一文理解神经网络的本质

心已赠人 2022-10-15 08:56 208阅读 0赞

# 理解神经网络的本质 #

## 一、前言 ##

最近深度学习是一个比较热门的词，各行各业都声称自己使用了深度学习技术。现在“深度学习”这个词，就像印在球鞋上的“Fashion”、“Sport”。那深度学习到底是什么呢？

深度学习是机器学习的一个分支，当我们使用了“深度神经网络”算法进行机器学习时，我们就可以说自己在搞深度学习。而这个“神经网络”算法就是我们今天的主题。

关于机器学习的内容，各位读者可以参考[Python快速构建神经网络][Python]。

在本文我依然是从线性回归开始说起。在上一篇文章，只是简单说了一下神经网络，却没有详细说神经网络的本质。在本文，作者将为大家详细说说，神经网络的全貌。

## 二、线性回归 ##

### 2.1、直线方程 ###

如果说线性回归很多读者没有听过的话，那么我相信你应该听过直线方程。在中学的学习中，我们通常会用下面的方程表示一根直线：  
 y = k x + b y = kx + b y=kx\+b  
其实线性回归也是这么一个简单的方程，或者说函数。我们现在回到初中，来解决下面这个问题。

> 直线l经过点A（1, 4），和点B（3， 7），求直线l的方程。

这个问题很简单，我们只需要将A、B点带入`y = kx + b`就可以得到下面方程组：  
 \{ 4 = k + b 7 = 3 k + b \\begin\{cases\} 4 = k + b \\\\ 7 = 3k + b \\end\{cases\} \{ 4=k\+b7=3k\+b  
由上面的方程组，我们可以解出：  
 \{ k = 1.5 b = 2.5 \\begin\{cases\} k = 1.5 \\\\ b = 2.5 \\end\{cases\} \{ k=1.5b=2.5

于是我们得到直线方程：  
 y = 1.5 x + 2.5 y = 1.5x + 2.5 y=1.5x\+2.5  
在我们得到直线方程后，我们对于任意给定的x，都能知道它对应的y。现在我们需要对问题进行调整。

### 2.2、线性回归 ###

现在我们有下面这组数据：

(1, 12)
    (2, 16)
    (3, 22)
    (4, 26)
    (5, 29)
    (6, 33)
    (7, 37)
    (8, 41)
    (9, 45)
    (10, 48)

我们还是假设上面的点都在一条直线上，这时候我们先取点`(1,12)`和点`(4,26)`，我们可以算出直线方程为如下：  
 y = 14 3 x + 22 3 y = \\frac\{14\}\{3\}x + \\frac\{22\}\{3\} y=314x\+322  
现在我们再选取点`(2,16)`和点`(6,33)`，我们可以计算出下面的直线方程：  
 y = 17 4 x + 15 2 y = \\frac\{17\}\{4\}x + \\frac\{15\}\{2\} y=417x\+215  
由此可以看到这四个点并不在同一条直线上。但是对比斜率和截距又发现，两者很相近。所以我们可以找一条折中的直线来拟合所有的点。

我们从数据中，找到这条最优（较优）的直线的过程就叫做线性回归。

## 三、非线性的问题 ##

### 3.1、分段函数 ###

在前面，我们讨论的数据都是从一条直线中产生的。但是有时候我们的数据的分布可能并没有那么简单，我们的数据分布可能更接近一个分段函数，比如下面的图片：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1phY2tTb2Nr_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

这个时候用线性方程就表示不了我们数据的分布。那我们要怎么表示上面的方程呢？

我们可以把上面的函数看出是一系列**特殊函数**的相加，这个特殊函数的图像如下：

![在这里插入图片描述][20210529134919672.jpg_pic_center]

从图像可以看出，这个函数只在某一个范围内有斜率。在范围左侧的值为0，当超出范围右侧后值不再改变。我们可以通过调整这个函数的斜率以及斜率生效的范围，来得到各式各样的函数，比如下面几个：

![在这里插入图片描述][20210528233711265.jpg_pic_center]

函数1到4都是都是通过调节特殊函数的斜率以及斜率生效范围生成的。只有第一个函数比较特别，它的斜率生效范围为空。

那么我们怎么用这些特殊函数组成一个分段函数呢？其实只要你仔细观察，就会发现把这四个函数相加就是我们最开始的分段函数。如下图，这里为了方便观看将特殊函数移动了位置。

![在这里插入图片描述][20210529000749824.jpg_pic_center]

现在我们可以把上面的函数简写成：  
 y = f 1 ( x ) + f 2 ( x ) + f 3 ( x ) + f 4 ( x ) y = f1(x) + f2(x) + f3(x) + f4(x) y=f1(x)\+f2(x)\+f3(x)\+f4(x)  
为了更直观看到效果。下面我们用程序来合成一下这个分段函数。

### 3.2、合成分段函数 ###

我们先编写一个创建特殊函数的函数，代码如下：

def create_special(x, start, end, k):
        f = []
        temp = 0
        for i in x:
            # 当小于起始值函数值为0
            if i <= start:
                f.append(0)
            # 当在一定范围，为一个截距为0，斜率为k的直线
            elif start < i <= end:
                # 这里start不为0，所以我们需要减去它，保证函数截距为0，然后乘k
                f.append((i - start) * k)
                # 记录最后的值
                temp = (i - start) * k
            # 当超出范围则值保持不变
            else:
                f.append(temp)
        return np.array(f)

