xiaoyao 动手学深度学习 tensorflow2
前面学习了线性回归和softmax回归在内的单层神经网络。然而深度学习主要关注多层模型。在本节中,将学习多层感知机(multilayer perceptron,MLP)。
多层感知机在单层神经网络的基础上引入了一个或多个隐藏层(hidden layer).隐藏层位于输入层和输出层之间。
如下图所示:
上图所示的多层感知机中,输入和输出个数分别为4和3,中间的隐藏层中包含了5个隐藏单元(hidden unit)。由于输入层不涉及计算,图中的多层感知机的层数为2。由图可见,隐藏层中的神经元和输入层中各个输入完全连接,输出层中的神经元和隐藏层中的各个神经元也完全连接。因此,多层感知机中的隐藏层和输出层都是全连接层。
具体来说,给定一个小批量样本 X ∈ R n × d \boldsymbol{X} \in \mathbb{R}^{n \times d} X∈Rn×d,其批量大小为 n n n,输入个数为 d d d。假设多层感知机只有一个隐藏层,其中隐藏单元个数为 h h h。记隐藏层的输出(也称为隐藏层变量或隐藏变量)为 H \boldsymbol{H} H,有 H ∈ R n × h \boldsymbol{H} \in \mathbb{R}^{n \times h} H∈Rn×h。因为隐藏层和输出层均是全连接层,可以设隐藏层的权重参数和偏差参数分别为 W h ∈ R d × h \boldsymbol{W}_h \in \mathbb{R}^{d \times h} Wh∈Rd×h和 b h ∈ R 1 × h \boldsymbol{b}_h \in \mathbb{R}^{1 \times h} bh∈R1×h,输出层的权重和偏差参数分别为 W o ∈ R h × q \boldsymbol{W}_o \in \mathbb{R}^{h \times q} Wo∈Rh×q和 b o ∈ R 1 × q \boldsymbol{b}_o \in \mathbb{R}^{1 \times q} bo∈R1×q。
先来看一种含单隐藏层的多层感知机的设计。其输出 O ∈ R n × q \boldsymbol{O} \in \mathbb{R}^{n \times q} O∈Rn×q的计算为
H = X W h + b h , O = H W o + b o , (式1) \begin{aligned} \boldsymbol{H} &= \boldsymbol{X} \boldsymbol{W}_h + \boldsymbol{b}_h,\\ \boldsymbol{O} &= \boldsymbol{H} \boldsymbol{W}_o + \boldsymbol{b}_o, \end{aligned}\tag{式1} HO=XWh+bh,=HWo+bo,(式1)
也就是将隐藏层的输出直接作为输出层的输入。如果将以上两个式子联立起来,可以得到
O = ( X W h + b h ) W o + b o = X W h W o + b h W o + b o . (式2) \boldsymbol{O} = (\boldsymbol{X} \boldsymbol{W}_h + \boldsymbol{b}_h)\boldsymbol{W}_o + \boldsymbol{b}_o = \boldsymbol{X} \boldsymbol{W}_h\boldsymbol{W}_o + \boldsymbol{b}_h \boldsymbol{W}_o + \boldsymbol{b}_o.\tag{式2} O=(XWh+bh)Wo+bo=XWhWo+bhWo+bo.(式2)
从联立后的式子可以看出,虽然神经网络引入了隐藏层,却依然等价于一个单层神经网络:其中输出层权重参数为 W h W o \boldsymbol{W}_h\boldsymbol{W}_o WhWo,偏差参数为 b h W o + b o \boldsymbol{b}_h \boldsymbol{W}_o + \boldsymbol{b}_o bhWo+bo。不难发现,即便再添加更多的隐藏层,以上设计依然只能与仅含输出层的单层神经网络等价。
上述问题的根源在于全连接层只是对数据做仿射变换(affine transformation),而多个仿射变换的叠加仍然是一个仿射变换。解决问题的一个方法是引入非线性变换,例如对隐藏变量使用按元素运算的非线性函数进行变换,然后再作为下一个全连接层的输入。这个非线性函数被称为激活函数(activation function)。下面介绍几个常用的激活函数。
ReLU(rectified linear unit)函数提供了一个很简单的非线性变换。
给定元素xx,该函数定义为
R e L U ( x ) = m a x ( x , 0 ) . (式3) ReLU(x)=max(x,0).\tag{式3} ReLU(x)=max(x,0).(式3)
可以看出,ReLU函数只保留正数元素,并将负数元素清零。为了直观地观察这一非线性变换,我们先定义一个绘图函数xyplot。
import tensorflow as tf
from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np
import random
%matplotlib inline
def use_svg_display():
# 用矢量图显示
%config InlineBackend.figure_format = 'svg'
