最简单的中文机器学习教程

我之前在论坛发过一些机器学习的资源，但是这些资源比较难直接下手，必须要先学高数和概率论。那么我今天就把复杂的机器学习算法，写成高中数学形式。

问题：我有1000张猫的照片，1000张狗的照片，请训练一个系统，令其能够分辨猫和狗。

假如每张照片的大小是32x32，那么一张照片就有1024个像素，每个像素的亮度从0到1可变。我们把这1024个像素标记为x0, x1, x2....x1023. 这样，我们就用1024个变量表示了一张输入图片。

这样就可以定义一个1024元函数：y0,y1 = f(x0,x1,x2.......x1023)，其中y0是图片为猫的概率p(猫)，y1是图片为狗的概率p(狗)。

我们的任务是，找到合适的函数 f()，使得计算f(猫的图片)得到 y0>y1，计算f(狗的图片)得到 y1>y0. 如果找到了这个函数f()，我们就可以计算 f(某张图片) = f(x0,x1,x2....x1023)，如果得到的结果[y0,y1]中 y0>y1，比如[0.9, 0.3]或者[1.4, 0.8]或者[3.2, 1.6]，就可以确定这张图片是猫。

所谓机器学习的训练过程，就是寻找函数f()的过程。

为了简化描述，我们把y0和y1称为二维矢量Y，把x0,x1,x2...x1023称为1024维矢量X。

表达式就可以简化为： Y = f(X)。

在下文中，我用大写字母表示矢量和矩阵。矢量和矩阵都是表示一组变量的简便方式（比如用矢量X来表示x0...x1023），是《线性代数》的教学内容。这是本教程涉及的唯一大学内容。

把图片中的1024个像素，转换成两个代表概率的数字，这中间的计算过程一定是非常复杂的。对于人脑和肉眼来说，猫或者狗的影像先通过晶状体汇聚到视网膜，再通过视神经传递到大脑的视神经中枢，再经过几次传递，最终得出猫或者狗的结论。这么复杂的神经传递过程，怎么用数学表达呢？人工智能领域的研究者提出，可以用神经元函数模拟神经元的行为。

下面是一个真正的人类神经元。

刺激从dendrites（树突）传入神经元，然后从axon（轴突）传出。

怎么用数学公式描述它的特性呢？下面我介绍目前机器学习领域最常用的神经元函数。

a = max(w0 * x0 + w1 * x1 + w2 * x2...+ w1023 * x1023 + b, 0)

或者简写为

a = max(W * X + b, 0)

其中a是神经元的输出，X(也就是x0...x1023)是神经元的输入，W(分别是w0...w1023)是神经元的权重，b是神经元的偏置，max是最大值函数。

我们注意到，每个神经元的输入可以有很多，但是输出连接只有一个，这和大脑中神经元的特性是类似的。

权重w的作用，是控制每个输入x对神经元的影响。如果w为负，则每个输入x对神经元的贡献就是负数。通过调节每一个w的大小，我们就可以让神经元对不同的输入x，产生不同的反应。如果某个w等于零，那么对应的输入x对后面的神经元就没有影响，相当于这个神经连接断掉了。

调节权重W（以及偏置b）的过程，称为学习或者训练。

神经元的输出有一个max函数，如果计算结果为正就直接输出，如果计算结果小于0就输出0。这是因为人类神经元只能输出正的刺激信号（脉冲），不能输出负的刺激信号。这只是一种直观的说法，实际上选择这个函数的原因非常复杂，可以去看geoff hinton的教程，里面有更加详细的数学解释。

由于f()的输出是两个实数，我们至少需要两个神经元。这两个神经元和图像的1024个输入都是相连接的。

这样我们就实现了函数f()。上图中，两个神经元的输入权重w的序号重复了，为了明确，我们把第一个神经元的偏置和权重分别称为 b0, w0_0, w0_1, w0_2... 把第二个神经元的偏置和权重分别称为b1, w1_0, w1_1, w1_2...

于是f()的计算方法如下：

y0 = a0 = max(x0 * w0_0 + x1 * w0_1 + x2 * w0_2 ...+ x1023 * w0_1023 + b0, 0)

y1 = a1 = max(x0 * w1_0 + x1 * w1_1 + x2 * w1_2 ...+ x1023 * w1_1023 + b1, 0)

如果把x0...x1023称为X，把w0_0...w0_1023称为W0，把w1_0...w1_1023称为W1，上式可以简写为：

y0 = max(X * W0 + b0, 0)

y1 = max(X * W1 + b1, 0)

如果把y0...y1称为Y，把W0和W1称为W（这时W就有1024 * 2=2048个元素了，是一个1024 * 2尺寸的矩阵），b0和b1称为B，上式可以简写为：

Y = f(X) = max(X * W + B, 0)