我们来用上面的函数绘制几个图像：

import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt
    
    
    def create_special(x, start, end, k):
        pass
    
    
    if __name__ == '__main__':
        x = np.linspace(0, 20, 200)
        y1 = create_special(x, 10, 20, 2)
        y2 = create_special(x, 5, 10, 3)
        y3 = create_special(x, 0, 15, -4)
        y4 = create_special(x, 0, 12, 1)
        plt.subplot(221)
        plt.plot(x, y1)
        plt.title("k = 2")
        plt.subplot(222)
        plt.plot(x, y2)
        plt.title("k = 3")
        plt.subplot(223)
        plt.plot(x, y3)
        plt.title("k = -4")
        plt.subplot(224)
        plt.plot(x, y4)
        plt.title("k = 1")
        plt.show()

绘制的图像如下：

![在这里插入图片描述][20210529154030333.png_pic_center]

可以看到，生成了我们想要的特殊函数。于是我们就可以用这些特殊函数来拟合一些分段函数，下面是其中一个例子：

import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt
    
    
    def create_special(x, start, end, k):
        pass
    
    
    if __name__ == '__main__':
        x = np.linspace(0, 20, 200)
        y1 = create_special(x, 0, 10, 2)
        y2 = create_special(x, 10, 15, -3)
        y3 = create_special(x, 15, 20, 1)
        y = 3 + y1 + y2 + y3
        plt.plot(x, y, c='r')
        plt.show()

我们生成的图像如下：

![在这里插入图片描述][20210529154501932.png_pic_center]

我们只要合适的特殊函数就能拟合所有的分段函数。

### 3.3、连续函数 ###

在上面我们讨论的是分段函数，但是生活中有许多情况我们的数据是有一个连续函数产生的。比如我们的数据分布情况可能如下图：

![在这里插入图片描述][2021052915564690.png_pic_center]

这个时候我们要怎么用特殊函数表示呢？

其实这个也非常简单，我们只需要把连续的函数拆分成一个分成很多断的分段函数即可，我们可以拆分成如下图：

![在这里插入图片描述][20210529160019771.jpg_pic_center]

当我们分得足够细时，这个分段函数就可以很好的拟合连续函数。现在我们把连续函数转换成了分段函数，接下来又可以用特殊函数来组合成我们的分段函数。这样我们就可以通过特殊函数实现连续函数的拟合。

## 四、神经网络 ##

### 4.1、激活函数 ###

接下来我们来看一个特殊的函数，它的数学式如下：  
 y = c 1 1 + e − ( b + w x ) y = c\\frac\{1\}\{1 + e^\{-(b + wx)\}\} y=c1\+e−(b\+wx)1  
其中`c、b、w`是三个参数。我们来看看`c=1，b=0，w=1`时的图像：

![在这里插入图片描述][20210530194618545.png_pic_center]

从样子上来看，和我们前面说的特殊函数很像。其实这个就是鼎鼎大名的**sigmoid**函数，使用特殊函数能完成的事情，sigmoid也是可以完成的。我们可以尝试使用不同的参数对比一下：

![在这里插入图片描述][20210530200847944.png_pic_center]

当我们调节k值时，sigmoid函数的斜率（如果近似看出特殊函数）在变换。调节b时，函数在左右移动。调节c时，函数在上下波动。

因此我们只需要调节这几个参数，就可以构造任意的特殊函数，也就能拟合任意的函数。

### 4.2、神经网络 ###

我们有了sigmoid函数后，我们的一元复合函数就可以写成：  
 y = s i g m o i d 1 ( x ) + s i g m o i d 2 ( x ) + ⋅ ⋅ ⋅ + s i g m o i d n ( x ) y = sigmoid\_1(x) + sigmoid\_2(x) +···+sigmoid\_n(x) y=sigmoid1(x)\+sigmoid2(x)\+⋅⋅⋅\+sigmoidn(x)  
其中下标用来区分sigmoid的不同参数。我们用图示来表示上面的函数：

![在这里插入图片描述][20210530202404848.jpg_pic_center]

我们将x作为输入，然后经过数个sigmoid函数，然后相加后输入y。从图可以看出，其实我们的sigmoid函数就是常说的神经元，而一个由sigmoid函数复合而成的复合函数就是一层网络。

下面我们来看多元的情况，多元复合函数形式如下：  
 y = ∑ i = 1 n ∑ j = 1 n s i g m o i d i ( x j ) y = \\sum\_\{i=1\}^n\\sum\_\{j=1\}^nsigmoid\_i(x\_j) y=i=1∑nj=1∑nsigmoidi(xj)  
多元复合函数的图示如下：

![在这里插入图片描述][20210530203302446.jpg_pic_center]

这幅图就是我们常说的全连接神经网络，不过这个神经网络只有一层。这下，我们就揭开了单层神经网络的面纱了。理论上来讲，只要我们有足够多的神经元，我们就可以拟合任何复杂的函数。但是实际情况却又很多问题。

现在我们都知道，现在优秀的网络通常都不是单层的。这部分原因，下次为大家解答。感谢阅读~

[Python]: https://blog.csdn.net/ZackSock/article/details/115292795?spm=1001.2014.3001.5501
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1phY2tTb2Nr_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221014/98798af4ddf14dcd9486f1222064c5b8.png
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