如何理解神經網路

A. 人工智慧時代，神經網路的原理及使用方法 | 微課堂

人工智慧時代已經悄然來臨，在計算機技術高速發展的未來，機器是否能代替人腦？也許有些讀者會說，永遠不可能，因為人腦的思考包含感性邏輯。事實上，神經網路演算法正是在模仿人腦的思考方式。想不想知道神經網路是如何「思考」的呢？下面我向大家簡單介紹一下神經網路的原理及使用方法。

所謂人工智慧，就是讓機器具備人的思維和意識。人工智慧主要有三個學派——行為主義、符號主義和連接主義。

行為主義是基於控制論，是在構建感知動作的控制系統。理解行為主義有個很好的例子，就是讓機器人單腳站立，通過感知要摔倒的方向控制兩只手的動作，保持身體的平衡，這就構建了一個感知動作控制系統。

符號主義是基於算數邏輯和表達式。求解問題時，先把問題描述為表達式，再求解表達式。如果你在求解某個問題時，可以用if case這樣的條件語句，和若干計算公式描述出來，這就使用了符號主義的方法，比如「專家系統」。符號主義可以認為是用公式描述的人工智慧，它讓計算機具備了理性思維。但是人類不僅具備理性思維，還具備無法用公式描述的感性思維。比如，如果你看過這篇推送，下回再見到「符號主義」幾個字，你會覺得眼熟，會想到這是人工智慧相關的知識，這是人的直覺，是感性的。

連接主義就是在模擬人的這種感性思維，是在仿造人腦內的神經元連接關系。這張圖給出了人腦中的一根神經元，左側是神經元的輸入，「軸突」部分是神經元的輸出。人腦就是由860億個這樣的神經元首尾相接組成的網路。

神經網路可以讓計算機具備感性思維。我們首先理解一下基於連接主義的神經網路設計過程。這張圖給出了人類從出生到24個月神經網路的變化：

隨著我們的成長，大量的數據通過視覺、聽覺湧入大腦，使我們的神經網路連接，也就是這些神經元連線上的權重發生了變化，有些線上的權重增強了，有些線上的權重減弱了。

我們要用計算機仿出這些神經網路連接關系，讓計算機具備感性思維。

首先需要准備數據，數據量越大越好，以構成特徵和標簽對。如果想識別貓，就要有大量貓的圖片和這張圖片是貓的標簽構成特徵標簽對，然後搭建神經網路的網路結構，再通過反向傳播優化連接的權重，直到模型的識別准確率達到要求，得到最優的連線權重，把這個模型保存起來。最後用保存的模型輸入從未見過的新數據，它會通過前向傳播輸出概率值，概率值最大的一個就是分類和預測的結果。

我們舉個例子來感受一下神經網路的設計過程。鳶尾花可以分為三類：狗尾鳶尾、雜色鳶尾和佛吉尼亞鳶尾。我們拿出一張圖，需要讓計算機判斷這是哪類鳶尾花。人們通過經驗總結出了規律：通過測量花的花萼長、花萼寬、花瓣長、花瓣寬分辨出鳶尾花的類別，比如花萼長>花萼寬，並且花瓣長/花瓣寬>2，則可以判定為這是第一種，雜色鳶尾。看到這里，也許有些讀者已經想到用if、case這樣的條件語句來實現鳶尾花的分類。沒錯，條件語句根據這些信息可以判斷鳶尾花分類，這是一個非常典型的專家系統，這個過程是理性計算。只要有了這些數據，就可以通過條件判定公式計算出是哪類鳶尾花。但是我們發現鳶尾花的種植者在識別鳶尾花的時候並不需要這么理性的計算，因為他們見識了太多的鳶尾花，一看就知道是哪種，而且隨著經驗的增加，識別的准確率會提高。這就是直覺，是感性思維，也是我們這篇文章想要和大家分享的神經網路方法。

這種神經網路設計過程首先需要採集大量的花萼長、花萼寬、花瓣長、花瓣寬，和它們所對應的是哪種鳶尾花。花萼長、花萼寬、花瓣長、花瓣寬叫做輸入特徵，它們對應的分類叫做標簽。大量的輸入特徵和標簽對構建出數據集，再把這個數據集喂入搭建好的神經網路結構，網路通過反向傳播優化參數，得到模型。當有新的、從未見過的輸入特徵，送入神經網路時，神經網路會輸出識別的結果。

展望21世紀初，在近十年神經網路理論研究趨向的背景下，神經網路理論的主要前沿領域包括：

一、對智能和機器關系問題的認識進一步增長。

研究人類智力一直是科學發展中最有意義，也是空前困難的挑戰性問題。人腦是我們所知道的唯一智能系統，具有感知識別、學習、聯想、記憶、推理等智能。我們通過不斷 探索 人類智能的本質以及聯結機制，並用人工系統復現或部分復現，製造各種智能機器，這樣可使人類有更多的時間和機會從事更為復雜、更富創造性的工作。

