机器学习（神经网络）笔记

2021-12-10 本文已影响0人 yourdhh

基础考虑

定义

我们观察 $l$ 层的输入 $z^l$

$z^l=w^la^{l-1}+ b^l$

对于上面的输入，定义神经元为 S 型神经元，那么其结果 $a$ 为：

$\sigma(z) \equiv {1 \over 1 + e^{-z}} = a$

为了评估和目标的差距，同时用来作为调整的依据，我们定义代价函数：

$C={1 \over 2n}\sum\limits_x ||y(x) - a^L_x||^2$

目标和推导

我们的目标是期望神经网络的输出和目标吻合，即代价函数最小。
观察代价函数 $C$ ，我们的思考如下：

$C$ 是 $a$ 的函数（这个函数由训练者决定)
$a$ 是 $z$ 的函数（这个函数由训练者决定)
$z$ 是由 $w$ 和 $b$ 决定的
我们能够调整的是 $w$ 和 $b$

由上面分析，问题就变成了，对已知的 $C$ ，我们应该怎么调整 $w$ 和 $b$ 。
为此，我们期望知道 $w$ 和 $b$ 的变化和 $C$ 的关系：

$\frac{\partial C}{\partial w} = \frac{\partial C}{\partial z} \frac{\partial z}{\partial w} = \frac{\partial C}{\partial z}a^{l-1} = \delta a^{l-1}$
$\frac{\partial C}{\partial b} = \frac{\partial C}{\partial z} \frac{\partial z}{\partial b} = \frac{\partial C}{\partial z} = \delta$
上面式子中，我们定义了 $\delta \equiv \partial C / \partial z$ ，在实际操作中，我们只要计算 $\delta$ ，就能算出上面的值，其中 $\delta$ 如下：
- $\delta = \frac{\partial C}{\partial z} = {\partial C \over \partial a } {\partial a \over \partial z} = {\partial C \over \partial a} {\partial \sigma(z) \over \partial z} = {\partial C \over \partial a} \sigma ' (z) = (a-y){\sigma(z)(1-\sigma(z))}$
- 我们根据 $\sigma$ 函数的性质，可知当 $z$ 在较大或较小值的时候，函数变化很缓慢，对应神经元的饱和或未激活

同时，为了能够调整其他层的参数，我们看一下各个层之间的 $\delta$ 的关系。 $\delta^l = ((w^{l+1})^T\delta^{l+1})\odot \sigma'(z^l)$

现在，让我们把视线关注在 $l$ 层的 $j$ 神经元上，当一个样本输入后，假设样本预设输出应该是 $1.0$ ，而实际神经元输出是 $0.1$ ，那么我们将目光放在 $l-1$ 层上，我们逐个计算每个连接的 $w^l_{jk}$ 和本神经元的 $b^l_j$ 的变化对 $C$ 的影响，然后记录下这个应该调整的值。

然后，对于下一个样本，我们同样进行计算，最后我们将这些调整取其平均值，做为调整参数调整到神经网络里面。这批小的样本就叫做 batch，其大小就是 batch size。

这期间，我们会发现不同样本对神经元的 $b$ 和 $w$ 有不同的理解，有些会说 $b$ 该提高很大，有些会说 $b$ 该减少一点点。经过样本一轮一轮的刷新，各个神经元的阈值就会分化，权重也会分化。最终这个神经网络就会适应这个训练任务。

所以，基于神经网络的训练就是一个神经元和权重不断试错和分化的过程，不同的起始参数，不一样的训练顺序，训练出来的参数可能都是不一样的，也对应了不同的模型。

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