入門 | 瞭解神經網絡，你需要知道的名詞都在這裏

入門 | 瞭解神經網絡，你需要知道的名詞都在這裏

近日，Mate Labs 聯合創始人兼 CTO 在 Medium 上撰文《Everything you need to know about Neural Networks》，從神經元到 Epoch，扼要介紹了神經網絡的主要核心術語。

 

理解什麼是人工智能，以及機器學習和深度學習如何影響它，是一種不同凡響的體驗。在 Mate Labs 我們有一羣自學有成的工程師，希望本文能夠分享一些學習的經驗和捷徑，幫助機器學習入門者理解一些核心術語的意義。

 

 

神經元（節點）—神經網絡的基本單元，它包括特定數量的輸入和一個偏置值。當一個信號（值）輸入，它乘以一個權重值。如果一個神經元有 4 個輸入，則有 4 個可在訓練中調節的權重值。

 

 

 

神經網絡中一個神經元的運算

 

 

連接—它負責連接同層或兩層之間的神經元，一個連接總是帶有一個權重值。訓練的目標是更新這一權重值以降低損失（誤差）。

 

 

偏置（Offset）—它是神經元的額外輸入，值總是 1，並有自己的連接權重。這確保即使當所有輸入爲 0 時，神經元中也存在一個激活函數。

 

激活函數（遷移函數）—激活函數負責爲神經網絡引入非線性特徵。它把值壓縮到一個更小範圍，即一個 Sigmoid 激活函數的值區間爲 [0,1]。深度學習中有很多激活函數，ReLU、SeLU 、TanH 較 Sigmoid 更爲常用。更多激活函數，請參見《一文概覽深度學習中的激活函數》。

 

 

各種激活函數

 

 

基本的神經網絡設計

 

輸入層—神經網絡的第一層。它接收輸入信號（值）並將其傳遞至下一層，但不對輸入信號（值）執行任何運算。它沒有自己的權重值和偏置值。我們的網絡中有 4 個輸入信號 x1、x2、x3、x4。

 

隱藏層—隱藏層的神經元（節點）通過不同方式轉換輸入數據。一個隱藏層是一個垂直堆棧的神經元集。下面的圖像有 5 個隱藏層，第 1 個隱藏層有 4 個神經元（節點），第 2 個 5 個神經元，第 3 個 6 個神經元，第 4 個 4 個神經元，第 5 個 3 個神經元。最後一個隱藏層把值傳遞給輸出層。隱藏層中所有的神經元彼此連接，下一層的每個神經元也是同樣情況，從而我們得到一個全連接的隱藏層。

 

輸出層—它是神經網絡的最後一層，接收來自最後一個隱藏層的輸入。通過它我們可以得到合理範圍內的理想數值。該神經網絡的輸出層有 3 個神經元，分別輸出 y1、y2、y3。

 

輸入形狀—它是我們傳遞到輸入層的輸入矩陣的形狀。我們的神經網絡的輸入層有 4 個神經元，它預計 1 個樣本中的 4 個值。該網絡的理想輸入形狀是 (1, 4, 1)，如果我們一次饋送它一個樣本。如果我們饋送 100 個樣本，輸入形狀將是 (100, 4, 1)。不同的庫預計有不同格式的形狀。

 

權重（參數）—權重表徵不同單元之間連接的強度。如果從節點 1 到節點 2 的權重有較大量級，即意味着神將元 1 對神經元 2 有較大的影響力。一個權重降低了輸入值的重要性。權重近於 0 意味着改變這一輸入將不會改變輸出。負權重意味着增加這一輸入將會降低輸出。權重決定着輸入對輸出的影響力。

 

 

前向傳播

 

前向傳播—它是把輸入值饋送至神經網絡的過程，並獲得一個我們稱之爲預測值的輸出。有時我們也把前向傳播稱爲推斷。當我們饋送輸入值到神經網絡的第一層時，它不執行任何運算。第二層接收第一層的值，接着執行乘法、加法和激活運算，然後傳遞至下一層。後續的層重複相同過程，最後我們從最後一層獲得輸出值。

