【学习笔记】深度学习入门：基于Python的理论与实现-神经网络

三、神经网络

3.1 从感知机到神经网络

用图来表示神经网络的话，如下图所示，我们把最左边的一列称为输入层，最右边的一列称为输出层，中间的一列称为中间层（隐藏层）。

在上图的网络中，偏置$b$并没有被画出来。如果要明确地表示出$b$，可以像下图那样做。下图中添加了权重为$b$的输入信号$1$。这个感知机将$x_1,x_2,1$三个信号作为神经元的输入，将其和各自的权重相乘后，传送至下一个神经元。在下一个神经元中，计算这些加权信号的总和。如果这个总和超过$0$，则输出$1$，否则输出$0$。另外，由于偏置的输入信号一直是$1$，所以为了区别于其他神经元，我们在图中把这个神经元整个涂成灰色。

我们用一个函数来表示这种分情况的动作（超过$0$则输出$1$，否则输出$0$），即$y=h(b+w_1{x}_1+w_2{x}_2)$，其中函数$h(x)$如下式所示：

$h(x)$函数会将输入信号的总和转换为输出信号，这种函数一般称为激活函数。激活函数的作用在于决定如何来激活输入信号的总和。

可将以上式子细化为如下两个式子：

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激活函数的计算过程如下图所示：

3.2 Activation function

神经网络中经常使用的一个激活函数就是下式表示的$sigmoid$函数：

现在，我们先尝试画出阶跃函数的图像，当输入超过$0$时，输出$1$，否则输出$0$。可以像下面这样简单地实现阶跃函数：

# 参数只能为实数
def step_function(x):
	if x > 0:
		return 1
	else:
		return 0

# 参数可以为NumPy数组
def step_function(x):
	y = x > 0
	return y.astype(np.int)

接着进行函数图像的绘制：

import numpy as np
import matplotlib.pylab as plt

def step_function(x):
	return np.array(x > 0, dtype=np.int)
x = np.arange(-5.0, 5.0, 0.1)
y = step_function(x)
plt.plot(x, y)
plt.ylim(-0.1, 1.1)  # 指定y轴的范围
plt.show()

结果如下图所示：

接下来我们实现$sigmoid$函数：

def sigmoid(x):
	return 1 / (1 + np.exp(-x))

并绘制函数图像：

x = np.arange(-5.0, 5.0, 0.1)
y = sigmoid(x)
plt.plot(x, y)
plt.ylim(-0.1, 1.1)  # 指定y轴的范围
plt.show()

结果如下图所示：

$sigmoid$函数是一条平滑的曲线，输出随着输入发生连续性的变化。而阶跃函数以$0$为界，输出发生急剧性的变化。$sigmoid$函数的平滑性对神经网络的学习具有重要意义。

相对于阶跃函数只能返回$0$或$1$，$sigmoid$函数可以返回$0.731\dots,0.880\dots $等实数（这一点和刚才的平滑性有关）。也就是说，感知机中神经元之间流动的是$0$或$1$的二元信号，而神经网络中流动的是连续的实数值信号。

阶跃函数和$sigmoid$函数虽然在平滑性上有差异，但是它们具有相似的形状。两者的结构均是“输入小时，输出接近$0$（为$0$）；随着输入增大，输出向$1$靠近（变成$1$）”。也就是说，当输入信号为重要信息时，阶跃函数和$sigmoid$函数都会输出较大的值；当输入信号为不重要的信息时，两者都输出较小的值。

阶跃函数和$sigmoid$函数还有其他共同点，就是两者均为非线性函数。神经网络的激活函数必须使用非线性函数。换句话说，激活函数不能使用线性函数。为什么不能使用线性函数呢？因为使用线性函数的话，加深神经网络的层数就没有意义了。

接下来介绍另一个十分重要的激活函数：$ReLU$函数。$ReLU$函数在输入大于$0$时，直接输出该值；在输入小于等于$0$时，输出$0$，可以用下式表示：

其代码实现以及函数图像如下：

def relu(x):
	return np.maximum(0, x)

3.3 多维数组的运算

多维数组就是“数字的集合”，数字排成一列的集合、排成长方形的集合、排成三维状或者（更加一般化的）$N$维状的集合都称为多维数组。

A = np.array([1, 2, 3, 4])
np.ndim(A)  # 1，获得数组的维数
A.shape  # (4,)
A.shape[0]  # 4

B = np.array([[1, 2], [3, 4], [5, 6]])
np.ndim(B)  # 2
B.shape  # (3, 2)