神經網路是由大量處理單元組成的非線性、自適應、自組織系統，是在現代神經科學研究成果的基礎上提出的，試圖模擬神經網路加工、記憶信息的方式，設計一種新的機器，使之具有人腦風格的信息處理能力。智能理論所面對的課題來自「環境——問題——目的」，有極大的誘惑力與壓力，它的發展方向將是把基於連接主義的神經網路理論、基於符號主義的人工智慧專家系統理論和基於進化論的人工生命這三大研究領域，在共同追求的總目標下，自發而有機地結合起來。

二、神經計算和進化計算的重大發展。

計算和演算法是人類自古以來十分重視的研究領域，本世紀30年代，符號邏輯方面的研究非常活躍。近年來，神經計算和進化計算領域很活躍，有新的發展動向，在從系統層次向細胞層次轉化里，正在建立數學理論基礎。隨著人們不斷 探索 新的計算和演算法，將推動計算理論向計算智能化方向發展，在21世紀人類將全面進入信息 社會 ，對信息的獲取、處理和傳輸問題，對網路路由優化問題，對數據安全和保密問題等等將有新的要求，這些將成為 社會 運行的首要任務。因此，神經計算和進化計算與高速信息網路理論聯系將更加密切，並在計算機網路領域中發揮巨大的作用，例如大范圍計算機網路的自組織功能實現就要進行進化計算。

人類的思維方式正在轉變，從線性思維轉到非線性思維神經元，神經網路都有非線性、非局域性、非定常性、非凸性和混沌等特性。我們在計算智能的層次上研究非線性動力系統、混沌神經網路以及對神經網路的數理研究，進一步研究自適應性子波、非線性神經場的興奮模式、神經集團的宏觀力學等。因為，非線性問題的研究是神經網路理論發展的一個最大動力，也是它面臨的最大挑戰。

以上就是有關神經網路的相關內容，希望能為讀者帶來幫助。

以上內容由蘇州空天信息研究院謝雨宏提供。

B. 神經網路具體是什麼

神經網路由大量的神經元相互連接而成。每個神經元接受線性組合的輸入後，最開始只是簡單的線性加權，後來給每個神經元加上了非線性的激活函數，從而進行非線性變換後輸出。每兩個神經元之間的連接代表加權值，稱之為權重（weight）。不同的權重和激活函數，則會導致神經網路不同的輸出。 舉個手寫識別的例子，給定一個未知數字，讓神經網路識別是什麼數字。此時的神經網路的輸入由一組被輸入圖像的像素所激活的輸入神經元所定義。在通過非線性激活函數進行非線性變換後，神經元被激活然後被傳遞到其他神經元。重復這一過程，直到最後一個輸出神經元被激活。從而識別當前數字是什麼字。 神經網路的每個神經元如下

基本wx + b的形式，其中 x1、x2表示輸入向量 w1、w2為權重，幾個輸入則意味著有幾個權重，即每個輸入都被賦予一個權重 b為偏置bias g(z) 為激活函數 a 為輸出 如果只是上面這樣一說，估計以前沒接觸過的十有八九又必定迷糊了。事實上，上述簡單模型可以追溯到20世紀50/60年代的感知器，可以把感知器理解為一個根據不同因素、以及各個因素的重要性程度而做決策的模型。 舉個例子，這周末北京有一草莓音樂節，那去不去呢？決定你是否去有二個因素，這二個因素可以對應二個輸入，分別用x1、x2表示。此外，這二個因素對做決策的影響程度不一樣，各自的影響程度用權重w1、w2表示。一般來說，音樂節的演唱嘉賓會非常影響你去不去，唱得好的前提下 即便沒人陪同都可忍受，但如果唱得不好還不如你上台唱呢。所以，我們可以如下表示： x1：是否有喜歡的演唱嘉賓。x1 = 1 你喜歡這些嘉賓，x1 = 0 你不喜歡這些嘉賓。嘉賓因素的權重w1 = 7 x2：是否有人陪你同去。x2 = 1 有人陪你同去，x2 = 0 沒人陪你同去。是否有人陪同的權重w2 = 3。 這樣，咱們的決策模型便建立起來了：g(z) = g(w1x1 + w2x2 + b )，g表示激活函數，這里的b可以理解成 為更好達到目標而做調整的偏置項。 一開始為了簡單，人們把激活函數定義成一個線性函數，即對於結果做一個線性變化，比如一個簡單的線性激活函數是g(z) = z，輸出都是輸入的線性變換。後來實際應用中發現，線性激活函數太過局限，於是引入了非線性激活函數。

