神經網路體現在哪裡

1. 人工神經網路的基本特徵

人工神經網路是由大量處理單元互聯組成的非線性、自適應信息處理系統。它是在現代神經科學研究成果的基礎上提出的，試圖通過模擬大腦神經網路處理、記憶信息的方式進行信息處理。人工神經網路具有四個基本特徵：
（1）非線性 非線性關系是自然界的普遍特性。大腦的智慧就是一種非線性現象。人工神經元處於激活或抑制二種不同的狀態，這種行為在數學上表現為一種非線性關系。具有閾值的神經元構成的網路具有更好的性能，可以提高容錯性和存儲容量。
（2）非局限性 一個神經網路通常由多個神經元廣泛連接而成。一個系統的整體行為不僅取決於單個神經元的特徵，而且可能主要由單元之間的相互作用、相互連接所決定。通過單元之間的大量連接模擬大腦的非局限性。聯想記憶是非局限性的典型例子。
（3）非常定性 人工神經網路具有自適應、自組織、自學習能力。神經網路不但處理的信息可以有各種變化，而且在處理信息的同時，非線性動力系統本身也在不斷變化。經常採用迭代過程描寫動力系統的演化過程。
（4）非凸性 一個系統的演化方向，在一定條件下將取決於某個特定的狀態函數。例如能量函數，它的極值相應於系統比較穩定的狀態。非凸性是指這種函數有多個極值，故系統具有多個較穩定的平衡態，這將導致系統演化的多樣性。
人工神經網路中，神經元處理單元可表示不同的對象，例如特徵、字母、概念，或者一些有意義的抽象模式。網路中處理單元的類型分為三類：輸入單元、輸出單元和隱單元。輸入單元接受外部世界的信號與數據；輸出單元實現系統處理結果的輸出；隱單元是處在輸入和輸出單元之間，不能由系統外部觀察的單元。神經元間的連接權值反映了單元間的連接強度，信息的表示和處理體現在網路處理單元的連接關系中。人工神經網路是一種非程序化、適應性、大腦風格的信息處理 ，其本質是通過網路的變換和動力學行為得到一種並行分布式的信息處理功能，並在不同程度和層次上模仿人腦神經系統的信息處理功能。它是涉及神經科學、思維科學、人工智慧、計算機科學等多個領域的交叉學科。
人工神經網路是並行分布式系統，採用了與傳統人工智慧和信息處理技術完全不同的機理，克服了傳統的基於邏輯符號的人工智慧在處理直覺、非結構化信息方面的缺陷，具有自適應、自組織和實時學習的特點。

2. 人工神經網路的特點優點

人工神經網路的特點和優越性，主要表現在三個方面：
第一，具有自學習功能。例如實現圖像識別時，只在先把許多不同的圖像樣板和對應的應識別的結果輸入人工神經網路，網路就會通過自學習功能，慢慢學會識別類似的圖像。自學習功能對於預測有特別重要的意義。預期未來的人工神經網路計算機將為人類提供經濟預測、市場預測、效益預測，其應用前途是很遠大的。
第二，具有聯想存儲功能。用人工神經網路的反饋網路就可以實現這種聯想。
第三，具有高速尋找優化解的能力。尋找一個復雜問題的優化解，往往需要很大的計算量，利用一個針對某問題而設計的反饋型人工神經網路，發揮計算機的高速運算能力，可能很快找到優化解。

