吴恩达机器学习Coursera-Week5

Cost Function and Back Propagation

Cost Function

这一节主要讲了基本的符号表示，主要如下：
L：表示总共有几层神经网络，假设有四层那么L=4
s_l: 注意下标l（小写L），表示第l层的unit数，这个数不包含bias unit
K：表示输出层有几个输出unit，即表示K分类问题，注意K=1 或者K>=3。（因为K=2就成了一个二分类问题了，那么我们只需要使用一个输出就可以用二分类来表示了）
另外关于Θ的表示如下图所示(下图展示了针对第三层的三个输出，如何用Θ来计算，注意第二层有S2 + 1个节点，+1是因为有bias unit）：

Θ表示的说明

最终，我们需要针对所有的输出节点的J(Θ)进行加总，从而得出该神经网络的J(Θ)
先来看下之前logistic regression的J(θ), 如下：

logistic regression J(θ)

因为我们要对所有输出的J(Θ)都进行加总，所以有如下公式：

神经网络的J(Θ)

• 由于有K个输出，所以要从1到K进行加总J(Θ)
• 需要注意的是最后还做了正则化，而正则化的时候是针对每一层的每一个Θ的平方都进行加总。

Backpropagation Algorithm

终于到了神经网络最重要的算法BP算法，而要理解这个算法，我想应当先明白这个算法是干什么用的。简单说这个算法是用于计算gradient，从而可以训练出我们的模型。
我们知道要找到模型的参数，需要通过计算J(Θ)和Gradient，然后将其代入到优化函数当中，就可以训练出合适的模型，那么这个gradient的计算还是要计算J(Θ)的偏导数，如下图：

2.1-partial derivative of J(Θ)

而要计算这个导数，我们可以用如下公式

2.2-链式法则

要明白链式法则需要对微积分有些基本的了解，给定一个函数y=f(x)，那么y对x的导数实际上是说y对x的变化速率，即x的一个微小变动，会导致y有多大的变动。那么假设x=g(z), 那么z的微小变动就会导致x的变动，而x的变动又会导致y变动，这就是链式法则的本质，所以也就有了如上图所示的公式。
而δ本质上是J(Θ)对z的导数，也就是图中方框所圈的两个导数的乘积。
而z _i ^(l+1)对Θ _ij ^(l)的导数，根据导数的定义我们就知道是a _j ^(l), 可以看下图的示例更直观些：

2.3-example

详细的推导过程，可以参考这篇文章 Backpropagation 算法的推导与直观图解

从图中我们可以看到要计算针对某个权重Θ的偏导数，需要使用下一层对应的δ和本层对应的输出a。我们先记住这个公式，那么问题就转化为如何计算a和δ的问题。

给定一个样本的情况

首先，通过前向传播算法，给定一个样本，我们可以推导出每个unit的a。（这里可以先随机设定Θ）
那么，δ是如何计算的呢？这个计算过程如下：

2.4-δ计算过程

可以看出，我们先是利用前向传播算法，算出了输出层的a，然后与我们的训练集中的标签y相减就是它们的'error'，即δ ⁽⁴⁾ （注意：关于δ如何推导出来的，可以参考文章 Backpropagation 算法的推导与直观图解）. 之后，再利用公式可以计算出对应的δ ⁽³⁾, δ ⁽²⁾, 注意第一层不存在所谓的'error'，所以没有δ ⁽¹⁾.
到此我们就可以计算任意节点的δ，并通过公式可以计算出相应的J(Θ)对任意Θ _ij ^(l)的偏导数。而由于计算δ是从后往前计算，所以该算法叫后向传播。
另外需要注意的是，我们需要对每一个Θ都进行计算，如下图所示：

2.5-针对所有的Θ都需要求导

这种情况下，可以想象在多维空间中，针对每一个维度，都做梯度下降，最终找到多维空间的最低点（极小值），这时我们的模型就拟合了。

完整训练过程

上边讲述的是针对一个样本和一个Θ计算gradient的过程，直观地说，就是我们只是在一个维度上下降了一步（从山上往某个方向下降了一步），我们需要大量样本计算，最终让模型收敛（走到山底，甚至谷底），所以完整的计算过程如下：

2.6-backpropagation algorithm计算过程

只看公式这里非常难于理解，还是看图，下图是基于图2.3的神经网络的一个样本的计算：

2.7-one sample.png

• 大写的delta Δ是一个矩阵，我们将其初始化为全0的Matrix，用于累加每次迭代计算出的gradient，每一个gradient对应一个Θ（gradient本质是对Θ的求导）
• For循环中，每一轮循环都要计算一个样本对应的所有的Θ对应的偏导数
• 最终的D是Δ取平均值并正则化后的结果

Backpropagation Intuition

本节课除详细讲述了前向传播的计算方法外，重点又讲述了后向传播时如何计算δ的过程，如下：

2.8-δ compute

关键是怎么推导出来的？

Backpropagation Practice

Implementation Note: Unrolling Parameters

此节课主要讲解了如何unrolling参数，实际就是如何利用Octave或者matlab的功能将矩阵转化为vector，便于使用fminunc之类的函数进行计算，因为这类函数的可接受的参数是vector。
我们已经知道，神经网络中Θ对应的是一个矩阵，同样gradient对应的也是一个矩阵，如下：

3.1-matrices

我们需要将其转化为vector，从而可以传递给fminunc函数进行计算，如下：

3.2-enrolling

而在cost function当中，我们则需要将它们恢复成原来的矩阵，如下：

3.3-reshape

最后看一张完整的流程图：

3.4-complete precedure

Gradient Checking

此节课主要讲了如何检查gradient的结果是否正确。首先Andrew举了一个cost function J(θ)针对标量θ的情况，如下图：

3.5-numerical estimation of gradients

我们知道对J(θ)求导其实就是看其J(θ)在θ这一点的斜率，那么通过在θ左右两边各取两个点，其连线的斜率是近似等于θ点的斜率的, 这两个点就是通过加减ϵ (epsilon)来获取。（注意这个ϵ 要足够小，视频中Andrew使用10 ^-4)
现在，我们已经明白原理了，那么要针对所有的θ都取近似值，就需要通过如下的计算流程来计算：

3.6-get every estimation of θ

上图展示了获取所有θ对应的近似值的过程，而计算机的程序实现流程如下图：

因为有多个维度，所以我们要在每个维度方向都取其近似值，从而检查每个维度的gradient

3.7-implementation

我们可以每一轮迭代后都比较一下近似值，不过最终我们实际训练的时候需要去掉这个gradient checking步骤，否则训练的过程会非常慢。我理解就是通过少量的迭代次数，检查一下就可以了，然后大量样本训练的时候就把这个检查步骤去掉。

Random Initialization

本节课Andrew首先讲了如果将Θ矩阵初始化为全0的矩阵会有什么问题，如下图：

4.1-Zero initialization

可以发现最终所有的hidden layer的输出都完全一致了，这样无论怎样训练，都会导致Θ ₀₁ ⁽¹⁾ = Θ ₀₂ ⁽¹⁾，所以这样的话就有问题了，我们需要取随机值作为其初始值，如下：

4.2-random initialization

注：这里的ϵ与之前gradient checking中的ϵ无关
至此，本周的课程总结完成了，如果读者有任何疑问欢迎交流，另外，文章有错谬之处，也望指点。