14.0-搭建深度神经网络框架.md

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第14章 搭建深度神经网络框架

14.0.1 功能/模式分析

比较第12章中的三层神经网络的代码，我们可以看到大量的重复之处，比如前向计算中：

def forward3(X, dict_Param):
    ...
    # layer 1
    Z1 = np.dot(W1,X) + B1
    A1 = Sigmoid(Z1)
    # layer 2
    Z2 = np.dot(W2,A1) + B2
    A2 = Tanh(Z2)
    # layer 3
    Z3 = np.dot(W3,A2) + B3
    A3 = Softmax(Z3)
    ...    

1，2，3三层的模式完全一样：矩阵运算+激活/分类函数。

再看看反向传播：

def backward3(dict_Param,cache,X,Y):
    ...
    # layer 3
    dZ3= A3 - Y
    dW3 = np.dot(dZ3, A2.T)
    dB3 = np.sum(dZ3, axis=1, keepdims=True)
    # layer 2
    dZ2 = np.dot(W3.T, dZ3) * (1-A2*A2) # tanh
    dW2 = np.dot(dZ2, A1.T)
    dB2 = np.sum(dZ2, axis=1, keepdims=True)
    # layer 1
    dZ1 = np.dot(W2.T, dZ2) * A1 * (1-A1)   #sigmoid
    dW1 = np.dot(dZ1, X.T)
    dB1 = np.sum(dZ1, axis=1, keepdims=True)
    ...

每一层的模式也非常相近：计算本层的dZ，再根据dZ计算dW和dB。

因为三层网络比两层网络多了一层，所以会在初始化、前向、反向、更新参数等四个环节有所不同，但却是有规律的。再加上前面章节中，为了实现一些辅助功能，我们已经写了很多类。所以，现在可以动手搭建一个深度学习的mini框架了。

14.0.2 抽象与设计

NeuralNet

我们首先需要一个NeuralNet类，来包装基本的神经网络结构和功能：

• Layers - 神经网络各层的容器，按添加顺序维护一个列表
• Parameters - 基本参数，包括普通参数和超参
• Loss Function - 提供计算损失函数值，存储历史记录并最后绘图的功能
• LayerManagement() - 添加神经网络层
• ForwardCalculation() - 调用各层的前向计算方法
• BackPropagation() - 调用各层的反向传播方法
• PreUpdateWeights() - 预更新各层的权重参数
• UpdateWeights() - 更新各层的权重参数
• Train() - 训练
• SaveWeights() - 保存各层的权重参数
• LoadWeights() - 加载各层的权重参数

Layer

是一个抽象类，以及更加需要增加的实际类，包括：

• Full Connection Layer
• Classification Layer
• Activator Layer
• Dropout Layer
• Batch Norm Layer

将来还会包括：

• Convolution Layer
• Max Pool Layer

每个Layer都包括以下基本方法：

• ForwardCalculation() - 调用本层的前向计算方法
• BackPropagation() - 调用本层的反向传播方法
• PreUpdateWeights() - 预更新本层的权重参数
• UpdateWeights() - 更新本层的权重参数
• SaveWeights() - 保存本层的权重参数
• LoadWeights() - 加载本层的权重参数

Activator Layer

激活函数和分类函数：

• Identity - 直传函数，即没有激活处理
• Sigmoid
• Tanh
• Relu

Classification Layer

分类函数，包括：

• Sigmoid二分类
• Softmax多分类

Parameters

基本神经网络运行参数：

• 学习率
• 最大epoch
• batch size
• 损失函数定义
• 初始化方法
• 优化器类型
• 停止条件
• 正则类型和条件

LossFunction

损失函数及帮助方法：

• 均方差函数
• 交叉熵函数二分类
• 交叉熵函数多分类
• 记录损失函数
• 显示损失函数历史记录
• 获得最小函数值时的权重参数

Optimizer

优化器：

• SGD
• Momentum
• Nag
• AdaGrad
• AdaDelta
• RMSProp
• Adam

WeightsBias

权重矩阵，仅供全连接层使用：

• 初始化
  • Zero, Normal, MSRA (HE), Xavier
  • 保存初始化值
  • 加载初始化值
• Pre_Update - 预更新
• Update - 更新
• Save - 保存训练结果值
• Load - 加载训练结果值

DataReader

样本数据读取器：

• ReadData - 从文件中读取数据
• NormalizeX - 归一化样本值
• NormalizeY - 归一化标签值
• GetBatchSamples - 获得批数据
• ToOneHot - 标签值变成OneHot编码用于多分类
• ToZeorOne - 标签值变成0/1编码用于二分类
• Shuffle - 打乱样本顺序

从中派生出两个数据读取器：

• MnistImageDataReader - 读取MNIST数据
• CifarImageReader - 读取Cifar10数据