关于人工智能学习的非线性激活函数

PyTorch已为我们实现了大多数常用的非线性激活函数，我们可以像使用任何其他的层那样使用它们。让我们快速看一个在PyTorch中使用ReLU激活函数的例子：

在上面这个例子中，输入是包含两个正值、两个负值的张量，对其调用ReLU函数，负值将取为0，正值则保持不变。

现在我们已经了解了构建神经网络架构的大部分细节，我们来构建一个可用于解决真实问题的深度学习架构。上一章中，我们使用了简单的方法，因而可以只关注深度学习算法如何工作。后面将不再使用这种方式构建架构，而是使用PyTorch中正常该用的方式构建。

1．PyTorch构建深度学习算法的方式

PyTorch中所有网络都实现为类，创建PyTorch类的子类要调用nn.Module，并实现__init__和forward方法。在init方法中初始化层，这一点已在前一节讲过。在forward方法中，把输入数据传给init方法中初始化的层，并返回最终的输出。非线性函数经常被forward函数直接使用，init方法也会使用一些。下面的代码片段展示了深度学习架构是如何用PyTrorch实现的：

如果你是Python新手，上述代码可能会比较难懂，但它全部要做的就是继承一个父类，并实现父类中的两个方法。在Python中，我们通过将父类的名字作为参数传入来创建子类。init方法相当于Python中的构造器，super方法用于将子类的参数传给父类，我们的例子中父类就是nn.Module。

2．不同机器学习问题的模型架构

待解决的问题种类将基本决定我们将要使用的层，处理序列化数据问题的模型从线性层开始，一直到长短期记忆（LSTM）层。基于要解决的问题类别，最后一层是确定的。使用机器学习或深度学习算法解决的问题通常有三类，最后一层的情况通常如下。

• 对于回归问题，如预测T恤衫的销售价格，最后使用的是有一个输出的线性层，输出值为连续的。
• 将一张给定的图片归类为T恤衫或衬衫，用到的是sigmoid激活函数，因为它的输出值不是接近1就是接近0，这种问题通常称为二分类问题。
• 对于多类别分类问题，如必须把给定的图片归类为T恤、牛仔裤、衬衫或连衣裙，网络最后将使用softmax层。让我们抛开数学原理来直观理解softmax的作用。举例来说，它从前一线性层获取输入，并输出给定数量样例上的概率。在我们的例子中，将训练它预测每个图片类别的4种概率。记住，所有概率相加的总和必然为1。

3．损失函数

一旦定义好了网络架构，还剩下最重要的两步。一步是评估网络执行特定的回归或分类任务时表现的优异程度，另一步是优化权重。

优化器（梯度下降）通常接受一个标量值，因而loss函数应生成一个标量值，并使其在训练期间最小化。某些用例，如预测道路上障碍物的位置并判断是否为行人，将需要两个或更多损失函数。即使在这样的场景下，我们也需要把损失组合成一个优化器可以最小化的标量。最后一章将详细讨论把多个损失值组合成一个标量的真实例子。

上一章中，我们定义了自己的loss函数。PyTorch提供了经常使用的loss函数的实现。我们看看回归和分类问题的loss函数。

回归问题经常使用的loss函数是均方误差（MSE）。它和前面一章实现的loss函数相同。可以使用PyTorch中实现的loss函数，如下所示：

对于分类问题，我们使用交叉熵损失函数。在介绍交叉熵的数学原理之前，先了解下交叉熵损失函数做的事情。它计算用于预测概率的分类网络的损失值，损失总和应为1，就像softmax层一样。当预测概率相对正确概率发散时，交叉熵损失增加。例如，如果我们的分类算法对图3.5为猫的预测概率值为0.1，而实际上这是只熊猫，那么交叉熵损失就会更高。如果预测的结果和真实标签相近，那么交叉熵损失就会更低。

下面是用Python代码实现这种场景的例子。

为了在分类问题中使用交叉熵损失，我们真的不需要担心内部发生的事情——只要记住，预测差时损失值高，预测好时损失值低。PyTorch提供了loss函数的实现，可以按照如下方式使用。

PyTorch包含的其他一些loss函数如表3.1所示。

表3.1

L1 loss	通常作为正则化器使用；第4章将进一步讲述
MSE loss	均方误差损失，用于回归问题的损失函数
Cross-entropy loss	交叉熵损失，用于二分类和多类别分类问题
NLL Loss	用于分类问题，允许用户使用特定的权重处理不平衡数据集
NLL Loss2d	用于像素级分类，通常和图像分割问题有关

4．优化网络架构

计算出网络的损失值后，需要优化权重以减少损失，并改善算法准确率。简单起见，让我们看看作为黑盒的优化器，它们接受损失函数和所有的学习参数，并微量调整来改善网络性能。PyTorch提供了深度学习中经常用到的大多数优化器。如果大家想研究这些优化器内部的动作，了解其数学原理，强烈建议浏览以下博客：

PyTorch提供的一些常用的优化器如下：

• ADADELTA
• Adagrad
• Adam
• SparseAdam
• Adamax
• ASGD
• LBFGS
• RMSProp
• Rprop
• SGD