如何简单形象又有趣地讲解神经网络是什么?

如何简单形象又有趣地讲解神经网络是什么?

视频里演示的代码,已经编写成免费上机操作教程,可一步步跟着指示进行学习。

基于 TensorFlow Eager 进行深度学习

神经网络是由一层一层构建的,那么每层究竟在做什么?

现在我们知道了每一层的行为,但这种行为又是如何完成识别任务的呢?

神经网络的解决方法依旧是转换到另外一个空间下,用的是所说的5种空间变换操作。比如下图就是经过放大、平移、旋转、扭曲原二维空间后,在三维空间下就可以成功找到一个超平面分割红蓝两线 (同SVM的思路一样)。

上面是一层神经网络可以做到的,如果把 当做新的输入再次用这5种操作进行第二遍空间变换的话,网络也就变为了二层。最终输出是。 设想网络拥有很多层时,对原始输入空间的“扭曲力”会大幅增加,如下图,最终我们可以轻松找到一个超平面分割空间。

当然也有如下图失败的时候,关键在于“如何扭曲空间”。所谓监督学习就是给予神经网络网络大量的训练例子,让网络从训练例子中学会如何变换空间。每一层的权重W就控制着如何变换空间,我们最终需要的也就是训练好的神经网络的所有层的权重矩阵。

这里有非常棒的可视化空间变换demo,一定要打开尝试并感受这种扭曲过程。更多内容请看Neural Networks, Manifolds, and Topology。

知道了神经网络的学习过程就是学习控制着空间变换方式(物质组成方式)的权重矩阵后,接下来的问题就是如何学习每一层的权重矩阵W。

既然我们希望网络的输出尽可能的接近真正想要预测的值。那么就可以通过比较当前网络的预测值和我们真正想要的目标值,再根据两者的差异情况来更新每一层的权重矩阵(比如,如果网络的预测值高了,就调整权重让它预测低一些,不断调整,直到能够预测出目标值)。因此就需要先定义“如何比较预测值和目标值的差异”,这便是损失函数或目标函数(loss function or objective function),用于衡量预测值和目标值的差异的方程。loss function的输出值(loss)越高表示差异性越大。那神经网络的训练就变成了尽可能的缩小loss的过程。 所用的方法是梯度下降(Gradient descent):通过使loss值向当前点对应梯度的反方向不断移动,来降低loss。一次移动多少是由学习速率(learning rate)来控制的。

然而使用梯度下降训练神经网络拥有两个主要难题。

梯度下降寻找的是loss function的局部极小值,而我们想要全局最小值。如下图所示,我们希望loss值可以降低到右侧深蓝色的最低点,但loss有可能“卡”在左侧的局部极小值中。

试图解决“卡在局部极小值”问题的方法分两大类:

机器学习所处理的数据都是高维数据,该如何快速计算梯度、而不是以年来计算。 其次如何更新隐藏层的权重? 解决方法是:计算图:反向传播算法这里的解释留给非常棒的Computational Graphs: Backpropagation需要知道的是,反向传播算法是求梯度的一种方法。如同快速傅里叶变换(FFT)的贡献。 而计算图的概念又使梯度的计算更加合理方便。

下面就结合图简单浏览一下训练和识别过程,并描述各个部分的作用。要结合图解阅读以下内容。但手机显示的图过小,最好用电脑打开。