致学习率太低，即\(\frac{1}{\sqrt{h}}\rarr0\)。一个解决方案是使用 RMSProp 方法，加权计算梯度值的平方和，以更多地反映新的梯度变化，即“指数移动平均”。

\[ \begin{gather} h\larr \rho h+(1-\rho)g\odot g \\ W\larr W - \frac{\eta}{\sqrt {\epsilon + h}} \cdot g \end{gather} \]

其中，\(\rho\)是指数衰减率，通常取\(0.9\).

Adam

Adam 算法结合了 AdaGrad 和 RMSProp 两个算法的优点，同时考虑了梯度的一阶矩估计（梯度的均值）和二阶矩估计（梯度的方差），

\[ \begin{gather} m_t\larr \beta_1 m_{t-1} + (1-\beta_1) g_t \\ v_t\larr \beta_2 v_{t-1} + (1-\beta_2) g \odot g \\ \hat{m}_t \larr \frac{m_t}{1-\beta_1^t} \\ \hat{v}_t \larr \frac{v_t}{1-\beta_2^t} \\ W_t \larr W_{t-1} - \frac{\alpha \cdot \hat{m}_t}{\sqrt{\hat{v}_t}+\epsilon} \end{gather} \]

其中，\(\beta_1\)是一阶矩的指数衰减率，默认为\(0.9\)，\(\beta_2\)是二阶矩的指数衰减率，默认为\(0.999\)。训练初期时，\(m_t\)和\(v_t\)偏向零，因此计算\(\hat{m}_t\)和\(\hat{v}_t\)进行修正。最后根据学习率\(\alpha\)（默认为\(0.001\)）更新参数。

后三行公式可以修改如下，提高算法效率。

\[ \begin{gather} \alpha_t = \alpha \cdot \frac{\sqrt{1-\beta_2^t}}{1-\beta_1^t} \\ W_t \larr W_{t-1} -\frac{\alpha_t \cdot m_t}{\sqrt{v_t}+\epsilon} \end{gather} \]

算法

  1. 准备训练数据；
  2. 初始设置权重\(w\)、偏置\(b\)和学习率\(\eta\)：
    • 通常使用随机数作为权重和偏置的初始值；
    • 选择适当小的正数作为学习率；
    • 学习率的设置大多需要反复试错。同样地，对于权重和偏置的初始值，为了取得好的结果，也可能需要多次变更设置；
  3. 选择小批量的训练实例，计算出所有神经单元的输出值\(a\)以及误差\(E\)：
    • 利用式\((2)\)和激活函数，正向计算各层神经单元的加权输入\(z\)、输出值\(a\)；
    • 根据选择的损失函数，计算出预测值和正解之间的误差；
  4. 利用误差反向传播法，反向计算出所有的神经单元误差\(\delta\)，代入式\((14)\)，从而计算出此时的梯度；
  5. 根据选择的参数优化算法，更新权重和偏置；
  6. 重复执行第 3~5 步，直至判定误差\(E\)的值充分小为止。

权重初始值

Xavier 初始值

如果前一层的节点数为\(n\)，则当前层的权重初始值使用标准差为\(\frac{1}{\sqrt{n}}\)的正态分布，此时，各层的输出值\(a^l_j\)具有相同广度的分布。

ReLU 初始值

当选择 ReLU 作为激活函数时，因为其负值区域的值为零，为了使其更有广度，需要 2 倍的系数，即如果前一层的节点数为\(n\)，则当前层的权重初始值使用标准差为\(\sqrt{\frac{2}{n}}\)的正态分布。

BatchNorm

在神经网络中，数据分布对学习的影响很大。假设某个神经单元的输入\(z_j=20\)，并选择像 Sigmoid 函数这样的非线性的激活函数，则其输出值\(a_j\approx 1\)，处于激活函数的饱和阶段，即无论\(z_j\)再怎么扩大，其输出值变化也很小（只能趋近\(1\)），或者说神经网络对这个范围的加权输入不敏感了。

为了解决这个问题，Batch Normalization 的思路是对各层的加权输入进行正规化处理，从而使输出值拥有适当的广度。

\[ \begin{gather} \mu_B \larr \frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}x_i \\ \sigma_B^2 \larr \frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}(x_i-\mu_B)^2 \\ \hat{x}_i \larr \frac{x_i-\mu_B}{\sqrt{\sigma_B^2+\epsilon}} \\ y_i \larr \gamma\hat{x}_i+\beta \equiv BN_{\gamma,\beta}(x_i) \end{gather} \]

首先对 mini-batch 的输入的集合\(B=\{z_1,z_2,\cdots,z_n\}\)求均值\(\mu_B\)和方差\(\sigma_B^2\)，然后对输入进行均值为\(0\)、方差为\(1\)的正规化，最后对正规化后的数据进行缩放和平移变换。初始时，\(\gamma=1,\beta=0\)，然后通过学习调整到合适的值。

过拟合 Overfit

主要原因有：

  • 模型拥有大量参数，表现力强；
  • 训练数据少。

权值衰减

Dropout

在每一个批次的学习过程中，让某个神经元以一定概率停止工作，这样不会太依赖某些局部特征，可以使神经网络泛化性更强，也明显地减少过拟合现象。

假设某个神经元的输出为 \(a\)，其输出期望也为 \(a\)，在加上 Dropout 后，这个神经元有 \(p\) 的概率失活，则其输出期望变为了 \((1-p)*a+p*0=(1-p)a\)，为了保证这个神经元在训练阶段（有 Dropout）和测试阶段（无 Dropout）的输出期望一致，有以下两种方式：

  • 训练时，将该神经元的输出缩放 \(\frac{1}{1-p}\) 倍，即 \(\frac{1}{1-p}((1-p)*a+p*0)=a\)；
  • 测试时，将该神经元的输出缩放 \((1-p)\) 倍，其输出期望变为 \((1-p)a\).

Dropout 其实等效于集成学习，即让多个模型单独进行学习，推理时再取各个模型输出的平均值。

超参数

  • 设定超参数的范围（对数尺度），例如 0.01~100；
  • 从该范围中随机采样，并进行学习，通过验证数据评估识别精度（epoch 需要设置得很小）；
  • 多次重复上一步骤，根据识别的精度，缩小超参数的范围；
  • 缩小到一定程度后，从中选择一个超参数的值。

参考