Convolutional Neural Networks for Visual Recognition 4

Modeling one neuron

下面我们开始介绍神经网络，我们先从最简单的一个神经元的情况开始，一个简单的神经元包括输入，激励函数以及输出。如下图所示：

一个神经元类似一个线性分类器，如果激励函数是sigmoid 函数(σ(x)=1/(1+e−x))，那么σ(∑iwixi+b)相当于是求该输入所对应的输出为1的概率，P(y=1|xi;w)，那么该输入所对应的输出为0的概率为 P(y=0|xi;w)=1−P(y=1|xi;w)。在神经网络中，常用的激励函数一个是sigmoid函数，另一个是tanh 函数。他们的曲线如下图所示：

我们可以看到，sigmoid 函数的取值范围在(0,1)之间，而tanh 函数的取值范围在 (-1,1)之间。从图中可以看到，当sigmoid 函数的取值靠近0或者1时，它的梯度接近0，由于梯度在back propagation中有着非常重要的传递作用，因此如果梯度值太小，信息将无法传递。另外还有常见的几种激励函数比如Rectified Linear Unit(RLU), f(x)=max(0,x)，这个函数相当于保证所有的输出都大于0，这个函数的优点是它收敛地比sigmoid，tanh函数要快，而且运算代价相对要低。这个函数的一个缺陷是在训练的过程中，可能导致神经元最后处于“休克”状态，基本毫无反应。因为梯度有可能为0，这样的话，信息就无法传递。为了克服这个hard threshold带来的这个问题，所以有一种激励函数称为 Leaky ReLU，f(x)=1{x<0}(αx)+1{x>=0}(x)，对于x<0的情况，梯度不再为0，而是一个很小的常数α。有的实验证明用这种激励函数可以取得不错的分类效果，但是性能不是很稳定。还有一类激励函数称为maxout，这类激励函数用一个非线性运算max(wT1x1+b,wT2x2+b)来求得输出，maxout拥有RLU 的优点，而且避免了神经元“休克”的问题，不过maxout的一个缺陷是运算的参数增加了一倍。
我们将几种常见的激励函数归纳如下：

Sigmoid 函数：f(x)=1/(1+e−x))
tanh 函数：f(x)=1−e−2x1+e−2x
RLU 函数： f(x)=max(0,x)
Leak ReLU 函数：f(x)=1{x<0}(αx)+1{x>=0}(x)
maxout 函数：f(x)=max(wT1x1+b,wT2x2+b)

Neural Network architectures

下面我们开始介绍神经网络，一个完整的神经网络包括输入层，隐含层，以及输出层。最常见的一种神经网络就是 fully-connected 型。如下图所示。我们可以看到，上一层的每一个神经元与下一层的每一个神经元都相连，左边的神经网络含有一个隐含层，右边的神经网络含有两个隐含层，当我们计算神经网络的层数时，我们会忽略输入层，所以左边的神经网络是一个两层的（一个隐含层加一个输出层），右边的神经网络是一个三层的（两个隐含层加一个输出层），输出层有的时候可以含有激励函数，也可以不含有激励函数，看网络设计的需求而定。

那么，神经网络的presentation power到底有多大呢，理论上，一个只含一层隐含层的神经网络模型可以表示任何复杂的函数。所以在机器学习领域，还在争论的一个问题
就是有没有必要利用deep神经网络，既然一个隐含层的shallow神经网络已经足够应付所有复杂的函数，deep 神经网络的优势目前看来是一种经验上的观察，虽然在理论上
与shallow神经网络相比没有太大优势。而且在实际使用中，三层的神经网络比两层的性能要好，但是再深一点的神经网络，比如四，五，六层的神经网络性能已经没有什么
提高了，这点与Convoluational 神经网络有点不太一样，在Convoluational 神经网络结构中，deepth 是一个很重要的保证网络性能的指标。

我们在设计神经网络的时候，要根据实际的问题，选择神经网络的结构，层数，隐含层神经元的个数，因为输入层和输出层基本由问题本身决定。一般来说，随着隐含层数的增加，以及隐含层里神经元个数的增加，网络的representation power会越大。我们可以看看如下的示例图。下图表示的是一个二分类问题，红点表示一类，绿点表示另外一类，利用一个两层的神经网络去学习这些数据，我们看到，随着神经元个数的增加，网络的拟合功能越来越强，当N=20时，所有的红点与绿点都完全区分开来了，所以说，神经元越多，网络就能表示越复杂的函数，但是随之而来的另外一个问题就是overfitting，如果一个网络过于专注数据中的噪声，而忽略了数据潜在的联系，就会出现overfitting。如下图所示，当N=20时，网络可以拟合所有的红点，但是却将平面分割地支离破碎，这种情况下，虽然网络的拟合能力很好，但是generalization能力却很差，意味着测试的性能会很糟糕。从这个例子看来，当数据不是很复杂的时候，似乎小的神经网络可以更好的控制overfitting的问题，但是事实上并非如此，我们一般不会用减少神经元个数的方法来控制overfitting，我们会用很多其他的方法来控制（比如 L2 regularization, dropout, input noise），这些会在后面的课程中介绍。

事实上，小规模的神经网络的一个缺点在于训练的难度，因为小的神经网络representation power有限，所以训练的自由度也相对较小，用梯度下降算法训练的时候，有可能陷入局部最小值，小规模的神经网络的局部最小值相对也较少，但是可能会很快收敛到这些局部最小值，这些极值有些会使网络的性能会很好，但是有些可能让网络性能很差，而大规模的神经网络局部最小值会很多，而且这些与实际误差相关的局部最小值会使网络的性能相对稳定。一般来说，小规模的神经网络性能会有很大的起伏，有的时候严重依赖于权值的初始值，而大规模的神经网络性能相对稳定，对权值的初始值依赖较少。

事实上，我们会利用regularization 去控制大规模网络的overfitting问题，下图给出了引入regularization 之后，N=20的神经网络的训练结果：

我们看到，随着regularization的增加，神经网络的分界面越来越平滑。

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