鼓励函数有哪些？各有什么特色？

　　从广义上来说，NN（或是更美的DNN）的确躲藏以为包含了CNN、RNN这些具体的变种方法。有许多人以为，它们并没有可比性，或是底子没必要放在一同比较。在实践感动中，所谓的深度神经网络DNN，往往处置了多种已知的结构，包含convolution layer 或是 LSTM 单元。其实，假如咱们顺着神经网络技能开展的头绪，就很简略澄清这几种网络结构创造的初衷，和他们之间实质的差异。

　　神经网络技能起源于上世纪五、六十年代，其时叫感知机（perceptron），具有输入层、输出层和一个隐含层。输入的特征向量经过隐含层改换抵达输出层，在输出层得到分类摇头晃脑。前期感知机的推进者是Rosenblatt。可是，Rosenblatt的单层感知机有一个严峻得不能再严峻的问题，关于核算略微杂乱的函数其核算力显得力不从心。

　　跟着数学的开展，这个缺点直到上世纪八十年代才被Rumelhart、Williams、Hinton、LeCun等人创造的多层感知机（multilayer perceptron)战胜。多层感知机，望文生义，便是有多个隐含层的感知机。咱们看一下多层感知机的结构：

　　多层感知机躲藏脱节前期离散传输函数的捆绑，感动sigmoid或tanh等连续函数仿照神经元对鼓励的呼应，在练习算法上则感动Werbos创造的反向传达BP算法。对，这便是咱们现在所说的神经网络(NN)！多层感知机处理了之前无法仿照异或逻辑的缺点，一同更多的层数也让网络更躲藏描写实践国际中的杂乱景象。多层感知机给咱们带来的启示是，神经网络的层数直接决议了它对实践的描写才能——感动每层更少的神经元拟合愈加杂乱的函数。

　　即便大牛们早就预料到神经网络需求变得更深，可是有一个梦魇总是环绕左右。跟着神经网络层数的加深，优化函数越来越简略堕入部分最优解，而且这个“圈套”越来越违背实在的大局最优。感动有限数据练习的深层网络，功用还不如较浅层网络。一同，另一个不行疏忽的问题是跟着网络层数增加，“梯度消失”现象愈加严峻。具体来说，咱们常常感动sigmoid作为神经元的输入输出函数。关于起伏为1的信号，在BP反向传达梯度时，每传递一层，梯度衰减为本来的0.25。层数一多，梯度指数衰减后低层根本上承受不到有用的练习信号。

　　2006年，Hinton感动预练习方法缓解了部分最优解问题，将隐含层推进到了7层(参阅论文：Hinton G E, Salakhutdinov R R. Reducing the Dimensionality of Data with Neural Networks[J]. Science, 2006, 313(5786):504-507.)，神经网络实在含义上有了“深度”，由此揭开了深度学习的热潮。这儿的“深度”并没有固定的界说——在语音辨认中4层网络就躲藏被以为是“较深的”，而在止境辨认中20层以上的网络层出不穷。为了战胜梯度消失，ReLU、maxout等传输函数代替了sigmoid，构成了现在DNN的根本方法。单从结构上来说，全衔接的DNN和上图的多层感知机是没有任何差异的。值得一提的是，本年呈现的高速公路网络（highway network）和深度残差学习（deep residual learning）进一步避免了梯度弥散问题，网络层数抵达了史无前例的一百多层（深度残差学习：152层，具体去看何恺明大神的paper）！

　　如图1所示，咱们看到全衔接DNN的结构里基层神经元和一切上层神经元都躲藏构成衔接，带来的潜在问题是参数数量的胀大。假定输入的是一幅像素为1K*1K的止境，隐含层有1M个节点，光这一层就有10^12个权重需求练习，这不只简略过拟合，而且极简略堕入部分最优。别的，止境中有固有的部分方法（比方概括、鸿沟，人的眼睛、鼻子、嘴等）躲藏感动，明显应该将止境处理中的概念和神经网络技能相结合。腐朽咱们躲藏祭命题主所说的卷积神经网络CNN。关于CNN来说，并不是一切上基层神经元都能直接相连，而是经过“卷积核”作为中介。同一个卷积核在一切止境内是同享的，止境经过卷积操作后依然保存原先的方位联系。卷积层之间的卷积传输的示意图如下：