3. 神經網路（Neural Network）

（1）結構：許多樹突（dendrite）用於輸入，一個軸突 （axon）用於輸出。

（2）特性：興奮性和傳導性。興奮性是指當信號量超過某個閾值時，細胞體就會被激活，產生電脈沖。傳導性是指電脈沖沿著軸突並通過突觸傳遞到其它神經元。

（3）有兩種狀態的機器：激活時為「是」，不激活時為「否」。神經細胞的狀態取決於從其他神經細胞接收到的信號量，以及突觸的性質（抑制或加強）。

（1）神經元——不重要

① 神經元是包含權重和偏置項的 函數 ：接收數據後，執行一些計算，然後使用激活函數將數據限制在一個范圍內（多數情況下）。

② 單個神經元：線性可分的情況下，本質是一條直線， ，這條直線將數據劃分為兩類。而線性分類器本身就是一個單層神經網路。

③ 神經網路：非線性可分的情況下，神經網路通過多個隱層的方法來實現非線性的函數。

（2）權重/參數/連接（Weight）——最重要

每一個連接上都有一個權重。一個神經網路的訓練演算法就是讓權重的值調整到最佳，以使得整個網路的預測效果最好。

（3）偏置項（Bias Units）——必須

① 如果沒有偏置項，所有的函數都會經過原點。

② 正則化偏置會導致欠擬合：若對偏置正則化，會導致激活變得更加簡單，偏差就會上升，學習的能力就會下降。

③ 偏置的大小度量了神經元產生激勵（激活）的難易程度。

（1）定義：也稱為轉換函數，是一種將輸入 (input) 轉成輸出 (output) 的函數。

（2）作用：一般直線擬合的精確度要比曲線差很多，引入激活函數能給神經網路 增加一些非線性 的特性。

（3）性質：

① 非線性：導數不是常數，否則就退化成直線。對於一些畫一條直線仍然無法分開的問題，非線性可以把直線變彎，就能包羅萬象；

② 可微性：當優化方法是基於梯度的時候，處處可導為後向傳播演算法提供了核心條件；

③ 輸出范圍：一般限定在[0,1]，使得神經元對一些比較大的輸入會比較穩定；

④ 非飽和性：飽和就是指，當輸入比較大的時候輸出幾乎沒變化，會導致梯度消失；

⑤ 單調性：導數符號不變，輸出不會上躥下跳，讓神經網路訓練容易收斂。

（1）線性函數 (linear function)—— purelin()

（2）符號函數 (sign function)—— hardlim() 

① 如果z值高於閾值，則激活設置為1或yes，神經元將被激活。

② 如果z值低於閾值，則激活設置為0或no，神經元不會被激活。

（3）對率函數 (sigmoid function)—— logsig()

① 優點：光滑S型曲線連續可導，函數閾值有上限。

② 缺點：❶ 函數飽和使梯度消失，兩端梯度幾乎為0，更新困難，做不深；

                ❷ 輸出不是0中心，將影響梯度下降的運作，收斂異常慢；

                ❸ 冪運算相對來講比較耗時

（4）雙曲正切函數(hyperbolic tangent function)—— tansig()

① 優點：取值范圍0中心化，防止了梯度偏差

② 缺點：梯度消失現象依然存在，但相對於sigmoid函數問題較輕

（5）整流線性單元 ReLU 函數(rectified linear unit)

① 優點：❶ 分段線性函數，它的非線性性很弱，因此網路做得很深；

                ❷ 由於它的線性、非飽和性， 對於隨機梯度下降的收斂有巨大的加速作用；

② 缺點：❶ 當x<0，梯度都變成0，參數無法更新，也導致了數據多樣化的丟失；

                ❷ 輸出不是0中心

（6）滲漏型整流線性單元激活函數 Leaky ReLU 函數

① 優點：❶ 是為解決「ReLU死亡」問題的嘗試，在計算導數時允許較小的梯度；

                ❷ 非飽和的公式，不包含指數運算，計算速度快。

② 缺點：❶ 無法避免梯度爆炸問題； （沒有體現優於ReLU）

                ❷ 神經網路不學習 α 值。

（7）指數線性單元 ELU (Exponential Linear Units)

