CNN-2.3 Resnet残差网络

残差网络 (Residual Networks (ResNets))

        非常非常深的神经网络是很难训练的,因为存在梯度消失和梯度爆炸问题。这节课我们学习跳跃连接(Skip connection),它可以从某一层网络层获取激活,然后迅速反馈给另外一层,甚至是神经网络的更深层。我们可以利用跳跃连接构建能够训练深度网络的ResNets,有时深度能够超过100层,让我们开始吧。 

        ResNets是由残差块(Residual block)构建的,首先我解释一下什么是残差块。

   CNN-2.3 Resnet残差网络_第1张图片

        这是一个两层神经网络,在 L层进行激活,得到a^{l+1},再次进行激活,两层之后得到a^{ l+2}。所以计算过程是从a^{l}开始,然后首先进行线性激活,根据这个公式:z^{l+1} = W^{l+1} * a^{l} + b^{l+1},通过a^{l}算出z^{l+1},即a^{l}乘以权重矩阵,再加上偏差因子。然后通过ReLU非线性激活函数得到a^{l+1},通过等式 a^{[l+1]} = g(z^{[l+1]}) 计算得出。然后在下一层,接着再次进行线性激活,依据等式z^{[l+2]} = a^{[l+1]} * W^{[l+2]} + b^{[l+2]},最后根据这个等式再次进行ReLu非线性激活,即a^{[l+2]} = g(z^{[l+2]}),这里的 g 指的是ReLU非线性函数,得到的结果就是 a^{[l+2]}。换句话说,信息流从 a^{l} 到 a^{[l+2]} 需要经过以上所有步骤,即这组网络层的主路径


        在残差网络中有一点变化, 我们将a^{l}直接向后,拷贝到神经网络的深层,在应用一些非线性处理,比如在ReLU非线性激活函数前加上a^{l}。我们把它叫做一条捷径short cut a^{l} 的信息直接到达神经网络的深层,不再沿着主路径传递,这就意味着最后这个等式 a^{[l+2]} = g(z^{[l+2]}) 去掉了,取而代之的是另一个ReLU非线性函数:仍然对 z^{[l+2]} 进行 g 函数处理,但这次要加上 a^{l} ,即:a^{[l+2]} = g(z^{[l+2]} + a^{l}),也就是加上的这个a^{l} 产生了一个残差块。

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         在上面这个图中,我们也可以画一条捷径,直达第二层。实际上这条捷径是在进行ReLU非线性激活函数之前加上的,而这里的每一个节点都执行了一个线性函数和一个ReLU激活函数。所以a^{l} 插入的时机是在线性激活之后,ReLU激活之前。有时它不叫“捷径”,你还会听到另一个术语“跳跃连接”,就是指 a^{l} 跳过一层或者好几层,从而将信息传递到神经网络的更深层。

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        ResNet的发明者是何凯明(Kaiming He)、张翔宇(Xiangyu Zhang)、任少卿(Shaoqing Ren)和孙剑(Jiangxi Sun),他们发现使用残差块能够训练更深的神经网络。所以构建一个ResNet网络就是通过将很多这样的残差块堆积在一起,形成一个很深神经网络,我们来看看这个网络。

        这并不是一个残差网络,而是一个普通网络(Plain network),这个术语来自ResNet论文。

        在这里插入图片描述


CNN-2.3 Resnet残差网络_第4张图片

         把它变成ResNet的方法是加上所有跳跃连接,正如前一张幻灯片中看到的,每两层增加一个捷径,构成一个残差块。如图所示,5个残差块连接在一起构成一个残差网络。


        CNN-2.3 Resnet残差网络_第5张图片

         如果我们使用标准优化算法训练一个普通网络,比如说梯度下降法,或者其它热门的优化算法。如果没有残差,没有这些捷径或者跳跃连接,凭经验你会发现随着网络深度的加深,训练错误会先减少,然后增多。而理论上,随着网络深度的加深,应该训练得越来越好才对。也就是说,理论上网络深度越深越好。但实际上,如果没有残差网络,对于一个普通网络来说,深度越深意味着用优化算法越难训练。实际上,随着网络深度的加深,训练错误会越来越多。

        但有了ResNets就不一样了,即使网络越来越深,你仍可以让训练误差继续下降,比如说训练误差减少,就算是训练深达超过100层的网络也不例外。有人甚至在1000多层的神经网络中做过实验,尽管目前我还没有看到太多实际应用。但是对 x 的激活,或者这些中间层的激活输出能够到达网络的更深层。这种方式确实有助于解决梯度消失和梯度爆炸问题,让我们在训练更深网络的同时,不会看到性能倒退的现象,又能保证良好的性能。尽管可能在某一点达到“平原”阶段。这时候再加层也不会有帮助。也许从另外一个角度来看,随着网络越来深,网络连接会变得臃肿,但是ResNet确实在训练深度网络方面非常有效。

        现在大家对ResNet已经有了一个大致的了解,通过本周的编程练习,你可以尝试亲自实现一下这些想法。至于为什么ResNets能有如此好的表现,接下来我会有更多更棒的内容分享给大家,我们下个视频见。

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