于是，研究者们把W设为2048个随机数，把B设为两个随机数，然后给函数f()输入一张猫的图片。

f(X) = f(猫的图片) = max(猫的图片 * W + B) = [0.5, 0.5]

结果是y0 = 0.5, y1 = 0.5，也就是我们的神经网络分不清这张图片到底是更像猫还是更像狗。这是很正常的，因为我们的W和B是随机设定的。

（由于W和B都是函数f()的参数，下面我们把W和B统称为W。）

研究者随后对W进行了一点随机微调，并重新计算f(猫的图片)。如果调完之后y0增长了或者y1下降了，就说明调节有效；如果调完之后y1增长了或者y0下降了，就说明调的方向错了。

经过一段时间的调节，研究者发现这样很慢，W一共有2048个元素，每调一次，输出只动一点点，要调到什么时候？于是研究者就想了一个办法：用一个函数E来计算误差的大小。

首先，对输出[y0, y1]应用softmax函数。

$$\sigma (z{)}_j=\frac{e^{z_j}}{{\sum }_{k=1}^K{e}^{z_k}},j=1,\mathrm{2...}K$$

用高中数学来写就是 softmax(Y) = softmax([y0,y1]) = [e^y0, e^y1] / (e^y0 + e^y1)

= [e^y0 / (e^y0 + e^y1), e^y1 / (e^y0 + e^y1)]

经过softmax函数之后，y0和y1的相对大小关系不变，但是他们的和保证等于1。比如说原来求得的猫狗概率是[1.2, 0.6]，softmax函数之后就得到[0.65, 0.35]。

然后定义误差函数E:

Y = f(X)

E = - log(softmax(Y)) * y_true

E = - log(softmax(f(X))) * y_true

其中 y_true 代表的是输入图像的真正类别，当输入为猫时为[1,0]，当输入为狗时为[0,1]。

我们注意到，因为softmax的结果都在0和1之间，应用log函数之后会得到一个负数，softmax所得的结果越小，log得到负数的绝对值就越大。如果softmax后所得结果接近零，log之后会得到一个非常大的负数。前面再加个负号，就得到一个非常大的正数。

所以E越大，说明我们的判断结果错得越离谱。这是一个很合适的误差函数。

当输入为猫时，输出y0（相对于y1）越小，误差函数E的值就越大，如果输出y0远小于y1，说明错的很严重，误差函数E的值会非常大。我们调节W的时候，就可以以E为参考。

上面讲到，研究者想了一个加速的办法。要怎样调节W，才能使得误差E不断降低呢？对了，可以利用E对W的导数。

我们在高中学过y对x的导数，可以写作$$\frac{dy}{dx}$$

上图中x0处的导数，也就是绿色切线的斜率，是个负数，大概是 -2 。如果把点x0朝导数所指的下坡方向移动，y的值会越来越小。就像下面这样：

如果用公式来描述这个过程：

$$x_1=x_0-\frac{dy}{dx}\left(x_0\right)$$$$x_2=x_1-\frac{dy}{dx}\left(x_1\right)$$$$x_3=x_2-\frac{dy}{dx}\left(x_2\right)$$

这相当于不断执行下面的操作：

$$x=x-\frac{dy}{dx}\left(x\right)$$

这种【按照y对x在x点的导数来调节x，使得y越来越小】的方法，称为导数下降法。

上面y对x的图像中，y是一维的，我们在一维函数上寻找最小值。如果y是二维的，有两个参数呢？下面是一张2维平面上的图像：

上图中 theta0 和 theta1就是待调节的参数，而J(theta0,theta1)是误差函数。图中演示了两个点是如何通过梯度下降法，找到J()的局部最低点的。

原题中的W是2048个变量，E对W的导数要怎么写？难道要写2048条公式吗？

$$\frac{dE}{d{w}_{0,0}},\frac{dE}{d{w}_{0,1}},...,\frac{dE}{d{w}_{1,1023}}$$

上面这种写法太繁琐了（而且也不正确）。通常我们这样写：

$$\frac{\partial E}{\partial w_{ij}}\left(W\right)$$

其中i=0,1 j=0,1,2...1023 称为E对$w_{ij}$在W处的偏导数。

之前抛物线函数的例子中，函数y上点x处的斜率是一个数字。而这次函数E上点W的斜率，共有2048个数字，可以记作一个2048维矢量：

$$\left(\frac{\partial E}{\partial w_{0,0}}\right(W),\frac{\partial E}{\partial w_{0,1}}(W),...,\frac{\partial E}{\partial w_{1,1023}}(W\left)\right)$$

上面这个矢量简称函数E在W处的梯度，它和之前所说的y在x处的斜率是一个意思，只不过由很多个数组成。上面的梯度可以简写为：

$$\nabla E\left(W\right)=\left(\frac{\partial E}{\partial w_{0,1}}\right(W),\dots ,\frac{\partial f}{\partial w_{1,1023}}(W\left)\right)$$