C. 第五章 神經網路

神經網路 ：神經網路是由具有適應性的簡單單元組成的廣泛並行互連的網路，它的組織能夠模擬生物神經系統對真實世界物體所作出的交互反應。
神經網路中最基本的成分便是 神經元模型 。
M-P神經元模型：

感知機由兩層神經元組成，分別為輸入層、輸出層。

以下是具體過程：

多層神經網路的拓撲結構如圖：

如上圖可知，多層網路由輸入層、隱含層和輸出層組成，頂層是輸出層，底層是輸入層，中間的便是隱含層。隱含層與輸出層都具有功能神經元。
多層前饋神經網路的結構需要滿足：
1、每層神經元必須與下一層完全互連
2、神經元之間不存在同層連接
3、神經元不可跨層連接

只需包含一個足夠多神經元的隱層，就能以任意精度逼近任意復雜度的連續函數

BP神經網路由於學習能力太強大比較榮譽造成過擬合問題，故有兩種策略來減緩過擬合的問題：
1、早停：將數據分成訓練集和驗證集，訓練集學習，驗證集評估性能，在訓練過程中，若訓練集的累積誤差降低，而驗證集的累積誤差提高，則終止訓練；
2、引入正則化：其基本思想是在誤差目標函數中增加一個用於描述網路復雜程度的部分，有如連接權和閾值的平方和：

其中λ∈（0,1）用於對累積經驗誤差與網路復雜度這兩項進行折中，常通過交叉驗證法來估計。

神經網路的訓練過程可看作一個參數尋優的過程，即尋找到適當的參數使得E最小。於是我們時常會談及「全局最小」和「局部最小」。
1、全局最小：即全局最小解，在參數空間中，所有其他點的誤差函數值均大於該點；
2、局部最小：即局部最小解，在參數空間中，其鄰近的點的誤差函數值均大於該點。

我們要達到局部極小點，很容易，只要滿足梯度為零的點便是了，局部極小點可以有多個，但全局最小點只有一個。顯然，我們追求的是全局最小，而非局部極小，於是人們通常採用以下策略來試圖「跳出」局部極小，使其接近全局最小：
1、以多組不同參數值初始化多個神經網路，按標准方法訓練，在迭代停止後，取其中誤差最小的解作為最終參數；
2、使用隨機梯度下降（在計算梯度時加入了隨機因素），使得在局部最小時，計算的梯度仍可能不為0，從而可能跳出局部極小，繼續進行迭代；
3、「模擬退火」技術，在每一步都以一定的概率接受比當前解更差的結果，但接受「次優解」的概率要隨著迭代進行，時間推移而逐漸減低以確保演算法的穩定。

1、RBF網路
單隱層前饋神經網路 ，使用徑向基函數作為隱層神經元激活函數，輸出層是對隱層神經元輸出的線性組合。RBF網路可表示為：

2、ART網路
競爭型學習 （神經網路中一種常用的 無監督學習 策略）,由 比較層、識別層、識別閾值和重置模塊 組成。接收到比較層的輸入信號後，識別層神經元相互競爭以產生獲勝神經元，最簡單的方式就是計算輸入向量與每個識別層神經元所對應的模式類代表向量間的距離，距離小者獲勝。若獲勝神經元對應的代表向量與輸入向量間 相似度大於識別閾值 ，則將輸入樣本歸為該代表向量所屬類別，網路 連接權 也會進行 更新 以保證後面接收到相似的輸入樣本時該模式類會計算出更大的相似度，使得這樣的樣本能夠歸於一類；如果 相似度不大於識別閾值 ，則 重置模塊 會在 識別層 加一個神經元，其 代表向量 就 設置 為當前 輸入向量 。
3、SOM網路
競爭型學習的無監督神經網路 ，將高維輸入數據映射到低維空間（通常是二維），且保持輸入數據在高維空間的拓撲結構。
4、級聯相關網路
結構自適應網路 。

5、Elman網路
遞歸神經網路 。

6、Boltzmann機
基於能量的模型，其神經元分為顯層與隱層，顯層用於數據輸入輸出，隱層被理解為數據的內在表達。其神經元皆為布爾型，1為激活，0為抑制。

理論上，參數越多的模型其復雜程度越高，能完成更加復雜的學習任務。但是復雜模型的訓練效率低下，容易過擬合。但由於大數據時代、雲計算，計算能力大幅提升緩解了訓練效率低下，而訓練數據的增加則可以降低過擬合風險。
於是如何增加模型的復雜程度呢？
1、增加隱層數；
2、增加隱層神經元數.
如何有效訓練多隱層神經網路？
1、無監督逐層訓練：每次訓練一層隱節點，把上一層隱節點的輸出當作輸入來訓練，本層隱結點訓練好後，輸出再作為下一層的輸入來訓練，這稱為預訓練，全部預訓練完成後，再對整個網路進行微調。「預訓練+微調」即把大量的參數進行分組，先找出每組較好的設置，再基於這些局部最優的結果來訓練全局最優；
2、權共享：令同一層神經元使用完全相同的連接權，典型的例子是卷積神經網路。這樣做可以大大減少需要訓練的參數數目。