下面，我们来介绍矩阵（二维数组）的乘积。比如$2\times 2$的矩阵，其乘积可以像下图这样进行计算：

矩阵的乘积是通过左边矩阵的行（横向）和右边矩阵的列（纵向）以对应元素的方式相乘后再求和而得到的。这个运算在Python中可以用如下代码实现：

A = np.array([[1, 2], [3, 4]])
A.shape  # (2, 2)
B = np.array([[5, 6], [7, 8]])
B.shape  # (2, 2)
np.dot(A, B)  # array([[19, 22], [43, 50]])，dot()称为点积运算

需要注意的是，在多维数组的乘积运算中，必须使两个矩阵中的对应维度的元素个数一致，如下图所示：

下面我们使用NumPy矩阵来实现神经网络。这里我们以下图中的简单神经网络为对象。这个神经网络省略了偏置和激活函数，只有权重：

3.4 三层神经网络的实现

在介绍神经网络中的处理之前，我们先导入$w_{12}^{(1)}$、$a_1^{(1)}$等符号。请看下图，下图中只突出显示了从输入层神经元$x_2$到后一层的神经元$a_1^{(1)}$的权重。权重和隐藏层的神经元的右上角有一个$“(1)”$，它表示权重和神经元的层号（即第$1$层的权重、第$1$层的神经元）。此外，权重的右下角有两个数字，它们是后一层的神经元和前一层的神经元的索引号。比如，$w_{12}^{(1)}$表示前一层的第$2$个神经元$x_2$到后一层的第$1$个神经元$a_1^{(1)}$的权重。

现在看一下从输入层到第$1$层的第$1$个神经元的信号传递过程，如下图所示：

现在用数学式表示$a_1^{(1)}$。$a_1^{(1)}$通过加权信号和偏置的和按该公式进行计算：$a_1^{(1)}=w_{11}^{(1)}{x}_1+w_{12}^{(1)}{x}_2+b_1^{(1)}$。

使用矩阵的乘法运算进行计算的过程如下：

下面我们用NumPy多维数组来实现上式，这里将输入信号、权重、偏置设置成任意值：

X = np.array([1.0, 0.5])
W1 = np.array([[0.1, 0.3, 0.5], [0.2, 0.4, 0.6]])
B1 = np.array([0.1, 0.2, 0.3])
print(W1.shape)  # (2, 3)
print(X.shape)  # (2,)
print(B1.shape) # (3,)
A1 = np.dot(X, W1) + B1

接下来，我们观察第$1$层中激活函数的计算过程。如果把这个计算过程用图来表示的话，则如下图所示：

隐藏层的加权和（加权信号和偏置的总和）用$a$表示，被激活函数转换后的信号用$z$表示。此外，图中$h()4表示激活函数，这里我们使用的是$sigmoid$函数。用Python来实现，代码如下所示：

Z1 = sigmoid(A1)
print(A1)  # [0.3, 0.7, 1.1]
print(Z1)  # [0.57444252, 0.66818777, 0.75026011]

下面，我们来实现第$1$层到第$2$层的信号传递：

W2 = np.array([[0.1, 0.4], [0.2, 0.5], [0.3, 0.6]])
B2 = np.array([0.1, 0.2])
print(Z1.shape) # (3,)
print(W2.shape) # (3, 2)
print(B2.shape) # (2,)
A2 = np.dot(Z1, W2) + B2
Z2 = sigmoid(A2)

最后是第$2$层到输出层的信号传递。输出层的实现也和之前的实现基本相同。不过，最后的激活函数和之前的隐藏层有所不同。这里我们定义了$identity\_function()$函数（也称为“恒等函数”），并将其作为输出层的激活函数。恒等函数会将输入按原样输出，因此，这个例子中没有必要特意定义$identity\_function()$。这里这样实现只是为了和之前的流程保持统一。

def identity_function(x):
	return x
W3 = np.array([[0.1, 0.3], [0.2, 0.4]])
B3 = np.array([0.1, 0.2])
A3 = np.dot(Z2, W3) + B3
Y = identity_function(A3)  # 或者Y = A3