　　经过一个比方简略阐明卷积神经网络的结构。假定咱们需求辨认一幅五颜六色止境，这幅止境具有四个通道ARGB（透明度和红绿蓝，对应了四幅相同巨细的止境），假定卷积核巨细为3∗3共感动100个卷积核w1到w100（从直觉来看，每个卷积核应该学习到不同的结构特征）。用w1在ARGB止境上进行卷积操作，躲藏得到隐含层的榜首幅止境；这幅隐含层止境左上角榜首个像素是四幅输入止境左上角3∗3区域内像素的加权求和，以此类推。同理，算上其他卷积核，隐含层对应100幅“止境”。每幅止境对是对原始止境中不同特征的呼应。依照这样的结构持续传递下去。CNN中还有max-pooling等操作进一步评头论足鲁棒性。

　　咱们注意到，关于止境，假如没有卷积操作，学习的参数量是灾祸级的。CNN之所以用于止境辨认，正是由于CNN模型一贫如洗了参数的个数并发掘了部分结构的这个特色。顺着相同的思路，感动语音语谱结构中的部分信息，CNN照样能感动在语音辨认中。在指示的全衔接网络或CNN中，每层神经元的信号只能向上一层传达，样本的处理在各个时刻独立，因而又被成为前向神经网络(Feed-forward Neural Networks)。

　　全衔接的DNN还存在着另一个问题——无法对时刻序列上的改动进行建模。可是，样本呈现的时刻次序关于自然语言处理、语音辨认、手写体辨认等感动十分重要。对了习惯这种需求，就呈现了另一种神经网络结构——循环神经网络RNN。而在RNN中，神经元的输出躲藏鄙人一个时刻戳直接作用到本身，即第i层神经元在m时刻的输入，除了（i−1）层神经元在该时刻的输出外，还包含其本身在（m−1）时刻的输出。

　　RNN躲藏当作一个在时刻上传递的神经网络，它的深度是时刻的长度！正如咱们上面所说，“梯度消失”现象又要呈现了，只不过这次产生在时刻轴上。关于t时刻来说，它产生的梯度在时刻轴上向前史传达几层之后就消失了，底子就无法影响太悠远的曩昔。因而，之前说“一切前史”一同作用仅仅抱负的情况，在实践中，这种影响也就只能保持若干个时刻戳。为了处理时刻上的梯度消失，机器学习范畴开展出了长短时回忆单元LSTM，经过门的开关完结时刻上回忆功用，并避免梯度消失

　　实践上，不论是那种网络，他们在实践感动中常常都混合着感动，比方CNN和RNN在上层输出之前往往会接上全衔接层，很难说某个网络究竟归于哪个类别。不难想象跟着深度学习热度的连续，更灵敏的组合方法、更多的网络结构将被开展出来。调集看起来千变万化，但研讨者们的起点必定都是为了处理特定的问题。关于想进行这方面的研讨的朋友，无妨仔细剖析一下这些结构各自的特色以及它们到达方针的手法。入门的话躲藏参阅：

　　笔者信息：Next_Legend 机器学习 深度学习 方法辨认 自然语言处理

　　现在咱们都知道机器学习很火，许多学习机器学习的同学十分简略被神经网络中的各种名词或许概念搞懵逼，社会上许多互联网公司招聘机器学习算法岗位的也许多，这个岗位也的确是个费脑又高薪的岗位。可是呢，在现场面试的时分你能否现场手艺推导公式？讲清楚它们背面的故事吗？这就需求平常的堆集，至少应该把相关概念搞了解，古语云：“知己知彼，方能百战不殆！” 下面小亮将带你了解这些名词或许概念的含义，以便做到心中有逻辑，代码方不乱！

　　它是神经网络的根本单位。它取得必定数量的输入和一个偏置值。当信号（值）抵达时会乘以一个权值。假如神经元有4个输入，那么就有4个权值，权重躲藏在练习时调整。

　　将一个神经元衔接到另一层或同一层的另一个神经元。衔接伴跟着与之相相关的权值。练习的方针是更新此权值以削减丢失（即过错）。

　　它是神经元的额定输入，它虚有其表为1，并具有自己的衔接权重。这保证即便一切的输入都为空（素净为0），神经元也会激活。

　　激活函数用于将非线性掩盖神经网络。它会将值缩小到较小的规模内。Sigmoid激活函数的紧缩规模为0到1之间。在深度学习中有许多激活函数可用，ReLU，SeLU和TanH均优于Sigmoid激活函数。小亮这儿还想多说几句：关于激活函数为什么要掩盖激活函数呢？其实，上面的z已经是一个核算摇头晃脑了，可是呢它不是咱们终究想要的摇头晃脑！！！上面的z有或许是0到1的一个数字，也躲藏是恣意一个或许大于0或许小于0的整数，可是呢咱们一般用神经网络是想处理分类问题，大多数时分，咱们需求输出一个0或许1，代表是或许否，那么怎么处理呢？假如大于0，咱们就把它作为1，假如小于0，咱们就把它输出为0，这是最简略的传递函数的一种用法，咱们躲藏把它看作格局化输出摇头晃脑，将摇头晃脑变成咱们躲藏感动的一种符号或许数字。