深度學習 可理解為一種特徵學習或者表示學習，是通過 多層處理 ，逐漸將初始的 低層特徵表示 轉化為 高層特徵表示 後，用 簡單模型 即可完成復雜的分類等 學習任務 。

D. 什麼是神經網路

隱層節點數在BP 網路中，隱層節點數的選擇非常重要，它不僅對建立的神經網路模型的性能影響很大，而且是訓練時出現「過擬合」的直接原因，但是目前理論上還沒有一種科學的和普遍的確定方法。 目前多數文獻中提出的確定隱層節點數的計算公式都是針對訓練樣本任意多的情況，而且多數是針對最不利的情況，一般工程實踐中很難滿足，不宜採用。事實上，各種計算公式得到的隱層節點數有時相差幾倍甚至上百倍。為盡可能避免訓練時出現「過擬合」現象，保證足夠高的網路性能和泛化能力，確定隱層節點數的最基本原則是：在滿足精度要求的前提下取盡可能緊湊的結構，即取盡可能少的隱層節點數。研究表明，隱層節點數不僅與輸入/輸出層的節點數有關，更與需解決的問題的復雜程度和轉換函數的型式以及樣本數據的特性等因素有關。在確定隱層節點數時必須滿足下列條件：（1）隱層節點數必須小於N-1（其中N為訓練樣本數），否則，網路模型的系統誤差與訓練樣本的特性無關而趨於零，即建立的網路模型沒有泛化能力，也沒有任何實用價值。同理可推得：輸入層的節點數（變數數）必須小於N-1。(2) 訓練樣本數必須多於網路模型的連接權數，一般為2~10倍，否則，樣本必須分成幾部分並採用「輪流訓練」的方法才可能得到可靠的神經網路模型。 總之，若隱層節點數太少，網路可能根本不能訓練或網路性能很差；若隱層節點數太多，雖然可使網路的系統誤差減小，但一方面使網路訓練時間延長，另一方面，訓練容易陷入局部極小點而得不到最優點，也是訓練時出現「過擬合」的內在原因。因此，合理隱層節點數應在綜合考慮網路結構復雜程度和誤差大小的情況下用節點刪除法和擴張法確定。

E. 神經網路：卷積神經網路（CNN）

神經網路 最早是由心理學家和神經學家提出的，旨在尋求開發和測試神經的計算模擬。

粗略地說， 神經網路 是一組連接的 輸入/輸出單元 ，其中每個連接都與一個 權 相關聯。在學習階段，通過調整權值，使得神經網路的預測准確性逐步提高。由於單元之間的連接，神經網路學習又稱 連接者學習。

神經網路是以模擬人腦神經元的數學模型為基礎而建立的，它由一系列神經元組成，單元之間彼此連接。從信息處理角度看，神經元可以看作是一個多輸入單輸出的信息處理單元，根據神經元的特性和功能，可以把神經元抽象成一個簡單的數學模型。

神經網路有三個要素： 拓撲結構、連接方式、學習規則

神經網路的拓撲結構 ：神經網路的單元通常按照層次排列，根據網路的層次數，可以將神經網路分為單層神經網路、兩層神經網路、三層神經網路等。結構簡單的神經網路，在學習時收斂的速度快，但准確度低。