至此，我们已经介绍完了$3$层神经网络的实现。现在我们把之前的代码实现全部整理一下。这里，我们按照神经网络的实现惯例，只把权重记为大写字母$W1$，其他的（偏置或中间结果等）都用小写字母表示。

def init_network():
	network = {
    
    }
	network['W1'] = np.array([[0.1, 0.3, 0.5], [0.2, 0.4, 0.6]])
	network['b1'] = np.array([0.1, 0.2, 0.3])
	network['W2'] = np.array([[0.1, 0.4], [0.2, 0.5], [0.3, 0.6]])
	network['b2'] = np.array([0.1, 0.2])
	network['W3'] = np.array([[0.1, 0.3], [0.2, 0.4]])
	network['b3'] = np.array([0.1, 0.2])
	return network

def forward(network, x):
	W1, W2, W3 = network['W1'], network['W2'], network['W3']
	b1, b2, b3 = network['b1'], network['b2'], network['b3']
	a1 = np.dot(x, W1) + b1
	z1 = sigmoid(a1)
	a2 = np.dot(z1, W2) + b2
	z2 = sigmoid(a2)
	a3 = np.dot(z2, W3) + b3
	y = identity_function(a3)
	return y

network = init_network()
x = np.array([1.0, 0.5])
y = forward(network, x)
print(y)  # [ 0.31682708 0.69627909]

3.5 输出层的设计

神经网络可以用在分类问题和回归问题上，不过需要根据情况改变输出层的激活函数。一般而言，回归问题用恒等函数，分类问题用$softmax$函数。

恒等函数会将输入按原样输出，对于输入的信息，不加以任何改动地直接输出。分类问题中使用的$softmax$函数可以用下面的式子表示：

用Python实现：

def softmax(a):
	exp_a = np.exp(a)
	sum_exp_a = np.sum(exp_a)
	y = exp_a / sum_exp_a
	return y

观察代码，我们发现由于指数函数存在溢出问题，如果在这些超大值之间进行除法运算，结果会出现“不确定”的情况。因此我们需要对公式进行改进：

因此在进行$softmax$的指数函数的运算时，加上（或者减去）某个常数并不会改变运算的结果。这里的$C^{\prime }$可以使用任何值，但是为了防止溢出，一般会使用输入信号中的最大值。例如：

a = np.array([1010, 1000, 990])
np.exp(a) / np.sum(np.exp(a))  # softmax函数的运算
# 返回结果为array([nan, nan, nan])，没有被正确计算

c = np.max(a)  # 1010
a - c  # array([0, -10, -20])
np.exp(a - c) / np.sum(np.exp(a - c))
# 返回结果为array([9.99954600e-01, 4.53978686e-05, 2.06106005e-09])

综上，我们可以像下面这样实现$softmax$函数：

def softmax(a):
	c = np.max(a)
	exp_a = np.exp(a - c)  # 溢出对策
	sum_exp_a = np.sum(exp_a)
	y = exp_a / sum_exp_a
	return y

$softmax$函数的输出是$0.0$到$1.0$之间的实数。并且，$softmax$函数的输出值的总和是$1$。输出总和为$1$是$softmax$函数的一个重要性质。正因为有了这个性质，我们才可以把$softmax$函数的输出解释为“概率”。

输出层的神经元数量需要根据待解决的问题来决定。对于分类问题，输出层的神经元数量一般设定为类别的数量。比如，对于某个输入图像，预测是图中的数字$0$到$9$中的哪一个的问题（$10$类别分类问题），可以像下图这样，将输出层的神经元设定为$10$个（假定$y_2$的输出值最大）。

3.6 手写数字识别

假设神经网络的学习已经全部结束，我们使用学习到的参数，先实现神经网络的“推理处理”。这个推理处理也称为神经网络的前向传播。

这里使用的数据集是MNIST手写数字图像集。MNIST是机器学习领域最有名的数据集之一，被应用于从简单的实验到发表的论文研究等各种场合。

MNIST的图像数据是$28\times 28$像素的灰度图像（$1$通道），各个像素的取值在$0$到$255$之间。每个图像数据都相应地标有$“7”,“2”,“1”$等标签。

假设已经提供了便利的Python脚本mnist.py，该脚本支持从下载MNIST数据集到将这些数据转换成NumPy数组等处理，使用mnist.py中的$load\_mnist()$函数，就可以按下述方式轻松读入MNIST数据。

import sys, os
sys.path.append('D:\VS Code Project\Deep Learning')  # 为了导入父目录中的文件而进行的设定
from dataset.mnist import load_mnist

# 第一次调用会花费几分钟 ……
(x_train, t_train), (x_test, t_test) = load_mnist(flatten=True, normalize=False)

# 输出各个数据的形状
print(x_train.shape)  # (60000, 784)
print(t_train.shape)  # (60000,)
print(x_test.shape)  # (10000, 784)
print(t_test.shape)  # (10000,)

