10分钟AI - 让深度学习更深一点（ResNet）

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注意，阅读本文需要有基本的导数知识以及神经网络反向传播的概念，如果没有，请自行百度后再来光顾。这篇文章不会讲解ResNet的具体结构，只关注其中的Connection部分。

首先，我们需要明确几个概念：

1. 越深层次的神经网络就能提取更潜藏的数据特征（在不损失广度的情况下）

2. 数据特征是以每层的权重矩阵来表示的

3. 权重矩阵是根据反向传播训练的

4. 反向传播基本等同于梯度（导数）优化

OK，基本知识就到这里了。接下来我们说一下在残差连接出现之前，神经网络遇到的问题。

问题1：深度固然好，但不是你想深就能深的。

在解释这个问题之前，我们借用一个比较经典的动图：

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从图中可以明显的看到，在反向传播的过程中，梯度的更新量会随着层级的加深成指数级的下降，在网络浅层的特征空间里，由于连乘了[0，1]之间的小数，梯度更新量几乎变成了0（梯度弥散），导致浅层部分的参数几乎得不到训练，上梁不正下梁歪，如此这般再加深n层又有什么意义。

问题2：深度学习不深，怎么办？

科学家们当然不会束手待毙，想尽了各种办法来解决网络深度的问题。从最开始的通过逐层预训练，到Relu函数的出现，再到某位大神提出加入额外监督的中间层辅助损失等等，都是从各种高大上的角度来解决浅层梯度接近0的问题。可惜大多数都是治标不治本。直到有一天，灵感的横空出世。

Less is More

再次回顾一下权重更新过程中梯度的计算方法(无脑链式法则)，这里为了便于表达，用F代替了反向传播的层损失函数：

梯度弥散正是因为连乘一堆小数导致d慢慢逼近0导致的。仔细回忆一下小学五年级的数学课本，然后回答一下最直观的解决这个问题的方法是什么？ 最保险的方法就是让连乘中的每一项都至少大于1不就好了。怎么做呢？

某位大神惊天地泣鬼神的修改了函数F：

顺便呈上一个经典的连接架构图：

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是不是目瞪口呆？就是这么简单，就是这么无脑。等等，是不是发现了一点问题，我给出的公式在x前有一个W，而示意图没有。这是因为在残差链接的过程中，F(x)的纬度并不总是能等同于x，而在x前加上一个W是为了将x的维度转换成跟F(x)相同，相同的维度才能线性叠加。在改造了特征映射函数F之后，就可以完美的保证梯度在传递过程不丢失的问题了。当然，大道至简，这种形式的改造在其他方面也有着非常重要的作用：

1. 网络对损失更敏感（证明可以自行查询百度）

2. 解决了深层网络梯度消失的问题

3. 打破了网络对称性，使得网络表征学习能力提升（以后会专门有一章讲解网络对称性与权重矩阵的关系）

强调：事实上，经过研究，引起网络无法加深的原因除了梯度弥散之外，更深层次的理由是由于权重矩阵的退化现象，由于本篇还是属于小白范畴，所以略过。感兴趣的同学可以百度先行了解。