本文是吴恩达深度学习第一课:神经网络与深度学习的笔记。神经网络与深度学习主要讨论了如何建立神经网络(包括一个深度神经网络)、以及如何训练这个网络。
第一课有以下四个部分,本文是第四部分。
我们已经了解逻辑回归和单隐层神经网络了。
下面是2个和5个隐藏层的例子:
我们知道逻辑回归可以看成一个浅层模型,而上图5隐藏层的神经网络明显要深的多。
有些问题只有深层神经网络才能处理,具体要多少层,也是一个可以探索的超参数。
下面看下描述深层神经网络的符号。
这是一个四层神经网络,输入层不计。每层的神经元数分别是5,5,3,1。
先看下给定上面这样的神经网络,并有一个样本 x x x,如何计算第一层的激活值。
x x x: z [ 1 ] = W [ 1 ] a [ 0 ] + b [ 1 ] z^{[1]} = W^{[1]}a^{[0]} + b^{[1]} z[1]=W[1]a[0]+b[1] 这里的 x x x用 a [ 0 ] a^{[0]} a[0]来表示。
a [ 1 ] = g [ 1 ] ( z [ 1 ] ) a^{[1]} = g^{[1]}(z^{[1]}) a[1]=g[1](z[1])
那第二层呢
z [ 2 ] = W [ 2 ] a [ 1 ] + b [ 2 ] z^{[2]} = W^{[2]}a^{[1]} + b^{[2]} z[2]=W[2]a[1]+b[2]
a [ 2 ] = g [ 2 ] ( z [ 2 ] ) a^{[2]} = g^{[2]}(z^{[2]}) a[2]=g[2](z[2])
后面几层以此类推。我们来算下输出层:
z [ 4 ] = W [ 4 ] a [ 3 ] + b [ 4 ] z^{[4]} = W^{[4]} a^{[3]} + b^{[4]} z[4]=W[4]a[3]+b[4]
a [ 4 ] = g [ 4 ] ( z [ 4 ] ) = y ^ a^{[4]} = g^{[4]}(z^{[4]}) = \hat y a[4]=g[4](z[4])=y^
因此,基本规律就是:
z [ l ] = W [ l ] a [ l − 1 ] + b [ 4 ] z^{[l]} = W^{[l]} a^{[l-1]} +b^{[4]} z[l]=W[l]a[l−1]+b[4]
a [ l ] = g [ l ] ( z [ l ] ) a^{[l]} = g^{[l]}(z^{[l]}) a[l]=g[l](z[l])
第一层。
X X X: Z [ 1 ] = W [ 1 ] A [ 0 ] + b [ 1 ] Z^{[1]} = W^{[1]}A^{[0]} + b^{[1]} Z[1]=W[1]A[0]+b[1] 这里的 X X X用 A [ 0 ] A^{[0]} A[0]来表示。
A [ 1 ] = g [ 1 ] ( Z [ 1 ] ) A^{[1]} = g^{[1]}(Z^{[1]}) A[1]=g[1](Z[1])
第二层
Z [ 2 ] = W [ 2 ] A [ 1 ] + b [ 2 ] Z^{[2]} = W^{[2]}A^{[1]} + b^{[2]} Z[2]=W[2]A[1]+b[2]
A [ 2 ] = g [ 2 ] ( Z [ 2 ] ) A^{[2]} = g^{[2]}(Z^{[2]}) A[2]=g[2](Z[2])
后面几层以此类推。我们来算下输出层:
Z [ 4 ] = W [ 4 ] A [ 3 ] + b [ 4 ] Z^{[4]} = W^{[4]} A^{[3]} + b^{[4]} Z[4]=W[4]A[3]+b[4]
A [ 4 ] = g [ 4 ] ( Z [ 4 ] ) = y ^ A^{[4]} = g^{[4]}(Z^{[4]}) = \hat y A[4]=g[4](Z[4])=y^
因此,基本规律就是:
Z [ l ] = W [ l ] A [ l − 1 ] + b [ 4 ] Z^{[l]} = W^{[l]} A^{[l-1]} +b^{[4]} Z[l]=W[l]A[l−1]+b[4]