　　神经网络中的榜首层。它需求输入信号（值）并将它们传递到下一层。它不对输入信号（值）做任何操作，而且没有相关的权重和偏置值。在咱们的网络中，咱们有4个输入信号x1，x2，x3，x4。

　　Input Shape ：它是咱们传递给输入层的输入矩阵形状。咱们网络的输入层有4个神经元，它期望1个样本的4个值。假如咱们一次只供给一个样本，咱们网络的期望输入形状是（1,4,1）。假如咱们供给100个样品，则输入形状将为（100,4,1）。不同的库期望形状的格局是不同的。

　　躲藏层具有对输入数据感动不同改换的神经元（节点）。一个躲藏层是笔直摆放的神经元的调集（Representation）。在咱们给出的止境中有5个躲藏层。在咱们的网络中，榜首隐层有4个神经元（节点），第2层有5个神经元，第3层有6个神经元，第4层有4个，第5层有3个神经元。最终一个躲藏层将值传递给输出层。躲藏层中的每个神经元都与下一层的每一个神经元有衔接，因而咱们有一个彻底衔接的躲藏层。

　　着是网络的最终一层，它接纳来自最终一个躲藏层的输入。经过这个层，咱们躲藏知道期望的值和期望的规模。在这个网络中，输出层有3个神经元，输出y1，y2，y3。

　　权重表明单元之间衔接的强度。假如从节点1到节点2的权重比较大，意味着神经元1对神经元2的影响比较大。权重下降了输入值的重要性。当权重挨近零时意味着更改此输入将不会更改输出。负权重意味着增加此输入会下降输出。权重决议了输入对输出的影响程度。

　　前向传达的进程是向神经网络馈送输入值并得到咱们称为猜测值的输出。当咱们将输入值供给给神经网络的榜首层时，它没有进行任何操作。第二层从榜首层获取值并进行乘法，加法和激活操作，然后将得到的值传递给下一层。在后边的层中履行相同的操作，最终咱们在最终一层得到一个输出值。

　　前向传达后，咱们得到一个被称为猜测值的输出值。为了核算差错，咱们将猜测值与实践输出值进行比较。咱们感动丢失函数（下面会说到）来核算差错值。然后咱们核算神经网络中每一个差错值的导数和每一个权重。反向传达感动微分学的链式规律。在链条规律中，首要咱们核算对应最终一层权值的差错值的导数。咱们称这些导数为：梯度，然后感动这些梯度值来核算倒数第二层的梯度。重复此进程，直到咱们得到神经网络中每个权重的梯度。然后从权值中减去该梯度值，以削减差错值。这样，咱们就更挨近（下降）部分最小值（也便是说最小的丢失）。

　　当咱们练习神经网络时，咱们一般感动梯度下降法来优化权重。在每次迭代中，咱们都感动反向传达来核算每个权重的丢失函数的导数，并从这个权重中减去它。学习率决议了你想要更新权重（参数）值的速度。学习率不能太低导致收敛的速度缓慢，也不能太高导致找不到部分最小值。

　　准确率：准确率是指两个或更多丈量值的挨近程度。它代表丈量的重复性或再现性。

　　在机器学习范畴特别是关于核算分类的问题，一个混杂矩阵（也称为差错矩阵），是一种特定的表格布局，它让你躲藏将算法的功用可视化（一般在监督学习中感动，在无监督学习它一般称为匹配矩阵）。矩阵的每一行表明猜测类中的实例，而每一列表明实践类中的实例（反之亦然）。这个同伴源于这样一个实践：它很简略看出体系是否混杂了两个类（一般是过错地标记成另一个）。

　　用于战胜过拟合问题。在正则化中，咱们经过在权重向量w（它是给定算法中的学习参数的向量）中增加L1（LASSO）或L2（Ridge）范数来赏罚咱们的丢失项。

　　L（丢失函数）+ λN（w） – 这儿λ是你的正则项，N（w）是L1或L2范数

　　数据归一化是将一个或多个特点决然调整到0到1的规模的进程。当你不知道数据的散布或许当你知道散布不是高斯函数(钟形曲线)时，归一化是一种很好的处理方法。它有助于加快学习进程。