神經網路的層數和每層的單元數由問題的復雜程度而定。問題越復雜，神經網路的層數就越多。例如，兩層神經網路常用來解決線性問題，而多層網路就可以解決多元非線性問題

神經網路的連接 ：包括層次之間的連接和每一層內部的連接，連接的強度用權來表示。

根據層次之間的連接方式，分為：

1）前饋式網路：連接是單向的，上層單元的輸出是下層單元的輸入，如反向傳播網路，Kohonen網路

2）反饋式網路：除了單項的連接外，還把最後一層單元的輸出作為第一層單元的輸入，如Hopfield網路

根據連接的范圍，分為：

1）全連接神經網路：每個單元和相鄰層上的所有單元相連

2）局部連接網路：每個單元只和相鄰層上的部分單元相連

神經網路的學習

根據學習方法分：

感知器：有監督的學習方法，訓練樣本的類別是已知的，並在學習的過程中指導模型的訓練

認知器：無監督的學習方法，訓練樣本類別未知，各單元通過競爭學習。

根據學習時間分：

離線網路：學習過程和使用過程是獨立的

在線網路：學習過程和使用過程是同時進行的

根據學習規則分：

相關學習網路：根據連接間的激活水平改變權系數

糾錯學習網路：根據輸出單元的外部反饋改變權系數

自組織學習網路：對輸入進行自適應地學習

摘自《數學之美》對人工神經網路的通俗理解：

神經網路種類很多，常用的有如下四種：

1）Hopfield網路，典型的反饋網路，結構單層，有相同的單元組成

2）反向傳播網路，前饋網路，結構多層，採用最小均方差的糾錯學習規則，常用於語言識別和分類等問題

3）Kohonen網路：典型的自組織網路，由輸入層和輸出層構成，全連接

4）ART網路：自組織網路

深度神經網路：

Convolutional Neural Networks(CNN)卷積神經網路

Recurrent neural Network(RNN)循環神經網路

Deep Belief Networks(DBN)深度信念網路

深度學習是指多層神經網路上運用各種機器學習演算法解決圖像，文本等各種問題的演算法集合。深度學習從大類上可以歸入神經網路，不過在具體實現上有許多變化。

深度學習的核心是特徵學習，旨在通過分層網路獲取分層次的特徵信息，從而解決以往需要人工設計特徵的重要難題。

Machine Learning vs. Deep Learning 

神經網路（主要是感知器）經常用於 分類

神經網路的分類知識體現在網路連接上，被隱式地存儲在連接的權值中。

神經網路的學習就是通過迭代演算法，對權值逐步修改的優化過程，學習的目標就是通過改變權值使訓練集的樣本都能被正確分類。

神經網路特別適用於下列情況的分類問題：

1) 數據量比較小，缺少足夠的樣本建立模型

2) 數據的結構難以用傳統的統計方法來描述

3) 分類模型難以表示為傳統的統計模型

缺點：

1) 需要很長的訓練時間，因而對於有足夠長訓練時間的應用更合適。

2) 需要大量的參數，這些通常主要靠經驗確定，如網路拓撲或「結構」。

3)  可解釋性差 。該特點使得神經網路在數據挖掘的初期並不看好。

優點：

1) 分類的准確度高

2)並行分布處理能力強

3)分布存儲及學習能力高

4)對噪音數據有很強的魯棒性和容錯能力

最流行的基於神經網路的分類演算法是80年代提出的 後向傳播演算法 。後向傳播演算法在多路前饋神經網路上學習。 

定義網路拓撲

在開始訓練之前，用戶必須說明輸入層的單元數、隱藏層數（如果多於一層）、每一隱藏層的單元數和輸出層的單元數，以確定網路拓撲。

對訓練樣本中每個屬性的值進行規格化將有助於加快學習過程。通常，對輸入值規格化，使得它們落入0.0和1.0之間。

離散值屬性可以重新編碼，使得每個域值一個輸入單元。例如，如果屬性A的定義域為(a0,a1,a2)，則可以分配三個輸入單元表示A。即，我們可以用I0 ,I1 ,I2作為輸入單元。每個單元初始化為0。如果A = a0，則I0置為1；如果A = a1，I1置1；如此下去。

一個輸出單元可以用來表示兩個類（值1代表一個類，而值0代表另一個）。如果多於兩個類，則每個類使用一個輸出單元。

隱藏層單元數設多少個「最好」 ，沒有明確的規則。

網路設計是一個實驗過程，並可能影響准確性。權的初值也可能影響准確性。如果某個經過訓練的網路的准確率太低，則通常需要採用不同的網路拓撲或使用不同的初始權值，重復進行訓練。

後向傳播演算法學習過程：

迭代地處理一組訓練樣本，將每個樣本的網路預測與實際的類標號比較。

每次迭代後，修改權值，使得網路預測和實際類之間的均方差最小。

這種修改「後向」進行。即，由輸出層，經由每個隱藏層，到第一個隱藏層（因此稱作後向傳播）。盡管不能保證，一般地，權將最終收斂，學習過程停止。

演算法終止條件：訓練集中被正確分類的樣本達到一定的比例，或者權系數趨近穩定。

後向傳播演算法分為如下幾步：

1) 初始化權

網路的權通常被初始化為很小的隨機數（例如，范圍從-1.0到1.0，或從-0.5到0.5）。

每個單元都設有一個偏置（bias），偏置也被初始化為小隨機數。

2) 向前傳播輸入

對於每一個樣本X，重復下面兩步：

向前傳播輸入，向後傳播誤差

計算各層每個單元的輸入和輸出。輸入層：輸出=輸入=樣本X的屬性；即，對於單元j，Oj = Ij = Xj。隱藏層和輸出層：輸入=前一層的輸出的線性組合,即，對於單元j， Ij =wij Oi + θj，輸出=

