神经网络从原理到实现

1. 简单介绍

在机器学习和认知科学领域,人工神经网络(artificial neural network,缩写ANN),简称神经网络(neural network,缩写NN)或类神经网络,是一种模仿生物神经网络(动物的中枢神经系统,特别是大脑)的结构和功能的数学模型或计算模型,用于对函数进行估计或近似。神经网络由大量的人工神经元联结进行计算。大多数情况下人工神经网络能在外界信息的基础上改变内部结构,是一种自适应系统。现代神经网络是一种非线性统计性数据建模工具。典型的神经网络具有以下三个部分:

结构 (Architecture) 结构指定了网络中的变量和它们的拓扑关系。例如,神经网络中的变量可以是神经元连接的权重(weights)和神经元的激励值(activities of the neurons)。

激励函数(Activity Rule) 大部分神经网络模型具有一个短时间尺度的动力学规则,来定义神经元如何根据其他神经元的活动来改变自己的激励值。一般激励函数依赖于网络中的权重(即该网络的参数)。

学习规则(Learning Rule)学习规则指定了网络中的权重如何随着时间推进而调整。这一般被看做是一种长时间尺度的动力学规则。一般情况下,学习规则依赖于神经元的激励值。它也可能依赖于监督者提供的目标值和当前权重的值。

2. 初识神经网络

如上文所说,神经网络主要包括三个部分:结构、激励函数、学习规则。图1是一个三层的神经网络,输入层有d个节点,隐层有q个节点,输出层有l个节点。除了输入层,每一层的节点都包含一个非线性变换。

神经网络从原理到实现
图1

那么为什么要进行非线性变换呢?

(1)如果只进行线性变换,那么即使是多层的神经网络,依然只有一层的效果。类似于0.6*(0.2x1+0.3x2)=0.12x1+0.18x2。
(2)进行非线性变化,可以使得神经网络可以拟合任意一个函数,图2是一个四层网络的图。

神经网络从原理到实现
图2

下面使用数学公式描述每一个神经元工作的方式
(1)输出x
(2)计算z=w*x
(3)输出new_x = f(z),这里的f是一个函数,可以是sigmoid、tanh、relu等,f就是上文所说到的激励函数。

3. 反向传播(bp)算法

有了上面的网络结构和激励函数之后,这个网络是如何学习参数(学习规则)的呢?

首先我们先定义下本文使用的激活函数、目标函数

(1)激活函数(sigmoid):神经网络从原理到实现

def sigmoid(z):
    return 1.0/(1.0+np.exp(-z))

sigmoid函数有一个十分重要的性质:神经网络从原理到实现,即计算导数十分方便。

def sigmoid_prime(z):
    return sigmoid(z)*(1-sigmoid(z))

下面给出一个简单的证明:神经网络从原理到实现

(2)目标函数(差的平方和)神经网络从原理到实现,公式中的1/2是为了计算导数方便。

然后,这个网络是如何运作的

(1)数据从输入层到输出层,经过各种非线性变换的过程即前向传播。

def feedforward(self, a):
    for b, w in zip(self.biases, self.weights):
        a = sigmoid(np.dot(w, a)+b)
    return a

其中,初始的权重(w)和偏置(b)是随机赋值的

biases = [np.random.randn(y, 1) for y in sizes[1:]]
weights = [np.random.randn(y, x) for x, y in zip(sizes[:-1], sizes[1:])]

2)参数更新,即反向传播

在写代码之前,先进行推导,即利用梯度下降更新参数,以上面的网络结构(图1)为例

(1)输出层与隐层之间的参数更新

神经网络从原理到实现

(2)隐层与输入层之间的参数更新
神经网络从原理到实现

有两点需要强调下:
  •   (2)中的结果比(1)中的结果多了一个求和公式,这是因为计算隐层与输入层之间的参数时,输出层与隐层的每一个节点都有影响。
  •   (2)中参数更新的结果可以复用(1)中的参数更新结果,从某种程度上,与反向传播这个算法名称不谋而合,不得不惊叹。

def backprop(self, x, y):
    """返回一个元组(nabla_b, nabla_w)代表目标函数的梯度."""
    nabla_b = [np.zeros(b.shape) for b in self.biases]
    nabla_w = [np.zeros(w.shape) for w in self.weights]
    # feedforward
    activation = x
    activations = [x] # list to store all the activations, layer by layer
    zs = [] # list to store all the z vectors, layer by layer
    for b, w in zip(self.biases, self.weights):
        z = np.dot(w, activation)+b
        zs.append(z)
        activation = sigmoid(z)
        activations.append(activation)
    # backward pass
    delta = self.cost_derivative(activations[-1], y) * \
        sigmoid_prime(zs[-1])
    nabla_b[-1] = delta
    nabla_w[-1] = np.dot(delta, activations[-2].transpose())
    """l = 1 表示最后一层神经元,l = 2 是倒数第二层神经元, 依此类推."""
    for l in xrange(2, self.num_layers):
        z = zs[-l]
        sp = sigmoid_prime(z)
        delta = np.dot(self.weights[-l+1].transpose(), delta) * sp
        nabla_b[-l] = delta
        nabla_w[-l] = np.dot(delta, activations[-l-1].transpose())
    return (nabla_b, nabla_w)

