AI之旅（6）：神经网络之前向传播

前置知识

  求导

知识地图

  回想线性回归和逻辑回归，一个算法的核心其实只包含两部分：代价和梯度。对于神经网络而言，是通过前向传播求代价，反向传播求梯度。本文介绍其中第一部分。

多元分类：符号转换

  神经网络是AI世界的一座名山，这座山既神秘又宏大。看过的人都说好，但是具体好在哪里，却不易用语言表述。只有一步一步耐心爬上去，登顶之后才能俯瞰风景。

  毫无疑问登顶的过程不会一帆风顺，总会遇到大大小小的困难，然而一旦我们对困难有了心理准备，登顶也不再是件难事。只是看文章不易理解，一起拿出笔和纸吧。

  在逻辑回归中，特征经过参数的线性组合，作用于激活函数得到预测结果。我们可以将特征视为输入层，将预测结果视为输出层。逻辑回归模型和函数如下所示：

  上图如果从层的角度看，也可以将输入层视为第一层，将输出层视为第二层。为了方便接下来的叙述，需要用一套新的符号来表示特征和预测结果，上图可转化为以下形式：

  a表示激活项，每一层的激活项等于前一层的激活项经过线性组合，作用于激活函数的值。特别约定用特征作为第一层的激活项。因此以下两句话是同一种含义的不同表述：

  1，预测结果等于特征经过线性组合，作用于激活函数的值；

  2，第二层的激活项等于第一层的激活项经过线性组合，作用于激活函数的值；

多元分类：矩阵形式的参数

  一个逻辑回归模型可以实现二元分类，如果将多个逻辑回归模型组合起来，便可以实现多元分类。用同一个样本的特征训练两个逻辑回归分类器可以表示为以下形式：

  因为特征是相同的，所以可以组合为以下形式：

  注：实际构建的多元分类模型中包含着2个以上的分类器，比如3个，4个，10个。无论包含几个分类器，模型的本质是相同的，这里为了表述简便以2个分类器为例。

  在二元分类模型中，参数是以向量的形式表示。在多元分类模型中，参数是以矩阵的形式表示。虽然表示形式改变了，但是其工作的机制没有变化，如下图所示。

  “第二层的第一个激活项等于第一层的激活项经过线性组合，作用于激活函数的值”。以上两幅图是从不同角度对同一种情况的描述，将参数写成矩阵的形式可以表述地更加简练。

多元分类：向量形式的标签

  在二元分类中，可以通过0和1来表示两个类别。在多元分类中，模型无法直接识别1，2，3这样的数字，需要将数字转换成二进制向量的形式，以3个类别的花为例。

  当传入一个样本的特征时，3个分类器对该组特征分别进行判断，所预测的结果也是用二进制向量的形式表示，如下图所示：

  第一个分类器说：不是第一种花；

  第二个分类器说：是第二种花；

  第三个分类器说：不是第三种花；

  样本是第一种花，而模型预测是第二种花，显然这是一次失败的预测。以上是假设的极端情况，实际上每个分类器都会给出样本属于该类别的概率，以最大的概率为准。

  假设有6个样本，需要将标签转化为矩阵的形式传入算法。若每次只用一个样本训练时，算法会将对应样本的标签抽取出来使用。注意矩阵的下标，Z表示分类器的数量。

模型结构：隐藏层

  神经网络是在多元分类模型的基础上，增加了隐藏层的结构。隐藏层也是由激活项组成，隐藏层中激活项的数量没有限制，隐藏层的总层数也没有限制。如下图所示：

  上图是一个包含2个隐藏层的神经网络。对比前面的多元分类模型，我们发现神经网络似乎可以视为若干个多元分类模型的组合。这两者到底有什么联系呢？

  相同点：两者都是由激活项组成，每一层的激活项等于前一层的激活项经过线性组合，作用于激活函数的值。特别约定用特征作为第一层的激活项。

  不同点：多元分类用输入层（特征）训练得到输出层（预测结果）。神经网络用输入层（特征）训练得到隐藏层，用隐藏层训练得到输出层（预测结果）。

  不同点：多元分类通过特征直接得到预测结果，预测结果为第二层激活项的值。神经网络通过特征间接得到预测结果，预测结果为最后一层激活项的值。

模型结构：偏置单元

  记得在逻辑回归中，我们会在样本的特征中添加元素1作为常数项，常数项可以调节模型使之发挥更好的性能。在神经网络中将常数项称为偏置单元，偏置单元的值为1。

  对于神经网络的每一层而言，都是将前一层视为特征进行训练。如果只关注第二层和第三层，可以发现这是一个多元分类模型。此时将第二层视为特征，因此需要加上偏置单元。