3) 向後傳播誤差

計算各層每個單元的誤差。

輸出層單元j，誤差：

Oj是單元j的實際輸出，而Tj是j的真正輸出。

隱藏層單元j，誤差：

wjk是由j到下一層中單元k的連接的權，Errk是單元k的誤差

更新 權 和 偏差 ，以反映傳播的誤差。

權由下式更新：

 其中，△wij是權wij的改變。l是學習率，通常取0和1之間的值。

 偏置由下式更新：

  其中，△θj是偏置θj的改變。

Example

人類視覺原理：

深度學習的許多研究成果，離不開對大腦認知原理的研究，尤其是視覺原理的研究。1981 年的諾貝爾醫學獎，頒發給了 David Hubel（出生於加拿大的美國神經生物學家） 和Torsten Wiesel，以及Roger Sperry。前兩位的主要貢獻，是「發現了視覺系統的信息處理」， 可視皮層是分級的 。

人類的視覺原理如下：從原始信號攝入開始（瞳孔攝入像素Pixels），接著做初步處理（大腦皮層某些細胞發現邊緣和方向），然後抽象（大腦判定，眼前的物體的形狀，是圓形的），然後進一步抽象（大腦進一步判定該物體是只氣球）。

對於不同的物體，人類視覺也是通過這樣逐層分級，來進行認知的：

在最底層特徵基本上是類似的，就是各種邊緣，越往上，越能提取出此類物體的一些特徵（輪子、眼睛、軀乾等），到最上層，不同的高級特徵最終組合成相應的圖像，從而能夠讓人類准確的區分不同的物體。

可以很自然的想到：可以不可以模仿人類大腦的這個特點，構造多層的神經網路，較低層的識別初級的圖像特徵，若干底層特徵組成更上一層特徵，最終通過多個層級的組合，最終在頂層做出分類呢？答案是肯定的，這也是許多深度學習演算法（包括CNN）的靈感來源。

卷積神經網路是一種多層神經網路，擅長處理圖像特別是大圖像的相關機器學習問題。卷積網路通過一系列方法，成功將數據量龐大的圖像識別問題不斷降維，最終使其能夠被訓練。

CNN最早由Yann LeCun提出並應用在手寫字體識別上。LeCun提出的網路稱為LeNet，其網路結構如下：

這是一個最典型的卷積網路，由 卷積層、池化層、全連接層 組成。其中卷積層與池化層配合，組成多個卷積組，逐層提取特徵，最終通過若干個全連接層完成分類。

CNN通過卷積來模擬特徵區分，並且通過卷積的權值共享及池化，來降低網路參數的數量級，最後通過傳統神經網路完成分類等任務。

降低參數量級：如果使用傳統神經網路方式，對一張圖片進行分類，那麼，把圖片的每個像素都連接到隱藏層節點上，對於一張1000x1000像素的圖片，如果有1M隱藏層單元，一共有10^12個參數，這顯然是不能接受的。

但是在CNN里，可以大大減少參數個數，基於以下兩個假設：

1）最底層特徵都是局部性的，也就是說，用10x10這樣大小的過濾器就能表示邊緣等底層特徵

2）圖像上不同小片段，以及不同圖像上的小片段的特徵是類似的，也就是說，能用同樣的一組分類器來描述各種各樣不同的圖像

基於以上兩個假設，就能把第一層網路結構簡化

用100個10x10的小過濾器，就能夠描述整幅圖片上的底層特徵。

卷積運算的定義如下圖所示：

如上圖所示，一個5x5的圖像，用一個3x3的 卷積核 ：

   101

   010

   101

來對圖像進行卷積操作（可以理解為有一個滑動窗口，把卷積核與對應的圖像像素做乘積然後求和），得到了3x3的卷積結果。

這個過程可以理解為使用一個過濾器（卷積核）來過濾圖像的各個小區域，從而得到這些小區域的特徵值。在實際訓練過程中， 卷積核的值是在學習過程中學到的。

在具體應用中，往往有多個卷積核，可以認為， 每個卷積核代表了一種圖像模式 ，如果某個圖像塊與此卷積核卷積出的值大，則認為此圖像塊十分接近於此卷積核。如果設計了6個卷積核，可以理解為這個圖像上有6種底層紋理模式，也就是用6種基礎模式就能描繪出一副圖像。以下就是24種不同的卷積核的示例：