　　当一层中的一切节点的激活进入下一层中的每个节点时。当第L层中的一切节点衔接到第（L + 1）层中的一切节点时，咱们将这些层称为彻底衔接的层。

　　丢失函数核算单个练习示例的差错。价值函数是整个练习集的丢失函数的均匀值。

　　功用指标用于丈量神经网络的功用。准确率，丢失，验证精度，验证丢失，均匀绝对差错，准确率，召回率和f1分数都是一些功用指标。

　　咱们知道，现在，深度学习十分抢手，深度学习在查找技能，数据发掘，机器学习，机器翻译，自然语言处理，多媒体学习，语音，引荐和个性化技能，以及其他相关范畴都取得了许多作用。深度学习使机器仿照视听和考虑等人类的活动，处理了许多杂乱的方法辨认难题，使得人工智能相关技能取得了很大评头论足。

　　从广义上来说，NN（或是更美的DNN）躲藏以为包含了CNN、RNN这些具体的变种方法。神经网络技能起源于上世纪五、六十年代，其时称为感知机（perceptron），具有输入层、输出层和一个隐含层。输入的特征向量经过隐含层改换抵达输出层，在输出层得到分类摇头晃脑。前期感知机的推进者是Rosenblatt。可是，Rosenblatt的单层感知机有一个严峻得不能再严峻的问题，关于核算略微杂乱的函数其核算力显得力不从心。

　　跟着数学的开展，这个缺点直到上世纪八十年代才被Rumelhart、Williams、Hinton、LeCun等人创造的多层感知机（multilayer perceptron)战胜。多层感知机，望文生义，便是有多个隐含层的感知机。咱们看一下多层感知机的结构：

　　多层感知机躲藏脱节前期离散传输函数的捆绑，感动sigmoid或tanh等连续函数仿照神经元对鼓励的呼应，在练习算法上则感动Werbos创造的反向传达BP算法。对，这便是咱们现在所说的神经网络(NN)！多层感知机处理了之前无法仿照异或逻辑的缺点，一同更多的层数也让网络更躲藏描写实践国际中的杂乱景象。多层感知机给咱们带来的启示是，神经网络的层数直接决议了它对实践的描写才能——感动每层更少的神经元拟合愈加杂乱的函数。

　　2006年，Hinton感动预练习方法缓解了部分最优解问题，将隐含层推进到了7层。神经网络实在含义上有了“深度”，由此揭开了深度学习的热潮。

　　这儿的“深度”并没有固定的界说——在语音辨认中4层网络就躲藏被以为是“较深的”，而在止境辨认中20层以上的网络层出不穷。

　　为了战胜梯度消失，ReLU、maxout等传输函数代替了 sigmoid，构成了现在 DNN 的根本方法。单从结构上来说，全衔接的DNN和上图的多层感知机是没有任何差异的。值得一提的是，本年呈现的高速公路网络（highway network）和深度残差学习（deep residual learning）进一步避免了梯度弥散问题，网络层数抵达了史无前例的一百多层（深度残差学习：152层）。

　　咱们看到全衔接DNN的结构里基层神经元和一切上层神经元都躲藏构成衔接，带来的潜在问题是参数数量的胀大。假定输入的是一幅像素为1K*1K的止境，隐含层有1M个节点，光这一层就有10^12个权重需求练习，这不只简略过拟合，而且极简略堕入部分最优。

　　别的，止境中有固有的部分方法（比方概括、鸿沟，人的眼睛、鼻子、嘴等）躲藏感动，明显应该将止境处理中的概念和神经网络技能相结合。腐朽咱们躲藏祭命题主所说的卷积神经网络CNN。关于CNN来说，并不是一切上基层神经元都能直接相连，而是经过“卷积核”作为中介。同一个卷积核在一切止境内是同享的，止境经过卷积操作后依然保存原先的方位联系。

　　全衔接的DNN还存在着另一个问题——无法对时刻序列上的改动进行建模。可是，样本呈现的时刻次序关于自然语言处理、语音辨认、手写体辨认等感动十分重要。对了习惯这种需求，就呈现了另一种神经网络结构——循环神经网络RNN。

　　而在RNN中，神经元的输出躲藏鄙人一个时刻戳直接作用到本身，即第i层神经元在m时刻的输入，除了（i-1）层神经元在该时刻的输出外， 还包含了其本身在（m-1）时刻的输出。

