当下热门的神经网络是什么东西?

一文告诉你, 当下热门的神经网络是什么东西?

目录引索

• 简单神经网络
  • 感知机
  • 神经网络特点
  • softmax
  • 交叉熵
• 卷积神经网络
  • 卷积
  • 激活函数
  • 池化
  • 全连接
• Tensorflow playground 演示

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简单神经网络

神经网络就是模拟人的神经元进行信号（信息）收集、传递、处理的过程。

以人体对于温度的感知为例：

感知机

1. 定义： 有n个输入数据，通过权重与个数据之间的计算和，比较激活函数结果，得出输出。
   • sum = w1x1+w2x2+w3x3+......
2. 应用： 容易解决与、或问题， 分类问题。

• 与问题： 所有输入为1，则为1
• 或问题： 只要有一个为1，则为1
• 亦或问题：相同为0，不同为1 （使用2条直线来划分，即2个感知机）
  

3. 感知机与逻辑回归的对比

• 感知机是求和以后进行一个简单的阈值判断，而逻辑回归是通过一个sigmoid激活函数函数转化为[0,1]的值。

神经网络定义

当一个感知机不能解决问题的时候，会用多个感知机来构成网络。
感知机 --> 神经元
多个神经元构成的网络 --> 神经网络
神经网络是一个多分类问题，得出属于全部类别的每一个概率，谁的概率大，就是谁。

神经网络特点

• 由输入层(1个）、隐藏层（n个）、输出层组成（1个）
• 输入向量的维度和输入神经元的个数相同 （不是个数）
• 同一层的神经元之间没有连接
• 每个连接都有权重 （类似于线性回归）
• 第N层与N-1层的所有神经元全连接（最后一层全连接）
  

神经网络结构

1. 结构： 权重、神经元等
2. 激活函数： 增强网络的非线性，简单理解，没有激活函数，只能画直线分割数据点；增加激活函数，可以用曲线来划分。

• ReLu, Tanh, sigmoid等

3. 学习规则： 网络中的权重，如何随着时间（或者说是迭代）来进行自我调整。 包括正向传播和反向传播。

• 正向传播（前向传播）： 输入经过一层层计算，（w1x1+w2x2+...) 得出输出结果
• 反向传播：总误差是由不同的权重产生的，将误差按权重的比例进行分割，向后传递，例如某个节点的总误差是0.5，它是由上2个节点传播而来，对应的权重比例为1：4， 则这两个节点分摊误差为0.1和0.4，依次向前传递。最终通过误差值来调整各节点的权重。

神经网络的判定 (softmax)

1. 为什么需要softmax?

• 神经网络是解决多分类问题，但是它的输出仅仅就是一个值，使用一个函数来划分出概率，对目标类别都会输出一个概率，而目标特征一般都使用one-hot编码，通过对比不同类别的概率得出结果。

2. softmax表达式
   

神经网络算法的优化

【不同算法的对比】

损失衡量策略：交叉熵损失（对数似然损失的推广）

深度神经网络

深度神经网络与单一隐藏层神经网络的区别在于深度，随着神经网络深度增加，节点所能识别的特征也越来越复杂。

卷积神经网络

什么是卷积神经网络

1. 卷积神经网路是深度神经网络的一种类型，如AlexNex, VGG, GoogLeNet, ResNet, 它是为了解决全连接网络的一些缺点而存在：

• 参数太多，计算量大
• 没有利用像素之间的位置信息，（图片识别每个像素与周围像素关系紧密）
• 层数限制

2. 卷积神经网络的特点在于隐藏层分为卷积层和池化层（下采样层）

• 卷积层：通过在原始图像上进行平移来提取特征（带着权重偏移，乘加运算）
• 池化层：通过特征后稀疏参数来减少学习到的参数，降低网络的复杂度。（最大池化，平均池化）
  

神经网络发展历史

卷积层 （Convolutions)

1. 过滤器（filter），是一个带有权重的观察窗口，通常为1* 1, 3* 3, 5 *5 的结构，权重与图片中的数值（RGB)做线性回归， （乘加运算），最终得出一个结果。
2. 步长 (strides)：过滤器在图片上每次平移的像素点数量
3. 0填充 (padding): 当过滤器移动至图片边缘以外的处理方式

• same: 越过边缘取样，取样面积与输入的图像像素相同
• valid: 不越过边缘取样，取样的面积小于输入图像的像素宽度。

单通道图片卷积操作（灰度图片）

注： 当有多个过滤器进行观察时，过滤器携带的权重是不一样的，但是其步长和零填充方式一致。有多少个过滤器，最终的结果有多少个。

多通道图片的卷积操作（RGB图片）

激活函数

1. 为什么要增加激活函数：

• 增加网格的非线性分割能力
• 在进行梯度求导时，没有非线性，多次求导后，梯度就消失了。

2. 常见的激活函数

• sigmoid = 1/(1+e^(-x)) , 多次求导运算量大, 对于深层次网络，反向传播时容易出现梯度爆炸。
• relu: max(0， x）

池化层（Pooling) 也称为下采样（Subsampling)

Pooling层的主要作用是特征提取，通过去掉Feature map中不重要的样本，进一步减少参数数量。
常见的Max Pooling 取 2*2 , 2步长， 也可以指定padding

Dropout & Inception

1. dropout : 随机丢弃一部分数据，防止过拟合，增强泛化能力 （一般用于大型网络）
2. Inception: 一组特定的卷积结构，可以参考GoogLeNet

全连接层 （Full Connected层）

卷积池化可以理解为做特征工程，后面的全连接相当于做特征加权。
全连接层在神经网络中起到了 “分类器”的作用。

【拓展】对神经网络的直观认识

使用tensorflow的playground演示
http://playground.tensorflow.org