池化 的過程如下圖所示：

可以看到，原始圖片是20x20的，對其進行采樣，采樣窗口為10x10，最終將其采樣成為一個2x2大小的特徵圖。

之所以這么做，是因為即使做完了卷積，圖像仍然很大（因為卷積核比較小），所以為了降低數據維度，就進行采樣。

即使減少了許多數據，特徵的統計屬性仍能夠描述圖像，而且由於降低了數據維度，有效地避免了過擬合。

在實際應用中，分為最大值采樣（Max-Pooling）與平均值采樣（Mean-Pooling）。

LeNet網路結構：

注意，上圖中S2與C3的連接方式並不是全連接，而是部分連接。最後，通過全連接層C5、F6得到10個輸出，對應10個數字的概率。

卷積神經網路的訓練過程與傳統神經網路類似，也是參照了反向傳播演算法

第一階段，向前傳播階段：

a）從樣本集中取一個樣本(X,Yp)，將X輸入網路；

b）計算相應的實際輸出Op

第二階段，向後傳播階段

a）計算實際輸出Op與相應的理想輸出Yp的差；

b）按極小化誤差的方法反向傳播調整權矩陣。

F. 深入理解BP神經網路

BP神經網路是一種多層的前饋神經網路，其主要的特點是：信號是前向傳播的，而誤差是反向傳播的。具體來說，對於如下的只含一個隱層的神經網路模型：

BP神經網路的過程主要分為兩個階段，第一階段是信號的前向傳播，從輸入層經過隱含層，最後到達輸出層；第二階段是誤差的反向傳播，從輸出層到隱含層，最後到輸入層，依次調節隱含層到輸出層的權重和偏置，輸入層到隱含層的權重和偏置。

神經網路的基本組成單元是神經元。神經元的通用模型如圖所示，其中常用的激活函數有閾值函數、sigmoid函數和雙曲正切函數。 

神經元的輸出為： 

神經網路是將多個神經元按一定規則聯結在一起而形成的網路，如圖 所示。 

從圖 可以看出，一個神經網路包括輸入層、隱含層（中間層）和輸出層。輸入層神經元個數與輸入數據的維數相同，輸出層神經元個數與需要擬合的數據個數相同，隱含層神經元個數與層數就需要設計者自己根據一些規則和目標來設定。在深度學習出現之前，隱含層的層數通常為一層，即通常使用的神經網路是3層網路。 

BP網路採用的傳遞函數是非線性變換函數——Sigmoid函數（又稱S函數）。其特點是函數本身及其導數都是連續的，因而在處理上十分方便。為什麼要選擇這個函數，等下在介紹BP網路的學習演算法的時候會進行進一步的介紹。S函數有單極性S型函數和雙極性S型函數兩種，單極性S型函數定義如下：f(x)=1/1+e−x

其函數曲線如圖所示：

雙極性S型函數：f(x)=1−e−x/1+e−x

使用S型激活函數時，輸入：

輸出：

輸出的導數：

使用S型激活函數時，BP網路的輸出及其導數圖形：

根據S激活函數的圖形：

net在 -5~0 的時候導數的值為正，且導數的值逐漸增大， 說明此時f(x)在逐漸變大 且 變大的速度越來越快

net在 0~5  的時候導數的值為正，且導數的值逐漸減小， 說明此時f(x)在逐漸變大 但是 變大的速度越來越慢

對神經網路進行訓練，我們應該盡量將net的值盡量控制在收斂比較快的范圍內。

1.  定義一個BP神經網路的類，設置網路相關參數

2.    實例化該神經網路，按下圖被構建成一個輸出3維，輸出1維，帶有3個隱藏層（每個隱藏層10個節點）的BP網路；（此處還可以隨意擴展輸入、輸出維度和隱藏層相關系數）

3.    初始化BP神經網路的時候，開始初始化各層網路節點的 權重、權重動量、誤差初始值

4.  引入學習訓練數據；4組輸入、輸出數據迭代5000次

    5000次中不斷向前逐層計算輸出的節點數據

    並同時逐層計算誤差反向修改權重值，直到迭代完畢；注意誤差函數值必須呈現下降趨勢

5.  引入數據進行結果預測，將數據帶回模型計算得結果；最終可知預測結果趨近於0.7

神經網路利用現有的數據找出輸入與輸出之間得權值關系（近似），然後利用這樣的權值關系進行模擬，例如輸入一組數據模擬出輸出結果，當然你的輸入要和訓練時採用的數據集在一個范疇之內。例如預報天氣：溫度 濕度 氣壓等作為輸入 天氣情況作為輸出利用歷史得輸入輸出關系訓練出神經網路，然後利用這樣的神經網路輸入今天的溫度 濕度 氣壓等 得出即將得天氣情況。同理，運用到自動化測試中，使用測試數據反映結果走向，bug數，質量問題等情況也可以做到提前預測的！