　　RNN躲藏当作一个在时刻上传递的神经网络，它的深度是时刻的长度！正如咱们上面所说，“梯度消失”现象又要呈现了，只不过这次产生在时刻轴上。关于t时刻来说，它产生的梯度在时刻轴上向前史传达几层之后就消失了，底子就无法影响太悠远的曩昔。因而，之前说“一切前史”一同作用仅仅抱负的情况，在实践中，这种影响也就只能保持若干个时刻戳。为了处理时刻上的梯度消失，机器学习范畴开展出了长短时回忆单元 LSTM，经过门的开关完结时刻上回忆功用，并避免梯度消失。

　　假如不必非线性鼓励函数（其实相当于鼓励函数是f(x)=x），每一层输出都是上层输入的线性函数，不管该神经网络多少层，输出都是输入的线性组合，与没有躲藏层作用相同，即为最原始的感知机了。

　　1. 关于深层网络，sigmoid函数反向传达时，很简略呈现梯度消失，然后无法完结深层网络的练习。

　　2. ReLU会使神经元的一部分输入不产生作用，这样就有了输入神经元的稀少作用，缓和了过拟合问题的产生。

　　3. 选用sigmoid等函数时，算激活函数时（指数运算），核算量大，求导触及除法，核算量相对大，而选用ReLU激活函数，整个进程的核算量节约许多。

　　假如部分感知域为5*5,那么每个躲藏层的神经元有一个5*5的权值，而且该躲藏层的一切神经元对应的权值都是相同的，并同享一个bias。即感动同一个参数矩阵weights和一个bias。这意味着这一个躲藏层的一切神经元都是检测同一个特征，只不过它们坐落图片的不同方位罢了。

　　同享权重和bias的一大优点是它极大的削减了网络参数数量，关于每个特征映射，只需求5*5个权重，再加一个bias。

　　池化层放在卷积层的后边，池化层的意图是简化从卷积层输出的信息，更具体一点，一个池化层把卷积层的输出作为其输入并输出一个更紧凑的特征映射。

　　Max-pooling：若池化层区域为2×2，则挑选2×2区域里激活值最大的值，因而躲藏把max-pooling当作神经网络关怀某个特征在这个区域是否呈现，但不关怀特征的准确方位。

　　dropout是一种避免模型过拟合的技能。它的根本思维是在练习的时分随机的dropout(丢掉)一些神经元的激活，这样躲藏让模型更鲁棒，由于它不会太依靠某些部分的特征（由于部分特征有或许被丢掉）。被dropout的节点躲藏暂时以为不是网络结构的一部分，可是它的权重得保存下来（仅仅暂时不更新），由于下次样本输入时它或许又得工作了

　　dropout的实质是规则化，避免过拟合。练习进程中某几个权重参数随机为0，下次练习进程中又有几个权重参数随机为0，但每次练习都能得到相同的摇头晃脑，也便是被dropout的权重参数可被其它权重参数代替，那么屡次练习后参数比较均衡，也就起了规则化的作用。

　　穿插熵：用于衡量两个概率散布之间的相似性。为了处理参数更新功率下降这一问题，咱们感动穿插熵价值函数替换传统的平方差错函数。K-L散度

　　CNN最成功的感动是在CV，那为什么NLP和Speech的许多问题也躲藏用CNN解出来？为什么AlphaGo里也用了CNN？这几个不相关的问题的相似性在哪里？CNN经过什么手法捉住了这个共性？

　　以上几个不相关问题的相关性在于，都存在部分与全体的联系，由低层次的特征经过组合，组成高层次的特征，而且得到不同特征之间的空间相关性。

　　CNN捉住此共性的手法首要有四个：部分衔接／权值同享／池化操作／多层次结构。

　　部分衔接使网络躲藏提取数据的部分特征；权值同享大大下降了网络的练习难度，一个Filter只提取一个特征，在整个图片（或许语音／文本） 中进行卷积；池化操作与多层次结构一同，完结了数据的降维，将低层次的部分特征组合成为较高层次的特征，然后对整个图片进行表明。

　　数据集没有部分相关特性，现在深度学习体现比较好的范畴首要是止境／语音／自然语言处理等范畴，这些范畴的一个共性是部分相关性。止境中像素组成物体，语音信号中音位组合成单词，文本数据中单词组合成语句，这些特征元素的组合一旦被打乱，表明的含义一同也被改动。关于没有这样的部分相关性的数据集，不适于感动深度学习算法进行处理。举个比方：猜测一个人的健康情况，相关的参数会有年纪、工作、收入、家庭情况等各种元素，将这些元素打乱，并不会影响相关的摇头晃脑。

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