  每层的偏置单元与前一层没有联系，只用于后一层的训练。例如第二层的偏置单元与第一层没有联系，只用于第三层的训练。注意最后一层为输出层，输出层不需要偏置单元。

  至此我们对神经网络的结构有了大致的了解，它可以视为多个多元分类模型的组合。接下来需要对激活项做更深入的认识，为此重新构建一个更简单的例子，并添加上符号。

激活项

  添加上符号之后，图像似乎一下子变复杂了。仔细观察会发现数字之间存在明显的规律。一共只有两种符号，激活项和参数。偏置单元属于特殊的激活项，用虚线表示。

  左图表示第k层的第i个激活项（i从0开始计数）；

  右图表示第k个参数矩阵中第j行，第i列的参数（i从0开始计数）；

  在实际应用中，是通过矩阵和向量的形式表示神经网络的结构，为后续的向量化计算做准备，首先系统定义一下将要用到的符号。

  m:样本数；

  k:神经网络层数；

  K:神经网络总层数(此例中K=4)；

S_k:第k层的单元数量（不包含偏置单元）(此例中S_2 = 2)；

  Z:分类器的数量(此例中Z=2)；

  通过第一个参数矩阵，从第一层激活项获得第二层激活项，为第二层激活项添加偏置单元：

  通过第二个参数矩阵，从第二层激活项获得第三层激活项，为第三层激活项添加偏置单元：

  通过第三个参数矩阵，从第三层激活项获得第四层激活项，第四层激活项为预测结果，预测结果不添加偏置单元：

  注：在神经网络中参数的初始值不能为0，否则模型将无法工作，一般将其随机初始化为一个较小的数字。

前向传播

  观察这3个参数矩阵，有没有发现矩阵的尺寸存在对应关系？以第1个矩阵为例，矩阵的行数等于下一层的单元数，矩阵的列数等于本层的单元数加1。用公式表示：

  感觉复杂是正常的，偏置单元的存在会造成理解上的困难，计数上的麻烦，以及实现中的障碍。好消息是这已经是神经网络中主要的两个难点之一，我们已经走完一半的路程。

  目前已经知道每一层的激活项产生的机制，也知道最后一层激活项即预测结果，我们可以写出神经网络的代价函数，已知逻辑回归的代价函数是如下形式：

  为了便于理解，将神经网络的代价函数分两部分来写，最后再组合起来。上式是只有一个分类器的代价函数，在例子中我们有两个分类器，第一部分可以写为如下形式：

  因为最后一层激活项即预测结果，所以用最后一层激活项表示假设函数。绿色方框中的下标表示属于第几个分类器。我们用Z表示分类器的数量，因此可写为如下形式：

  正则化是通过为参数支付代价的方式，降低系统复杂度的方法。在逻辑回归中常数项对应的参数不参与正则化，同理，在神经网络中偏置单元对应的参数不参与正则化：

  每个参数矩阵的第一列即偏置单元对应的参数，通过几步简单的矩阵操作，即可将上述形式的矩阵元素累加。如果再简练一点可以用方程的形式表示，稍微有点抽象：

  蓝色：从第1个矩阵到第K-1个矩阵（4层网络，对应3个参数矩阵）；

  橙色：矩阵的第1列到最后一列（i从0开始计数）；

  绿色：矩阵的第1行到最后一行（j从1开始计数）；

  至此得到了完整的神经网络代价函数，目标是最大化该代价函数。通过求导我们可以得到局部最优解，但无法得到全局最优解，不同初始化参数的值会影响局部最优解的选择。

总结

  目前为止我们掌握了什么？我们已经可以构建一个具有任意数量的隐藏层，支持向量化操作，包含正则项的深度神经网络。只差最后一步就可以让这个强大的网络运作起来。

  我们从二元分类开始，用多个分类器构造了多元分类模型，使用激活项作为模型的基本单位。将参数转换为矩阵的形式，将标签转换为向量的形式，为得到神经网络做好了准备。

  通过添加隐藏层的方式从多元分类扩展到神经网络，发现神经网络可视为多个多元分类模型的组合。而偏置单元是神经网络中特殊的激活项，这也是算法的难点之一。

  通过将模型转换为矩阵和向量的形式，最终得到了神经网络的代价函数。至此已经实现了神经网络的前向传播。在下一篇中，我们将通过对代价函数求导，实现神经网络的反向传播。

版权声明

  1，本文为原创文章，未经作者授权禁止引用、复制、转载、摘编。

  2，对于有上述行为者，作者将保留追究其法律责任的权利。

Tieven

2019.1.11

tieven.it@gmail.com