① 優點：❶ 能避免「死亡 ReLU」 問題；

                ❷ 能得到負值輸出，這能幫助網路向正確的方向推動權重和偏置變化；

                ❸ 在計算梯度時能得到激活，而不是讓它們等於 0。

② 缺點：❶ 由於包含指數運算，所以計算時間更長；

                ❷ 無法避免梯度爆炸問題； （沒有體現優於ReLU）

                ❸ 神經網路不學習 α 值。

（8）Maxout（對 ReLU 和 Leaky ReLU的一般化歸納）

① 優點：❶ 擁有ReLU的所有優點（線性和不飽和）

                ❷ 沒有ReLU的缺點（死亡的ReLU單元）

                ❸ 可以擬合任意凸函數

② 缺點 ：參數數量增加了一倍。難訓練，容易過擬合

（9）Swish

① 優點：❶ 在負半軸也有一定的不飽和區，參數的利用率更大

                ❷ 無上界有下界、平滑、非單調

                ❸ 在深層模型上的效果優於 ReLU

每個層都包含一定數量的單元（units）。增加層可增加神經網路輸出的非線性。

（1）輸入層：就是接收原始數據，然後往隱層送

（2）輸出層：神經網路的決策輸出

（3）隱藏層：神經網路的關鍵。把前一層的向量變成新的向量，讓數據變得線性可分。

（1）結構：僅包含輸入層和輸出層，直接相連。

（2）作用：僅能表示 線性可分 函數或決策，且一定可以在有限的迭代次數中收斂。

（3）局限：可以建立與門、或門、非門等，但無法建立更為復雜的異或門（XOR），即兩個輸入相同時輸出1，否則輸出0。 （「AI winter」）

（1）目的：擬合某個函數      （兩層神經網路可以逼近任意連續函數）

（2）結構：包含輸入層、隱藏層和輸出層 ，由於從輸入到輸出的過程中不存在與模型自身的反饋連接，因此被稱為「前饋」。    （層與層之間全連接）

（3）作用： 非線性 分類、聚類、預測等，通過訓練，可以學習到數據中隱含的知識。

（4）局限：計算復雜、計算速度慢、容易陷入局部最優解，通常要將它們與其他網路結合形成新的網路。

（5）前向傳播演算法（Forward Propagation）

① 方法：從左至右逐級依賴的演算法模型，即網路如何根據輸入X得到輸出Y，最終的輸出值和樣本值作比較， 計算出誤差 。

② 目的：完成了一次正反向傳播，就完成了一次神經網路的訓練迭代。通過輸出層的誤差，快速求解對每個ω、b的偏導，利用梯度下降法，使Loss越來越小。

② 局限：為使最終的誤差達到最小，要不斷修改參數值，但神經網路的每條連接線上都有不同權重參數，修改這些參數變得棘手。

（6）誤差反向傳播（Back Propagation）

① 原理：梯度下降法求局部極值

② 方法：從後往前，從輸出層開始計算 L 對當前層的微分，獲得各層的誤差信號，此誤差信號即作為修正單元權值的依據。計算結束以後，所要的兩個參數矩陣的 梯度 就都有了。

③ 局限：如果激活函數是飽和的，帶來的缺陷就是系統迭代更新變慢，系統收斂就慢，當然這是可以有辦法彌補的，一種方法是使用 交叉熵函數 作為損失函數。

（1）原理：隨著網路的層數增加，每一層對於前一層次的抽象表示更深入。在神經網路中，每一層神經元學習到的是前一層神經元值的更抽象的表示。通過抽取更抽象的特徵來對事物進行區分，從而獲得更好的區分與分類能力。

