人工智能04 神经网络

神经网络

引言

这里我们集中讨论具有可调节权值的TLU网络。网络系统通过不断调节权值，直到其动作计算表现令人满意来完成学习。TLU网络称为神经网络是因为它模仿了生物神经元的一些特性。

训练单个TLU

1. TLU几何学

首先介绍如何训练单个TLU权值，从而使其对某一些训练集合产生正确的输出。

2. 扩充向量

神经网络

首先简要介绍下神经网络。神经网络的每个单元如下：

其对应的公式如下：

其中，该单元也可以被称作是Logistic回归模型。当将多个单元组合起来并具有分层结构时，就形成了神经网络模型。下图展示了一个具有一个隐含层的神经网络。

其对应的公式如下：

比较类似的，可以拓展到有2,3,4,5……个隐含层。

神经网络的训练方法采用反向传播算法，为了更好地描述反向传播算法，这里要定义一个十分简单的双层神经网络，它的结构如下图所示。

• 输入的数据是2维。

• 第一层神经网络的输入也是2维，输出是4维，非线性部分采用sigmoid函数。

• 第二层神经网络的输入也是2维，输出是1维，非线性部分采用sigmoid函数。

如果把神经网络的计算过程拆解成一个个的部分，那么它的计算过程就变成了下面这些步骤的组合。

求导的过程需要将上述列出的步骤反向进行。首先是第二层网络计算公式反推：

到这里我们已经顺利的求出了第二层的所有参数的导数了。下面是第一层网络的计算公式反推。

到这里，基本运算已经准备完成。而且随着模型从高层网络向低层网络反向计算，那些已经计算好的中间结果也可以用于计算低层参数的梯度。所以经过整理，全部的计算过程可以如下表示：

以上就是计算的全过程了，以上9个步骤可以分成3个部分。

• 第1步完成了模型输出值的梯度计算。

• 第2-5步完成了第二层神经网络的梯度计算。

• 第6-8步完成了第一层神经网络的梯度计算。

如果从更具体的角度来看每一层神经网络的反向计算内容，就会发现他们都完成了下面的梯度计算：

了解了这个模式，神经网络计算梯度模块化这件事就变得容易许多。在前向计算时，每一层使用同样的计算流程产生输出，并传给后一层作为输入；同样在反向传播时，每一层也使用同样的流程，计算上面4个值，把梯度反向传给前一层的输出。这样，每一个全连接层之间的运算变得相对独立。