4. 完整代码实现

# -*- coding: utf-8 -*-

import random
import numpy as np

class Network(object):

    def __init__(self, sizes):
    """参数sizes表示每一层神经元的个数,如[2,3,1],表示第一层有2个神经元,第二层有3个神经元,第三层有1个神经元."""
        self.num_layers = len(sizes)
        self.sizes = sizes
        self.biases = [np.random.randn(y, 1) for y in sizes[1:]]
        self.weights = [np.random.randn(y, x)
                        for x, y in zip(sizes[:-1], sizes[1:])]

    def feedforward(self, a):
        """前向传播"""
        for b, w in zip(self.biases, self.weights):
            a = sigmoid(np.dot(w, a)+b)
        return a

    def SGD(self, training_data, epochs, mini_batch_size, eta,
            test_data=None):
        """随机梯度下降"""
        if test_data: 
            n_test = len(test_data)
        n = len(training_data)
        for j in xrange(epochs):
            random.shuffle(training_data)
            mini_batches = [
                training_data[k:k+mini_batch_size]
                for k in xrange(0, n, mini_batch_size)]
            for mini_batch in mini_batches:
                self.update_mini_batch(mini_batch, eta)
            if test_data:
                print "Epoch {0}: {1} / {2}".format(j, self.evaluate(test_data), n_test)
            else:
                print "Epoch {0} complete".format(j)

    def update_mini_batch(self, mini_batch, eta):
        """使用后向传播算法进行参数更新.mini_batch是一个元组(x, y)的列表、eta是学习速率"""
        nabla_b = [np.zeros(b.shape) for b in self.biases]
        nabla_w = [np.zeros(w.shape) for w in self.weights]
        for x, y in mini_batch:
            delta_nabla_b, delta_nabla_w = self.backprop(x, y)
            nabla_b = [nb+dnb for nb, dnb in zip(nabla_b, delta_nabla_b)]
            nabla_w = [nw+dnw for nw, dnw in zip(nabla_w, delta_nabla_w)]
        self.weights = [w-(eta/len(mini_batch))*nw
                        for w, nw in zip(self.weights, nabla_w)]
        self.biases = [b-(eta/len(mini_batch))*nb
                       for b, nb in zip(self.biases, nabla_b)]

    def backprop(self, x, y):
        """返回一个元组(nabla_b, nabla_w)代表目标函数的梯度."""
        nabla_b = [np.zeros(b.shape) for b in self.biases]
        nabla_w = [np.zeros(w.shape) for w in self.weights]
        # 前向传播
        activation = x
        activations = [x] # list to store all the activations, layer by layer
        zs = [] # list to store all the z vectors, layer by layer
        for b, w in zip(self.biases, self.weights):
            z = np.dot(w, activation)+b
            zs.append(z)
            activation = sigmoid(z)
            activations.append(activation)
        # backward pass
        delta = self.cost_derivative(activations[-1], y) * sigmoid_prime(zs[-1])
        nabla_b[-1] = delta
        nabla_w[-1] = np.dot(delta, activations[-2].transpose())
        """l = 1 表示最后一层神经元,l = 2 是倒数第二层神经元, 依此类推."""
        for l in xrange(2, self.num_layers):
            z = zs[-l]
            sp = sigmoid_prime(z)
            delta = np.dot(self.weights[-l+1].transpose(), delta) * sp
            nabla_b[-l] = delta
            nabla_w[-l] = np.dot(delta, activations[-l-1].transpose())
        return (nabla_b, nabla_w)

    def evaluate(self, test_data):
        """返回分类正确的个数"""
        test_results = [(np.argmax(self.feedforward(x)), y) for (x, y) in test_data]
        return sum(int(x == y) for (x, y) in test_results)

    def cost_derivative(self, output_activations, y):
        return (output_activations-y)

def sigmoid(z):
    return 1.0/(1.0+np.exp(-z))

def sigmoid_prime(z):
    """sigmoid函数的导数"""
    return sigmoid(z)*(1-sigmoid(z))

5. 简单应用

# -*- coding: utf-8 -*-

from network import *

def vectorized_result(j,nclass):
    """离散数据进行one-hot"""
    e = np.zeros((nclass, 1))
    e[j] = 1.0
    return e

def get_format_data(X,y,isTest):
    ndim = X.shape[1]
    nclass = len(np.unique(y))
    inputs = [np.reshape(x, (ndim, 1)) for x in X]
    if not isTest:
        results = [vectorized_result(y,nclass) for y in y]
    else:
        results = y
    data = zip(inputs, results)
    return data

#随机生成数据
from sklearn.datasets import *
np.random.seed(0)
X, y = make_moons(200, noise=0.20)
ndim = X.shape[1]
nclass = len(np.unique(y))

#划分训练、测试集
from sklearn.cross_validation import train_test_split
train_x,test_x,train_y,test_y = train_test_split(X,y,test_size=0.2,random_state=0)

training_data = get_format_data(train_x,train_y,False)
test_data = get_format_data(test_x,test_y,True)

net = Network(sizes=[ndim,10,nclass])
net.SGD(training_data=training_data,epochs=5,mini_batch_size=10,eta=0.1,test_data=test_data)

参考文献
(1)周志华《机器学习》
(2)https://github.com/mnielsen/neural-networks-and-deep-learning
(3)https://zhuanlan.zhihu.com/p/21525237

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