因此，只要不断执行：

$$W=W-\alpha \nabla E\left(W\right)$$

就可以使得E的值越来越小（假定E是个比较凸的函数）。这种【按照W对E在W处的偏导数来调节W，使得E越来越小】的方法，称为梯度下降法。梯度下降法的一个变种，随机梯度下降法，是目前机器学习领域应用最广泛的优化方法。

其中α是一个可调的量，称为学习率，它决定下降的速度和稳定性。

至此，我们可以把整个训练过程概括为：

1. 确定Y = f(X)的形式，为了与人脑架构匹配，我们在这里用的是神经网络函数，函数的参数（偏置和权重）为W和B，以下将它们统一称为W；
2. 对于给定的一批训练图片X（1000张猫，1000张狗），以及当前的W，计算误差 E = -log(softmax(f(X))) * y_true，其中 y_true 是代表对应图片猫狗分类的标签。
3. 使用梯度下降法，根据E对W在W处的偏导调节W
4. 重复第2步，直到误差E不再下降为止。
5. 用经过训练的f()函数，输入猫狗图片并观察其输出，统计正确率。

为了让例子显得简单，我们只使用了2个神经元，而且从输入直接到输出，中间没有隐藏层，最终得到的分类效果是很差的。

如果你想玩这种最简单的神经网络，可以直接访问google的tensorflow神经网络演示页面，那里的分类器虽然不能分类猫和狗，但可以做一些同样有趣的事情。http://playground.tensorflow.org/

在实际的视觉分类应用中，神经元的数量会多得多，而且会一层叠一层（警告：以下是大学内容），比如上面就是一个四层的神经网络，有两个隐藏层。

通过增加层数，网络可以表达更加复杂的非线性关系，从而能更好地概括输入数据中隐含的复杂关系。

对于视觉应用，每一层的输入，也不是直接取输入像素的值，而是用一组二维模板，对像素的值分别进行二维卷积，再叠加求和，层和层之间还有pooling（求局部最大值并组成更小的新图像）操作。

（LeNet架构，它20年前就学会了怎样分辨人类手写的数字，准确率超过99%）

使用二维卷积和pooling，可以令图像中关键特征获得位移无关性（比如猫的脸在图像中可能会左右移动，这不应该影响最终判断的结果）。

读到这里的同学，以上介绍完了机器学习的基本概念和方法，谢谢你们。如果你觉得这太简单了，下一步的两个可选的教程分别是Andrew Ng的 Machine Learning，以及Geoff Hinton的Neural Networks for Machine Learning。

[修改于 9 个月前 - 2016-12-15 00:20:51]

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novakon9 个月前 -2016-12-14 21:53828413 推荐(0)引用1阶

补充一点：

上面提到的矩阵与矢量乘法，比如W * X，用星号表示逐项相乘，是为了保证高中数学不超纲。

实际在大学的数学书中，如果X是一个1024维矢量，W是一个1024 * 2尺寸的矩阵，这种运算通常写成：

$$X^{T}W$$

原文中单层神经元函数因此可以记作：

$$max(X^{T}W+B,0)$$

常见问题：

• 我想要很多猫和狗的照片

  请去这里领取：https://www.kaggle.com/c/dogs-vs-cats

• 神经网络的函数这么复杂，我不是很懂矩阵运算（线性代数）和求偏导（高等数学）怎么办？

  你只需要知道基本的矩阵概念（比如图像是二维矩阵，彩色图像是三维矩阵），以及怎么用python语言操纵矩阵的元素就可以了。谷歌开源的机器学习框架tensorflow就是用来做矩阵计算流程优化的，你可以用它拼接出神经网络，它有办法帮你设置好每一层的权重矩阵，并且帮你优化计算流程。神经网络函数、ReLU函数（就是max(x,0)）、softmax函数都是tensorflow内置的。tensorflow可以根据你拼接出的计算流程，帮你求W对E的偏导，也就是说除了处理数据和设计架构，你什么都不用做。它有很多教程可以帮助你学习怎么使用，你应该花一些时间阅读。Github上的Keras框架把tensorflow包了一层，操作起来更简单，前提是你必须知道底下发生了什么。

• 感觉卷积神经网络比普通神经网络还复杂

  tensorflow也支持卷积神经网络的构建，你大概知道原理就行了，不需要自己写二维卷积代码（很难写对的）。关于卷积神经网络（ConvNet，又称CNN）原理方面的内容，可以阅读Yann LeCun 发表于 2000年以前的论文。

• 玩机器学习能提高我的数学水平吗？

  我认为是绝对不可能的。如果你数学不好，最好先学数学，千万别碰这个。