def set_figsize(figsize=(3.5, 2.5)):
use_svg_display()
# 设置图的尺寸
plt.rcParams['figure.figsize'] = figsize
def xyplot(x_vals, y_vals, name):
set_figsize(figsize=(5, 2.5))
plt.plot(x_vals.numpy(), y_vals.numpy())
plt.xlabel('x')
plt.ylabel(name + '(x)')
接下来通过Tensor提供的relu函数来绘制ReLU函数。可以看到,该激活函数是一个两段线性函数。
x = tf.Variable(tf.range(-8,8,0.1),dtype=tf.float32)
y = tf.nn.relu(x)
xyplot(x, y, 'relu')
显然,当输入为负数时,ReLU函数的导数为0;当输入为正数时,ReLU函数的导数为1。尽管输入为0时ReLU函数不可导,但是我们可以取此处的导数为0。下面绘制ReLU函数的导数。
with tf.GradientTape() as t:
t.watch(x)
y = tf.nn.relu(x)
dy_dx = t.gradient(y, x)
xyplot(x, dy_dx, 'grad of relu')
sigmoid函数可以将元素的值变换到0和1之间:
sigmoid ( x ) = 1 1 + exp ( − x ) . (式4) \text{sigmoid}(x) = \frac{1}{1 + \exp(-x)}.\tag{式4} sigmoid(x)=1+exp(−x)1.(式4)
sigmoid函数在早期的神经网络中较为普遍,但它目前逐渐被更简单的ReLU函数取代。在后面“循环神经网络”中会介绍如何利用它值域在0到1之间这一特性来控制信息在神经网络中的流动。下面绘制了sigmoid函数。当输入接近0时,sigmoid函数接近线性变换。
# x
y = tf.nn.sigmoid(x)
xyplot(x, y, 'sigmoid')
据链式法则,sigmoid函数的导数
s i g m o i d ′ ( x ) = s i g m o i d ( x ) ( 1 − s i g m o i d ( x ) ) (式5) sigmoid'(x)=sigmoid(x)(1−sigmoid(x))\tag{式5} sigmoid′(x)=sigmoid(x)(1−sigmoid(x))(式5)
下面绘制了sigmoid函数的导数。当输入为0时,sigmoid函数的导数达到最大值0.25;当输入越偏离0时,sigmoid函数的导数越接近0。
with tf.GradientTape() as t:
t.watch(x)
y = tf.nn.sigmoid(x)
dy_dx = t.gradient(y, x)
xyplot(x, dy_dx, 'grad of sigmoid')
tanh(双曲正切)函数可以将元素的值变换到-1和1之间:
定义如下:
tanh ( x ) = 1 − exp ( − 2 x ) 1 + exp ( − 2 x ) . (式6) \text{tanh}(x) = \frac{1 - \exp(-2x)}{1 + \exp(-2x)}.\tag{式6} tanh(x)=1+exp(−2x)1−exp(−2x).(式6)
.
绘制tanh函数。当输入接近0时,tanh函数接近线性变换。虽然该函数的形状和sigmoid函数的形状很像,但tanh函数在坐标系的原点上对称。
y = tf.nn.tanh(x)
xyplot(x, y, 'tanh')
依据链式法则,tanh函数的导数
t a n h ′ ( x ) = 1 − t a n h 2 ( x ) . (式7) tanh′(x)=1−tanh^2 (x).\tag{式7} tanh′(x)=1−tanh2(x).(式7)
下面绘制了tanh函数的导数。当输入为0时,tanh函数的导数达到最大值1;当输入越偏离0时,tanh函数的导数越接近0。
with tf.GradientTape() as t:
t.watch(x)
y = tf.nn.tanh(x)
dy_dx = t.gradient(y, x)
xyplot(x, dy_dx, 'grad of tanh')
多层感知机就是含有至少一个隐藏层的由全连接层组成的神经网络,且每个隐藏层的输出通过激活函数进行变换。多层感知机的层数和各隐藏层中隐藏单元个数都是超参数。以单隐藏层为例并沿用本节之前定义的符号,多层感知机按以下方式计算输出:
H = ϕ ( X W h + b h ) , O = H W o + b o , (式8) \begin{aligned} \boldsymbol{H} &= \phi(\boldsymbol{X} \boldsymbol{W}_h + \boldsymbol{b}_h),\\\boldsymbol{O} &= \boldsymbol{H} \boldsymbol{W}_o + \boldsymbol{b}_o, \end{aligned}\tag{式8} HO=ϕ(XWh+bh),=HWo+bo,(式8)
其中 ϕ \phi ϕ表示激活函数。在分类问题中,我们可以对输出O做softmax运算,并使用softmax回归中的交叉熵损失函数。 在回归问题中,我们将输出层的输出个数设为1,并将输出O直接提供给线性回归中使用的平方损失函数。