1.3）深度学习笔记------浅层神经网络

1）Neural Network Overview

2）Neural Network Representation

3）Computing a Neural Network’s Output（重点）

4）Vectorizing across multiple examples

5）Activation functions

6）Why need a nonlinear activation function

7）Derivatives of activation functions

8）Gradient descent for neural networks（重点）

9）Backpropagation intuition(选修)（掌握）

10）Random Initialization

11）Summary

以下笔记是吴恩达老师深度学习课程第一门课第三周的的学习笔记：Shallow neural networks。笔记参考了黄海广博士的内容，在此表示感谢。

1）Neural Network Overview

本周我们开始学习如何实现一个神经网络。现在我们开始快速浏览一下如何实现神经网络，上周我们讨论了逻辑回归。神经网络的结构与逻辑回归类似，神经网络可以看作是多个sigmoid单元堆叠而成。下图中上方为单个sigmoid单元，而另一个就是神经网络了。在这个神经网络里首先对应的3个节点，计算第一层网络中各个节点的输出 $z^{[1]}$ ，紧接着计算 $a^{[1]}$ ，位于第二层的节点计算 $z^{[2]}$ 和 $a^{[2]}$ 。整个过程如下：

第一层：输入层到隐藏层

$z^{[1]} = (w^{[1]})^Tx+b^{[1]}$

$a^{[1]} = \sigma(z^{[1]})$

第一层：隐藏层到输出层

$z^{[2]} = (w^{[2]})^Ta^{[1]}+b^{[2]}$

$a^{[2]} = \sigma(z^{[2]})$

在这里，我们规定方括号上标 [i] 表示当前所处的层数。

2）Neural Network Representation

我们再来看看我们上一小节中的二层神经网络图片(一般规定输入层为零层)，下图中的神经网络包含一个隐藏层。输入特征被称作神经网络的输入层（the input layer）。神经网络的隐藏层（a hidden layer）“隐藏”的含义是在训练集中，这些中间节点的真正数值是无法看到的。输出层（the output layer）负责输出预测值。

在写法上，我们通常把输入特征记为 $a^{[0]}$ ，隐藏层记为 $a^{[1]}$ ，隐藏层包含四个节点，从上往下，下标依次递增。隐藏层写成矩阵向量形式为：

最后，输出层为 $a^{[2]}$ 。隐藏层和输出层都是带有参数 W 和 b 的。它们都使用上标[1]来表示是和第一个隐藏层有关，或者上标[2]来表示是和输出层有关。

3）Computing a Neural Network’s Output（重点）

介绍完神经网络的表示，现在我们来推导神经网络的推导过程，我们就把两层神经网络看作是两次计算逻辑回归。逻辑回归计算分为两个部分，分别计算 z 和 a。

回到两层的神经网络，我们从隐藏层的第一个神经元开始计算，如上图第一个最上面的箭头所指。从上图可以看出，输入与逻辑回归相似，这个神经元的计算与逻辑回归一样分为两步，小圆圈代表了计算的两个步骤。

第一步，计算 $z^{[1]}_1 = w^{[1]T}_1x + b^{[1]}_1$ 。
第二步，通过激活函数计算 $a^{[1]}_1 = \sigma(z^{[1]}_1)$ 。

隐藏层的第二个以及后面两个神经元的计算过程一样，只是注意符号表示不同，最终分别得到 $a^{[1]}_2 ,a^{[1]}_3,a^{[1]}_4$ ，详细结果见下:

$z^{[1]}_1 = w^{[1]T}_1x + b^{[1]}_1, a^{[1]}_1 = \sigma(z^{[1]}_1)$

$z^{[1]}_2 = w^{[1]T}_2x + b^{[1]}_2, a^{[1]}_2 = \sigma(z^{[1]}_2)$

$z^{[1]}_3 = w^{[1]T}_3x + b^{[1]}_3, a^{[1]}_3 = \sigma(z^{[1]}_3)$

$z^{[1]}_4 = w^{[1]T}_4x + b^{[1]}_4, a^{[1]}_4 = \sigma(z^{[1]}_4)$

从隐藏层到输出层的计算公式为：

$z^{[2]} = w^{[2]T}a^{[1]} + b^{[2]}, a^{[2]} = \sigma(z^{[2]})$

其中 $a^{[1]}$ 为：

值得注意的是层与层之间参数矩阵的规格大小。

输入层和隐藏层之间： ${(w^{[1]})}^T$ 的 shape 为(4,3)，前面的 4 是隐藏层神经元的个数，后面的 3 是输入层神经元的个数； $b^{[1]}$ 的 shape 为(4,1)，和隐藏层的神经元个数相同。
隐藏层和输出层之间： ${(w^{[2]})}^T$ 的 shape 为(1,4)，前面的 1 是输出层神经元的个数，后面的 4 是隐藏层神经元的个数； $b^{[2]}$ 的 shape 为(1,1)，和输出层的神经元个数相同。

为了提高程序运算速度，我们引入向量化和矩阵运算的思想，将上述表达式转换成矩阵运算的形式：

4）Vectorizing across multiple examples

上一部分我们只是介绍了单个样本的神经网络正向传播的运算过程。而对于m个训练样本，我们也可以使用矩阵相乘的形式来提高计算效率。而且它的形式与上一部分单个样本的矩阵运算十分相似，比较简单。先来看使用for循环计算多个样本输出：

上图中，我们使用for循环计算了神经网络的输出，现在我们把上面的for循环写成矩阵运算的形式：

$Z^{[1]} = W^{[1]}X+b^{[1]}$

$A^{[1]}=\sigma(Z^{[1]})$

$Z^{[2]}=W^{[2]}A^{[1]}+b^{[2]}$

$A^{[2]}=\sigma(Z^{[2]})$

从水平上看，矩阵A代表了各个训练样本。从竖直上看，矩阵A的不同的索引对应于不同的隐藏单元。对于矩阵Z，X情况也类似，水平方向上，对应于不同的训练样本；竖直方向上，对应不同的输入特征，而这就是神经网络输入层中各个节点。神经网络上通过在多样本情况下的向量化来使用这些等式。

5）Activation functions

之前我们都是选用 sigmoid 函数作为激活函数，但有时其他函数的效果会好得多。下面我们来总结深度学习中常见的激活函数：

sigmoid函数：对出输出层的激活函数，因为二分类取值范围在（0,1）,一般会选择sgmoid函数。

tanh函数：效果几乎总比 sigmoid 函数好（除二元分类的输出层，因为我们希望输出的结果介于 0 到 1 之间），因为函数输出介于 -1 和 1 之间，激活函数的平均值就更接近 0，有类似数据中心化的效果。

然而，tanh 函数存在和 sigmoid 函数一样的缺点：当 z 趋紧无穷大（或无穷小），导数的梯度（即函数的斜率）就趋紧于 0，这使得梯度算法的速度大大减缓。

ReLU函数：当 z > 0 时，梯度始终为 1，从而提高神经网络基于梯度算法的运算速度，收敛速度远大于 sigmoid 和 tanh。然而当 z < 0 时，梯度一直为 0，但是实际的运用中，该缺陷的影响不是很大。

Leaky ReLU函数：Leaky ReLU 保证在 z < 0 的时候，梯度仍然不为 0。理论上来说，Leaky ReLU 有 ReLU 的所有优点，但在实际操作中没有证明总是好于 ReLU，因此不常用。

6）Why need a nonlinear activation function

为什么神经网络需要非线性激活函数？事实证明：要让你的神经网络能够计算出有趣的函数，你必须使用非线性激活函数。

假设所有的激活函数都是线性的，为了简化计算，我们直接令激活函数g(z)=z，即a=z。那么，浅层神经网络的各层输出为：

$z^{[1]} = (w^{[1]})^Tx+b^{[1]}$

$a^{[1]} =z^{[1]}$

$z^{[2]} = (w^{[2]})^Ta^{[1]}+b^{[2]}$

$a^{[2]} = z^{[2]}$

对上式化简得：

$a^{[2]} = z^{[2]} = W^{[2]}(W^{[1]}x + b^{[1]}) + b^{[2]}=W^{[2]}W^{[1]}x + W^{[2]}b^{[1]} + b^{[2]}=W^{'}x + b^{'}$