load_mnist函数以(训练图像, 训练标签), (测试图像, 测试标签)的形式返回读入的MNIST数据。此外，还可以像load_mnist(normalize=True, flatten=True, one_hot_label=False)这样，设置$3$个参数。第$1$个参数normalize设置是否将输入图像正规化为$0.0\sim 1.0$的值。如果将该参数设置为False，则输入图像的像素会保持原来的$0\sim 255$。第$2$个参数flatten设置是否展开输入图像（变成一维数组）。如果将该参数设置为False，则输入图像为$1\times 28\times 28$的三维数组；若设置为True，则输入图像会保存为由$784$个元素构成的一维数组。第$3$个参数one_hot_label设置是否将标签保存为$one-hot$表示（$one-hotrepresentation$）。$one-hot$表示是仅正确解标签为$1$，其余皆为$0$的数组，就像[0,0,1,0,0,0,0,0,0,0]这样。当one_hot_label为False时，只是像$7,2$这样简单保存正确解标签；当one_hot_label为True时，标签则保存为$one-hot$表示。

接下来使用PIL模块显示训练图像的第一张图像：

import sys, os
sys.path.append('D:\VS Code Project\Deep Learning')
import numpy as np
from dataset.mnist import load_mnist
from PIL import Image

def img_show(img):
	pil_img = Image.fromarray(np.uint8(img))
	pil_img.show()

(x_train, t_train), (x_test, t_test) = load_mnist(flatten=True, normalize=False)
img = x_train[0]
label = t_train[0]
print(label)  # 5
print(img.shape)  # (784,)
img = img.reshape(28, 28)  # 把图像的形状变成原来的尺寸
print(img.shape)  # (28, 28)
img_show(img)

显示结果如下图所示：

神经网络的输入层有$784$个神经元，输出层有$10$个神经元。输入层的$784$这个数字来源于图像大小的$28\times 28=784$，输出层的$10$这个数字来源于$10$类别分类（数字$0\sim 9$，共$10$类别）。此外，这个神经网络有$2$个隐藏层，第$1$个隐藏层有$50$个神经元，第$2$个隐藏层有$100$个神经元。这个$50$和$100$可以设置为任何值。

下面我们先定义$3$个函数：

def get_data():
	(x_train, t_train), (x_test, t_test) = load_mnist(normalize=True, flatten=True, one_hot_label=False)
	return x_test, t_test

def init_network():
	with open("sample_weight.pkl", 'rb') as f:
		network = pickle.load(f)
	return network

def predict(network, x):
	W1, W2, W3 = network['W1'], network['W2'], network['W3']
	b1, b2, b3 = network['b1'], network['b2'], network['b3']
	a1 = np.dot(x, W1) + b1
	z1 = sigmoid(a1)
	a2 = np.dot(z1, W2) + b2
	z2 = sigmoid(a2)
	a3 = np.dot(z2, W3) + b3
	y = softmax(a3)
	return y

init_network()会读入保存在pickle文件sample_weight.pkl中的学习到的权重参数$A$。这个文件中以字典变量的形式保存了权重和偏置参数。剩余的$2$个函数和前面介绍的代码实现基本相同，无需再解释。现在，我们用这$3$个函数来实现神经网络的推理处理，并评价它的识别精度：

x, t = get_data()
network = init_network()
accuracy_cnt = 0
for i in range(len(x)):  # 逐一取出保存在x中的图像数据
	y = predict(network, x[i])
	p = np.argmax(y)  # 获取概率最高的元素的索引
	if p == t[i]:
		accuracy_cnt += 1
print("Accuracy:" + str(float(accuracy_cnt) / len(x)))
# Accuracy:0.9352

下面我们使用Python解释器，输出刚才的神经网络的各层的权重的形状：

x, _ = get_data()
network = init_network()
W1, W2, W3 = network['W1'], network['W2'], network['W3']
x.shape  # (10000, 784)
x[0].shape  # (784,)
W1.shape  # (784, 50)
W2.shape  # (50, 100)
W3.shape  # (100, 10)

确认矩阵的形状：

现在我们来考虑打包输入多张图像的情形。比如，我们想用predict()函数一次性打包处理$100$张图像。为此，可以把$x$的形状改为$100\times 784$，将$100$张图像打包作为输入数据，这种打包式的输入数据称为批（$batch$）。批有“捆”的意思，图像就如同纸币一样扎成一捆，如下图所示：

下面我们进行基于批处理的代码实现：

x, t = get_data()
network = init_network()
batch_size = 100  # 批数量
accuracy_cnt = 0
for i in range(0, len(x), batch_size):
	x_batch = x[i:i + batch_size]
	y_batch = predict(network, x_batch)
	p = np.argmax(y_batch, axis=1)
	accuracy_cnt += np.sum(p == t[i:i + batch_size])
print("Accuracy:" + str(float(accuracy_cnt) / len(x)))

下一节：【学习笔记】深度学习入门：基于Python的理论与实现-神经网络的学习。