神经网络与深度学习读书笔记第五天----交叉熵代价函数入门

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这两天骑车不小心把一颗门牙整个磕断了。心情十分不好，书也没怎么看……证明和代码部分随便翻了翻。真是烦死了，自己怎么这么不小心……北京看牙齿真贵，一颗镶牙要好几千，一颗种植牙2w…然后老师又分配了嵌入式系统相关的任务，以后又要开始重拾嵌入式部分，这次好像是写sylixos的网络驱动，原来还没写过底层的网络驱动，又不知道要学习多久，有点紧张也有点期待，更多的是无从下手。

今天继续看书，第三章，第一节交叉熵代价函数（cross- entropy cost function）

1.引入代价熵函数：学习速度为什么会慢

作者假设了这么一个学习任务：

训练这个神经元做一个很简单的事情，让输入1转化为0。为了让例子更加明确，作者让权重偏置初始化为0.6和0.9，这个时候的输出sigma（z）= 0.82。

设置学习速率n=0.15进行学习一方面足够慢的跟随学习过程，另一方面也保证学习的时间不久。代价函数是我们在第一章用到的二次函数，C。

随着迭代期的增加，神经元的输出、权重、偏置和代价的变化如下面一系列图形所示（此处强烈建议去感受下 动态过程）：

然后，作者给出了一个权重和偏置设置都为2，初始输出为0.98的一个学习过程：

这次的可以看出，开始的时候算法学习比较缓慢，在学习速率都为0.15的情况下，为什么一个学习快一个学习慢呢？

实际上我们的学习速率（梯度下降的速度）还取决于代价函数的偏导数 ，当我们说学习速率较为缓慢的时候（即下降缓慢），实际上是在说这个偏导数比较小。二次函数的之前是用的这个：

其中a是神经元的输出，训练输入x=1，y=0是输出目标。显式的使用权重和偏置来表达这个，我们有a=sigma(z)，其中z=wx+b。使用链式法则来求权重和偏置的偏导数就有：

这是已经将y=0,x=1带入过后的式子。

我们回忆下之前看过的sigma函数（sigmoid）：

可以看到在神经元输出sigma（z）接近于1的时候，曲线接近于平缓，即 会接近于0，所以下降速度会变得缓慢，所以在输出接近1的情况下学习速度会变得很慢。

2.引入交叉熵代价函数

如何解决上面说的问题？使用交叉熵代价函数来代替二次代价函数。

假设现在的学习任务变成：

神经元输出a=sigma（z），其中 是输入的带权和，我们定义这个神经元的交叉熵代价函数如下：

其中n是训练数据的总数。

可以较为容易的看出两点：

1.C肯定是非负数，因为求和的所有的独立项都是负数（当对数函数定义域在0,1之间时），外加前面有个负号

2.当神经元实际输出a接近于y时，即y≈a时，C趋近于0；这是我们想要的结果

接下来可以算算交叉熵关于权重的偏导数。我们将a=sigma（z）带入，应用链式求导法则可以得到：

合并简化可得：

根据sigma(z)=1/1+exp(-z)可以证得：

所以在60中可以约去一部分，可以得：

同理可得到关于偏置b的表达式：

可以看到这两个权重和偏置的偏导都跟 无关，因此可以用来解决之前说的偏导导致的学习缓慢的问题。

其中，中括号内的部分又叫做二元熵。

应用到多层神经网络：