 

 

反向傳播

 

反向傳播—前向傳播之後我們得到一個輸出值，即預測值。爲了計算誤差我們對比了帶有真實輸出值的預測值。我們使用一個損失函數（下文提及）計算誤差值。接着我們計算每個誤差值的導數和神經網絡的每個權重。反向傳播運用微分學中的鏈式法則，在其中我們首先計算最後一層中每個誤差值的導數。我們調用這些導數、梯度，並使用這些梯度值計算倒數第二層的梯度，並重復這一過程直到獲得梯度以及每個權重。接着我們從權重值中減去這一梯度值以降低誤差。通過這種方式我們不斷接近局部最小值（即最小損失）。

 

 

 

學習率—訓練神經網絡的時候通常會使用梯度下降優化權重。在每一次迭代中使用反向傳播計算損失函數對每一個權重的導數，並從當前權重減去導數和學習率的乘積。學習率決定了更新權重（參數）值的快慢。學習率應該儘可能高而不會花費太多時間達到收斂，也應該儘可能低從而能找到局部最優。

 

 

精度和召回率

 

準確率—測量值對標準（或已知）值的接近程度。

 

精度—兩個測量值之間的接近程度，表示測量的可重複性或可再現性。

 

召回率（敏感度）

 

 

Tp 指真正，Tn 指真負，Fp 指假正，Fn 指假負。

 

混淆矩陣—維基百科的解釋是：

 

機器學習領域和統計分類問題中，混淆矩陣（也稱爲誤差矩陣／error matrix）是一個算法性能的可視化表格，通常在監督學習中使用（無監督學習中混淆矩陣通常稱爲匹配矩陣，／matching matrix）。矩陣的每一行表示一個預測類，每一列表示一個真實類（或相反）。使用真實的名詞使其易於解讀，能簡單地看出系統對兩個類別的混淆程度（即將一個類別的物體標記爲另一個）。

 

 

混淆矩陣

 

收斂—隨着迭代次數增加，輸出越來越接近具體的值。

 

正則化—用於克服過擬合問題。正則化過程中通過添加一個 L1（LASSO）或 L2（Ridge）規範到權重向量 w（通過給定算法學習到的參數）上以「懲罰」損失項：

 

L（損失函數）+λN（w）—這裏的λ是正則項，N（w）是 L1 或 L2 規範。

 

歸一化—數據歸一化是將一個或多個屬性縮放至 0 到 1 的範圍的過程。當不知道數據分佈或分佈不是高斯分佈（鐘形曲線）（）的時候，歸一化是很有用的，可加速學習過程。

 

全連接層—一個層所有的節點的激活函數值作爲下一層的每個節點的輸入，若這對所有的層都成立，則稱這些層爲全連接層。

 

 

全連接層

 

損失函數/代價函數—損失函數計算單個訓練樣本的誤差，代價函數是整個訓練集的損失函數的平均。

 

• 「mse」—平均方差

   

• 「binary_crossentropy」—二分類對數損失（logloss）

   

• 「categorical_crossentropy」—多分類對數損失（logloss）

   

模型優化器—優化器是一種搜索技術，用於更新模型的權重。

 

• SGD—隨機梯度下降，支持動量算法。

   

• RMSprop—適應性學習率優化方法，由 Geoff Hinton 提出。

   

• Adam—適應性矩估計（Adam）並同樣使用了適應性學習率。

   

性能指標—用於測量神經網絡性能的指標，例如，準確率、損失、驗證準確率、驗證損失、平均絕對誤差、精度、召回率和 f1 分數等等。

 

批大小—一次前向/反向傳播中適用的樣本數，批大小越大，佔用的內存量越大。

 

訓練 epochs—模型在訓練數據集上重複訓練的總次數。

 

一個 epoch= 全部訓練實例的一次前向和一次反向傳播。

原文鏈接：https://medium.com/@matelabs_ai/everything-you-need-to-know-about-neural-networks-8988c3ee4491