神经网络体系搭建（二）——深度学习网络

本篇是神经网络体系搭建的第二篇，解决体系搭建的深度学习网络相关问题，详见神经网络体系搭建(序)

深度学习是一个已经被说烂了的词，几乎说起人工智能，非专业人士也会说出深度学习这个词，甚至有时候觉得神经网络，low爆了，深度学习才流行。
我也一度以为深度学习是多么神奇的一个技术，其实说到底，还是神经网络，没啥高大上的，只不过深了很多层，注意，是“深”，而不是“宽”。但是呢，就是深了很多层，确实让它的表现好了很多，所以它才有了一个专有名字，叫做深度学习。

深入了解深度学习，先从多层感知器说起。

多层感知器（MLP，Multilayer Perceptron）

Deep and Wide

多层感知器的多层到底是指wide还是deep，看了一些例子，发现只要wide了，就可以叫一个多层感知器，那些中间层就被成为隐藏层。这里其实是有疑问的，因为除了这里，其他地方的“多层”指的都是Deep方向的层，我也表示很迷糊……

反向传播

神经网络体系搭建（一）中的权重求法，是单层神经网络或者单层网络的堆叠权重矩阵的求法，如果有多层，就需要用反向传播来求出每层的权重矩阵。

反向传播的到底是什么？是误差项，也就是神经网络体系搭建（一）中提到的error_term。

要使用梯度下降法更新隐藏层的权重，你需要知道各隐藏层节点的误差对最终输出的影响。每层的输出是由两层间的权重决定的，两层之间产生的误差，按权重缩放后在网络中向前传播。既然我们知道输出误差，便可以用权重来反向传播到隐藏层。
——来自优达学城

我们的目的是更新每一层的权重矩阵，更新的重点是求delta_w，求delta_w的重点是找到误差项，我们可以正向传播找到输出节点的误差项，但是隐藏层的误差项各是什么我们不知道，但是把网络倒过来看，就可以把误差项传播回去，找到隐藏层的误差项，这就是反向传播。

数学原理

除去输入层和输出层，剩下几层就代表几层的网络。反向传播详细的计算过程见下图（可查看原图放大）。

反向传播计算过程

代码实现

下面实现有一个隐藏层的神经网路。

import numpy as np
# 设置超参数
n_hidden = 2  # number of hidden units
epochs = 900
learnrate = 0.005

# 设置数据数量及每条数据的特征数量
n_records, n_features = features.shape
last_loss = None

# 初始化权重
weights_input_hidden = np.random.normal(scale=1 / n_features ** .5,
                                        size=(n_features, n_hidden))
weights_hidden_output = np.random.normal(scale=1 / n_features ** .5,
                                         size=n_hidden)
# 迭代e次
for e in range(epochs):
     # 将各层的delta_w矩阵置零
    del_w_input_hidden = np.zeros(weights_input_hidden.shape)
    del_w_hidden_output = np.zeros(weights_hidden_output.shape)
    # 对每一条数据
    for x, y in zip(features.values, targets):
        ## 正向传播 ##
        # 计算隐藏层节点的输入
        hidden_input = np.dot(x, weights_input_hidden)
        # 计算隐藏层节点的输出
        hidden_output = sigmoid(hidden_input)
        # 计算输出
        output = sigmoid(np.dot(hidden_output, weights_hidden_output))

        ## 反向传播 ##
        # 计算误差
        error = y - output

        # 计算输出节点误差项
        output_error_term = error * output * (1 - output)

        # 计算隐藏节点误差项
        hidden_error_term = np.dot(output_error_term, weights_hidden_output)  * hidden_output * (1 - hidden_output)
        
        # 更新所有delta_w
        del_w_hidden_output +=  output_error_term * hidden_output 
        del_w_input_hidden += hidden_error_term * x[:, None]

    # 更新所有权重矩阵
    weights_input_hidden += learnrate * del_w_input_hidden / n_records
    weights_hidden_output += learnrate * del_w_hidden_output / n_records

深度学习网络

掌握了反向传播，就掌握了深度学习网路的基础，对整个网络的实现也就都明白了。剩下的其实就是根据具体要解决的问题设置网络，调整迭代次数，调整隐藏层数，调整分类器数等等。

过拟合的防止

通常将数据分为训练集、验证集和测试集，为什么会多出来一个“验证集”？就是为了防止过拟合。在训练时，我们通常用它的accuracy来确定学习率、迭代次数等超参数。如果在测试集上做这些，会是网络“记住”测试集，一点点过拟合测试集，因此有了验证集。

为了防止网络过拟合，通常有以下三个办法：

• 观察“验证集（注意不是训练集也不是测试集而是验证集）”大的performance，在它停止提高时停止训练。
• L2正则化：对网络应用人为约束，隐式地减少自有参数的数量，同时不会使其更难优化。
  具体做法是将权重的L2范数添加到损失函数，乘以一个较小的常数，好处就是不用动网络结构，但是多了一个要调节的超参数。L2范数代表想两种各元素的平方和。

• dropout：修改网络本身结构，在训练时，随机“删除”一半的隐层单元。

  
  Dropout，图片来源于优达学城课程截图

问题回答

至此，深度学习网络的骨架搭建完毕。

• 多层感知器是什么？
  包含众多中间层的神经网络。
• 深度学习是什么？
  通过加深网络层数使网络表现更好。
• 深度学习和神经网络有什么区别？
  就是层数深了。
• 深度学习网络模型有哪些参数可以调整（优化）？
  选择合适的迭代次数、找合适的学习率、用L2正则化中较小的常数、合适的隐藏层数、合适的分类器数、找合适的初始权重矩阵、找合适的激活函数、找合适的损失函数。

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以上内容来自822实验室神经网络知识分享
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