输出仍是输出x的线性组合，使用线性函数作为激活函数，最终的输出仍然是输入x的线性模型。

7）Derivatives of activation functions

在梯度下降反向计算过程中少不了计算激活函数的导数。

我们先来看一下sigmoid函数的导数：

$g(z) = \frac{1}{1+e^{-z}},g\prime(z)=\frac{dg(z)}{dz} = \frac{1}{1+e^{-z}}(1-\frac{1}{1+e^{-z}})=g(z)(1-g(z))$

tanh函数的导数：

$g(z) = tanh(z) = \frac{e^{z} - e^{-z}}{e^{z} + e^{-z}}$

$\frac{d}{{d}z}g(z) = 1 - (tanh(z))^{2}$

ReLU函数的导数：

$g(z) = max(0, z)$

Leaky ReLU函数导数：

8）Gradient descent for neural networks（重点）

现在我们来看卡在神经网络中如何计算梯度。还是我们前面提到的二层神经网络，你的单隐层神经网络会有 $W^{[1]}$ ， $b^{[1]}$ ， $W^{[2]}$ ， $b^{[2]}$ 这些参数，还有个 $n_x$ 表示输入特征的个数， $n^{[1]}$ 表示隐藏单元个数， $n^{[2]}$ 表示输出单元个数。

二层神经网络的正向传播过程为：

$Z^{[1]} = W^{[1]}X+b^{[1]}$

$A^{[1]}=\sigma(Z^{[1]})$

$Z^{[2]}=W^{[2]}A^{[1]}+b^{[2]}$

$A^{[2]}=\sigma(Z^{[2]})$

反向传播是计算梯度的过程，这里我们直接给出损失函数对各个参数的梯度：左边是梯度下降公式，右边是其向量化代码。

9）Backpropagation intuition(选修)（掌握）

这一节虽然是选修内容，但还是希望大家掌握，当然不理解也不要紧。

我们仍然使用计算图的方式来推导神经网络反向传播过程。记得之前介绍逻辑回归时，我们就引入了计算图来推导正向传播和反向传播，其过程如下图所示：

由于多了一个隐藏层，神经网络的计算图要比逻辑回归的复杂一些，如下图所示。对于单个训练样本，正向过程很容易，反向过程可以根据梯度计算方法逐一推导。

10）Random Initialization

如果在初始时将两个隐藏神经元的参数设置为相同的大小，那么两个隐藏神经元对输出单元的影响也是相同的，通过反向梯度下降去进行计算的时候，会得到同样的梯度大小，所以在经过多次迭代后，两个隐藏层单位仍然是对称的。无论设置多少个隐藏单元，其最终的影响都是相同的，那么多个隐藏神经元就没有了意义。

在初始化的时候，W 参数要进行随机初始化，不可以设置为 0。而 b 因为不存在对称性的问题，可以设置为 0。

以 2 个输入，2 个隐藏神经元为例：

W = np.random.rand(2,2)* 0.01
b = np.zeros((2,1))

这里将 W 的值乘以 0.01（或者其他的常数值）的原因是为了使得权重 W 初始化为较小的值，这是因为使用 sigmoid 函数或者 tanh 函数作为激活函数时，W 比较小，则 Z所得的值趋近于 0，梯度较大，能够提高算法的更新速度。而如果 W 设置的太大的话，得到的梯度较小，训练过程因此会变得很慢。

ReLU 和 Leaky ReLU 作为激活函数时不存在这种问题，因为在大于 0 的时候，梯度均为 1。

11）Summary

本节课主要介绍了浅层神经网络。

首先，我们简单概述了神经网络的结构：包括输入层，隐藏层和输出层；
然后，我们以计算图的方式推导了神经网络的正向传播，并以向量化的形式归纳出来；
接着，介绍了不同的激活函数并做了比较，实际应用中根据不同需要选择合适的激活函数。激活函数必须是非线性的；
然后，我们重点介绍了神经网络的反向传播过程以及各个参数的导数推导；
最后，介绍了权重随机初始化的重要性，必须对权重W进行随机初始化操作。

下面我们就要进行深层神经网络的学习了。