A [ l ] = g [ l ] ( Z [ l ] ) A^{[l]} = g^{[l]}(Z^{[l]}) A[l]=g[l](Z[l])
看起来只要一个for l in range(1,L+1)
循环就好了,这个循环是必须的哦,不能再向量化了。
在实现深层神经网络时,想要得到没有bug的程序,最好要仔细核对矩阵的维数。下面就来看一下。
我们有个这样的NN,我们知道
z [ 1 ] = W [ 1 ] x + b [ 1 ] z^{[1]} = W^{[1]} x + b^{[1]} z[1]=W[1]x+b[1]
我们来看下上面几个符号的维数。
z [ 1 ] z^{[1]} z[1]是第一个隐藏层的激活值向量,第一个隐藏层的单元数 n [ 1 ] = 3 n^{[1]}=3 n[1]=3,所以它的维度是 ( 3 , 1 ) (3,1) (3,1),也可以写成 ( n [ 1 ] , 1 ) (n^{[1]},1) (n[1],1)。
x x x有2个输入特征,所以维度是 ( 2 , 1 ) (2,1) (2,1),也就是 ( n [ 0 ] , 1 ) (n^{[0]},1) (n[0],1)。
我们需要 W [ 1 ] W^{[1]} W[1] 乘以一个 ( n [ 0 ] , 1 ) (n^{[0]},1) (n[0],1)的向量能得到 ( n [ 1 ] , 1 ) (n^{[1]},1) (n[1],1)的向量,因此 W [ 1 ] W^{[1]} W[1]的维度要是 ( n [ 1 ] , n [ 0 ] ) (n^{[1]},n^{[0]}) (n[1],n[0]),这里是 ( 3 , 2 ) (3,2) (3,2)。 W [ l ] W^{[l]} W[l] 就是对 l l l层的每个单元对每个输入都有1个权重,总共有 n [ l ] n^{[l]} n[l]个单元,以及 n [ l − 1 ] n^{[l-1]} n[l−1]个输入,即**(单元数,输入数)**。
总结起来, W [ l ] W^{[l]} W[l]的维度必须是 ( n [ l ] , n [ l − 1 ] ) (n^{[l]},n^{[l-1]}) (n[l],n[l−1])。
比如 W [ 2 ] W^{[2]} W[2]的维度是 ( 5 , 3 ) (5,3) (5,3),即 ( n [ 2 ] , n [ 1 ] ) (n^{[2]},n^{[1]}) (n[2],n[1])。
我们知道每个逻辑回归单元只有一个偏置,每层有 n [ l ] n^{[l]} n[l]个单元,因此 b [ l ] b^{[l]} b[l]的维度是 ( n [ l ] , 1 ) (n^{[l]},1) (n[l],1)。
在实现反向传播时 d W dW dW和 d b db db的维度与 W W W和 b b b的维度是一样的。
再来看下 z [ l ] z^{[l]} z[l]和 a [ l ] a^{[l]} a[l],因为 z [ l ] = g [ l ] ( a [ l ] ) z^{[l]} = g^{[l]}(a^{[l]}) z[l]=g[l](a[l]),所以它们的维度是一样的。
我们再来看下向量化后的维度,哪怕向量化后,下面这几个参数的维度是一样的。
变化的是 Z , A , X ( = A [ 0 ] ) Z,A,X(=A^{[0]}) Z,A,X(=A[0])的维度。
向量化后,
Z [ 1 ] = W [ 1 ] X + b [ 1 ] Z^{[1]} = W^{[1]} X + b^{[1]} Z[1]=W[1]X+b[1]
Z [ 1 ] Z^{[1]} Z[1]是 ( Z [ 1 ] ( 1 ) , Z [ 1 ] ( 2 ) , ⋯ , Z [ 1 ] ( m ) ) (Z^{[1](1)},Z^{[1](2)},\cdots,Z^{[1](m)}) (Z[1](1),Z[1](2),⋯,Z[1](m)) m个样本叠加到一起的结果。
所以 Z [ 1 ] Z^{[1]} Z[1]的维度是 ( n [ 1 ] , m ) (n^{[1]},m) (n[1],m)。
