深度学习基础篇之深度神经网络（DNN）

神经网络不应该看做是一个算法，应该看做是一个特征挖掘方法。在实际的业界发展过程中，数据的作用往往大于模型，当我们把数据的隐藏特征提取出来之后，用很简单的模型也能预测的很好。

神经网络模型由生物神经中得到启发。在生物神经元细胞中，神经突触接收到信号，经过接收并处理信号后判断信号的信息强弱，来做出不同神经电位变化反应。受此启发，科研人员设计出基础的神经网络模型结构，神经元模型（Neuron Model）。

一、从感知机到神经网络

1.1 感知机

下图为一个最简单的“M-P神经元结构”，该模型1943年提出，并一直沿用至今：

从模型示意图看，对于一个单一的神经元模型，其中$\{x_1,x_2,......,x_n\}$为该模型的输入数据；$\{{\omega }_1,{\omega }_2,......,{\omega }_n\}$为神经元模型计算参数，与输入数据维度一一对应，用于反映输入数据各维度的权重；$\theta$表示神经元输出阈值，通常用于控制神经元是否输出结果或修正输出结果；为神经元模型的输出结果，计算方式如下公式：
$$y=f(\sum _{i=1}^n{\omega }_i{x}_i-\theta )$$
其中，函数$f$用于将函数值映射至区间[0, 1]（主要）或[-1, 1]（部分），函数$f$通常称为激活函数（activation function）。常用的激活函数包括Sigmoid、Tanh函数等。

单层感知机可以实现线性可分的数据学习（存在一个超平面使得数据分开），但是当数据线性不可分时，单层感知机便无法处理。

为了能够使得感知机的适应范围更广，可以将多个感知机进行连接，构成多层感知机模型来适应更复杂的任务。多层感知机模型也被称作人工神经网络（Artificial Neuron Network，ANN），或者叫多层感知机（Multiple-Layer Perceptron，MLP）。

1.2 神经网络

1）为了增强模型的表达能力，在神经网络中加入隐藏层，隐藏层可以有多层，下图实例是一个有2个隐藏层的网络，增加隐藏层会导致模型的复杂度增加。

2）输出层的神经元也可以不止一个输出，可以有多个输出，这样模型可以灵活的应用于分类回归，以及其他的机器学习领域比如降维和聚类等。多个神经元输出的输出层对应的一个实例如下图，输出层现在有4个神经元了。

3）神经网络的激活函数也可以有很多种，感知机的激活函数是 sign(z)，虽然简单但是处理能力有限，因此神经网络中一般使用的其他的激活函数，比如我们在逻辑回归里面使用过的Sigmoid函数，即：$$f(z)=\frac{1}{1+e^{-z}}$$

还有后来出现的tanx, softmax,和ReLU等。通过使用不同的激活函数，神经网络的表达能力进一步增强。

二、DNN的基本结构

DNN可以理解为有多个隐藏层的神经网络，叫做深度神经网络（Deep Neural Network），DNN有时也叫做多层感知机（Multi-Layer perceptron，MLP）,其实是一个东西。

DNN按不同层的位置划分，内部的神经网络层可以分为三类，输入层、隐藏层和输出层，如下图示例，一般来说第一层是输入层，最后一层是输出层，而中间的层数都是隐藏层。

层与层之间是全连接的，也就是说，第$i$层的任意一个神经元一定与第$i+1$层的任意一个神经元相连。虽然DNN看起来很复杂，但是从小的局部模型来说，还是和感知机一样，即一个线性关系$z=\sum w_i{x}_i+b$ 加上一个激活函数$sigmoid(z)$。

由于DNN层数多，则我们的线性关系系数$w$和偏置$b$的数量也就是很多了。具体的参数在DNN是如何定义的呢？

首先我们来看线性关系系数$w$的定义。以下图一个三层的DNN为例，第二层的第4个神经元到第三层的第2个神经元的线性系数定义为$w_{24}^3$。上标3代表线性系数$w$所在的层数，而下标对应的是输出的第三层索引2和输入的第二层索引4。

再来看看偏置$b$的定义。还是以这个三层的DNN为例，第二层的第三个神经元对应的偏置定义为$b_3^2$。其中，上标2代表所在的层数，下标3代表偏倚所在的神经元的索引。同样的道理，第三个的第一个神经元的偏置应该表示为$b_1^3$，输入层是没有偏置参数$b$的。

三、前向传播

在上一节，我们已经介绍了DNN各层权重系数$w$，偏置$b$的定义。假设我们选择的激活函数是$sigmoid(z)$，隐藏层和输出层的输出值为$a$，则对于下图的三层DNN，利用和感知机一样的思路，我们可以利用上一层的输出计算下一层的输出，也就是所谓的DNN前向传播算法。

对于第二层的输出$a_1^2,a_2^2,a_3^2$，我们有：
$$\begin{gathered} a_1^2=\sigma (z_1^2)=\sigma ({\omega }_{11}^2{x}_1+{\omega }_{12}^2{x}_2+{\omega }_{13}^2{x}_3+b_1^2) \\ {a}_2^2=\sigma (z_2^2)=\sigma ({\omega }_{21}^2{x}_1+{\omega }_{22}^2{x}_2+{\omega }_{23}^2{x}_3+b_2^2) \\ {a}_3^2=\sigma (z_3^2)=\sigma ({\omega }_{31}^2{x}_1+{\omega }_{32}^2{x}_2+{\omega }_{33}^2{x}_3+b_3^2) \end{gathered}$$
对于第三层的输出$a_1^3$，我们有：
$$a_1^3=\sigma (z_1^3)=\sigma ({\omega }_{11}^3{a}_1^2+{\omega }_{12}^3{a}_2^2+{\omega }_{13}^3{a}_3^2+b_1^3)$$

将上面的例子一般化，假设$l-1$层共有$m$个神经元，则对于第$l$层的第$j$个神经元的输出$a_j^l$，可以计算出：
$$a_j^l=\sigma (z_j^l)=\sigma (\sum _{k=1}^m{w}_{jk}^l{a}_k^{l-1}+b_j^l)$$
用向量形式表示每一层的输出为：
$$a^l=\sigma (z^l)=\sigma (W^l{a}^{l-1}+b^l)$$
从输入层开始，依次计算下一层的输出，直到最后一层即可得到模型的输出结果。单独看前向传播似乎只是简单的矩阵相乘，没有太大用处，但神经网络的奥秘在于下一节的反向传播，反向传播会不断的更新模型参数，继而优化预测准确性。

四、反向传播

在了解DNN的反向传播算法前，我们先要知道DNN反向传播算法要解决的问题，也就是说，什么时候我们需要这个反向传播算法？