附錄：

G. 簡單介紹神經網路演算法

直接簡單介紹神經網路演算法

神經元：它是神經網路的基本單元。神經元先獲得輸入，然後執行某些數學運算後，再產生一個輸出。

神經元內輸入 經歷了3步數學運算，

先將兩個輸入乘以 權重 ：

權重 指某一因素或指標相對於某一事物的重要程度，其不同於一般的比重，體現的不僅僅是某一因素或指標所佔的百分比，強調的是因素或指標的相對重要程度

x1→x1 × w1

x2→x2 × w2

把兩個結果相加，加上一個 偏置 ：

（x1 × w1）+（x2 × w2）+ b

最後將它們經過 激活函數 處理得到輸出：

y = f(x1 × w1 + x2 × w2 + b)

激活函數 的作用是將無限制的輸入轉換為可預測形式的輸出。一種常用的激活函數是 sigmoid函數

sigmoid函數的輸出 介於0和1，我們可以理解為它把 (−∞,+∞) 范圍內的數壓縮到 (0, 1)以內。正值越大輸出越接近1，負向數值越大輸出越接近0。

神經網路： 神經網路就是把一堆神經元連接在一起

隱藏層 是夾在輸入輸入層和輸出層之間的部分，一個神經網路可以有多個隱藏層。

前饋 是指神經元的輸入向前傳遞獲得輸出的過程

訓練神經網路 ，其實這就是一個優化的過程，將損失最小化

損失 是判斷訓練神經網路的一個標准

可用 均方誤差 定義損失

均方誤差 是反映 估計量 與 被估計量 之間差異程度的一種度量。設t是根據子樣確定的總體參數θ的一個估計量，(θ-t)2的 數學期望 ，稱為估計量t的 均方誤差 。它等於σ2+b2，其中σ2與b分別是t的 方差 與 偏倚 。

預測值 是由一系列網路權重和偏置計算出來的值

反向傳播 是指向後計算偏導數的系統

正向傳播演算法 是由前往後進行的一個演算法

H. 30分鍾講清楚深度神經網路

這兩年神經網路各種火。但對很多人而言，只是聽著覺得各種高大上，究其本質，還是聽不懂。下面我們花三十分鍾把這個事情講清楚。

神經網路演算法是最早來源於某神經生理學家和某數學家聯合發表的一篇論文，他們對人類神經運行規律的提出了一個猜想，並嘗試給出一個建模來模擬人類神經元的運行規律。

神經網路一開始由於求解問題的不穩定，以及范圍有限被拋棄。後面又在各個大神的努力下，對遇到的問題一個個解決，加上因為游戲帶來的計算能力的提升獲得了一個爆發式的增長。

下面我們講講神經網路是啥以及遇到的問題和探索出來的解決方案，最終我們給出一個深度神經網路的默認的最優配置項。

建立M個隱藏層，按順序建立輸入層跟隱藏層的聯結，最後建立隱藏層跟輸出層的聯結。為每個隱藏層的每個節點選擇激活函數。求解每個聯結的權重和每個節點自帶的bias值。參見下圖。

所謂激活函數就是對各個路徑的輸入求和之後進一步增強的函數 。
典型的有如下幾個：

下面這個圖裡面，是已知的各個聯結線的權值，求y1, y2

這個練習可以測試對神經網路的理解。

所謂神經網路問題的訓練本質，就是已知 y1,y2....yn， 已知x1, x2....xm，求解每個連接的權值和每個神經元上的偏差值。對單層的激活函數為RELU的神經網路而言就是， y = max(sum(w * x)+b, 0)，已知y和x，求解w和b。

對於以上求解w和b的值，科學家們發現可以通過反向傳播和梯度下降相結合來求解。就是一開始用隨機數初始化我們每個聯結的權值，然後通過神經網路計算出來的y值跟真實的y值做比對。如果這個值相差比較大，則修改當前層的聯結的權重。當發現這個值相差不大時，則修改更低一層的權重。這個步驟一直重復，逐步傳遞到第一層的權值 。

三大問題：

針對這三個問題，大拿們開始了一場探索之旅。

神經網路的求解是通過反向傳播的技術來解決的。通過梯度下降法。問題是，反向傳播從輸出層開始一步一步傳到Layer 1時，越到低層，聯結的權值變化越小，直到沒變化。這種叫梯度消失。還有一些呢？則是越到第一層，變化越來越大。這種叫梯度爆炸。常見於RNN。

解決方案探索如下：

目前來說，通常用1+2 多於 3 多於 4。就是現在一般使用He initialization跟ReLU的演進版本作為作為激活函數來解決梯度消失和爆炸的問題，其次才使用Batch Normalization，最後使用Gradient Clipping。

通常來說，我們很難獲得足夠的標記好的訓練數據。常用解決方案如下：

對於大規模數據的訓練，很多時候速度很慢。除了解決梯度消失或爆炸的問題之外，還有使用AdamOptimizer替代GradientDescentOptimizer會大大加快收斂速度 。

我們後面會教大家用tensorflow構造出一個神經網路並求解。