X X X也是叠加后的结果,类似 Z [ 1 ] Z^{[1]} Z[1], X X X的维度是 ( n [ 0 ] , m ) (n^{[0]},m) (n[0],m)
向上面所说的 b [ 1 ] b^{[1]} b[1]的维度还是 ( n [ 1 ] , 1 ) (n^{[1]},1) (n[1],1),我们可以用python的广播直接相加。
向量化后 Z [ l ] , A [ l ] Z^{[l]},A^{[l]} Z[l],A[l]的维度中的列变成了样本数。
我们先来看下深度神经网络在看下,假设你建立一个人脸识别系统,输入一张人脸图片后,(CNN)隐藏层中的第一层,可以看成是边缘检测。
上图中的小方块就代表一个隐藏神经元,它们会检测有没有出现这种边缘的图像。
如果把第一层中的边缘放到一起,可能就形成脸部的不同特征。可能有些单元在检测左眼部分,有些在检测鼻子部分。
通常我们可以把这个神经网络前面几层看成是探测边缘的函数,之后把后面几层结合在一起,那么总体上就可以学习更加复杂的函数。
因此,这需要神经网络有一定的深度。深度神经网络其实就是很多隐藏层的神经网络。
当遇到新问题时,建议先从逻辑回归开始,然后尝试一到两层的神经网络,把隐藏层数量当成超参数取寻找比较合适的层数。
正向传播:上面是如何从输入 a [ l − 1 ] a^{[l-1]} a[l−1]到输出 a [ l ] a^{[l]} a[l]的相关步骤,此时需要把 z [ l ] z^{[l]} z[l]的值缓存起来,这样对后面的正向传播和反向传播都很有用。
反向传播:反向传播的输入是 d a [ l ] da^{[l]} da[l],输出是 d a [ l − 1 ] da^{[l-1]} da[l−1]。
总结起来,在第 l l l层,我们会有正向函数来计算正向传播
然后用作反向传播的反向函数是
如果已经实现了这两个函数,那么神经网络的计算过程会是下面这样的:
首先是正向传播,从 a [ 0 ] a^{[0]} a[0]到 a [ L ] = y ^ a^{[L]} = \hat y a[L]=y^需要缓存所有的 z [ l ] z^{[l]} z[l],以便反向传播时使用。
然后是反向传播
所以神经网络的训练,从 a [ 0 ] ( x ) a^{[0]}(x) a[0](x)开始,然后经过一系列正向传播得到输出 y ^ \hat y y^,然后再实现反向传播,更新每层的参数。
本节我们看下具体如何实现前向和反向传播。
在前向传递过程中最好也缓存 W [ l ] , b [ l ] W^{[l]},b^{[l]} W[l],b[l],这些都在反向传播中用得到。上图右边就是向量化后的公式。
上面的公式其实就是上篇文章中反向传播相关的公式。只需要四步,加上对每层的(反向)循环,就能写出反向传播的代码。
总结一下,就是给定输入 X X X,如果用ReLU作为激活函数的话,经过几层隐藏层,最后用sigmoid作为输出层的激活函数,得到输出,然后需要计算出成本函数。
接着就可以反向迭代,先是计算 d a [ L ] , d W [ L ] , d b [ L ] da^{[L]},dW^{[L]},db^{[L]} da[L],dW[L],db[L],然后反向传播。
我们已经知道了参数是 W , b W,b W,b这种,那超参数是什么呢
超参数就是输入到学习算法的参数,比如学习率在神经网络中还有隐藏层的层数,每个隐藏层的隐藏单元数,还可以选择激活函数。
这些会控制我们得到的参数 W , b W,b W,b,因此它们叫超参数。
应用深度学习是非常依据经验的,可能你知道通常什么样的学习率比较好。如果不知道的话, 你就需要不停的尝试。
比如先尝试了一个比较大的学习率,结果随着迭代次数的增加,损失值反而增加;此时你就需要减小学习率,不停的尝试,最终选择一个比较好的学习率。
其他超参数的选择也是一样的。
要注意的是,在开发的过程中,可能学习率(或其他超参数)的最优数值是会变化的,因为电脑的CPU或GPU或者数据可能会变化很大。
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1. 吴恩达深度学习