（2）方法：ReLU函數在訓練多層神經網路時，更容易收斂，並且預測性能更好。

（3）優點：① 易於構建，表達能力強，基本單元便可擴展為復雜的非線性函數

                      ② 並行性號，有利於在分布是系統上應用

（4）局限：① 優化演算法只能獲得局部極值，性能與初始值相關

                      ② 調參理論性缺乏

                      ③ 不可解釋，與實際任務關聯性模糊

（1）原理：由手工設計卷積核變成自動學習卷積核

（2）卷積（Convolutional layer）： 輸入與卷積核相乘再累加 （內積、加權疊加）

① 公式：

② 目的：提取輸入的不同特徵，得到維度很大的 特徵圖（feature map）

③ 卷積核：需要訓練的參數。一般為奇數維，有中心像素點，便於定位卷積核

④ 特點：局部感知、參數變少、權重共享、分層提取

（3）池化（Pooling Layer）：用更高層的抽象表達來表示主要特徵，又稱「降采樣」

① 分類： 最大 （出現與否）、平均（保留整體）、隨機（避免過擬合）

② 目的：降維，不需要訓練參數，得到新的、維度較小的特徵

（4）步長（stride）：若假設輸入大小是n∗n，卷積核的大小是f∗f，步長是s，則最後的feature map的大小為o∗o，其中

（5）填充（zero-padding）

① Full模式：即從卷積核（fileter）和輸入剛相交開始做卷積，沒有元素的部分做補0操作。

② Valid模式：卷積核和輸入完全相交開始做卷積，這種模式不需要補0。

③ Same模式：當卷積核的中心C和輸入開始相交時做卷積。沒有元素的部分做補0操作。

（7）激活函數：加入非線性特徵

（8）全連接層（Fully-connected layer）

如果說卷積層、池化層和激活函數層等是將原始數據映射到隱層特徵空間（決定計算速度），全連接層則起到將學到的「分布式特徵表示」映射到樣本標記空間的作用（決定參數個數）。

參考：

[1]  神經網路（入門最詳細）_ruthy的博客-CSDN博客_神經網路演算法入門

[2]  神經網路（容易被忽視的基礎知識） - Evan的文章 - 知乎

[3]  人工神經網路——王的機器

[4]  如何簡單形象又有趣地講解神經網路是什麼？ - 舒小曼的回答 - 知乎

[5]  神經網路15分鍾入門！足夠通俗易懂了吧 - Mr.括弧的文章 - 知乎

[6]  神經網路——最易懂最清晰的一篇文章_illikang的博客-CSDN博客_神經網路

[7]  直覺化深度學習教程——什麼是前向傳播——CSDN

[8]  「反向傳播演算法」過程及公式推導（超直觀好懂的Backpropagation）_aift的專欄-CSDN

[9]  卷積、反卷積、池化、反池化——CSDN

[10]  浙大機器學習課程- bilibili.com

4. 深度學習中什麼是人工神經網路

人工神經網路（Artificial Neural Network，即ANN ）是從信息處理角度對人腦神經元網路進行抽象，是20世紀80年代以來人工智慧領域興起的研究熱點，其本質是一種運算模型，由大量的節點（或稱神經元）之間相互聯接構成，在模式識別、智能機器人、自動控制、生物、醫學、經濟等領域已成功地解決了許多現代計算機難以解決的實際問題，表現出了良好的智能特性。

人工神經網路是由大量處理單元互聯組成的非線性、自適應信息處理系統，它是在現代 神經科學研究成果的基礎上提出的，試圖通過模擬大腦神經網路處理、記憶信息的方式進行信息處理。人工神經網路具有四個基本特徵：

（1）非線性– 非線性關系是自然界的普遍特性，人工神經元處於激活或抑制二種不同的狀態，這種行為在數學上表現為一種非線性

人工神經網路

由系統外部觀察的單元。神經元間的連接權值反映了單元間的連接強度，信息的表示和處理體現在網路處理單元的連接關系中。

總結:人工神經網路是一種非程序化、 適應性、大腦風格的信息處理 ，其本質是通過網路的變換和動力學行為得到一種並行分布式的信息處理功能，並在不同程度和層次上模仿人腦神經系統的信息處理功能。

5. AlphaGo的神奇全靠它，詳解人工神經網路!

• 01

  Alphago在不被看好的情況下，以4比1擊敗了圍棋世界冠軍李世石，令其名震天下。隨著AlphaGo知名度的不斷提高，人們不禁好奇，究竟是什麼使得AlphaGo得以戰勝人類大腦？AlphaGo的核心依託——人工神經網路。

  什麼是神經網路?

  人工神經網路是一種模仿生物神經網路(動物的中樞神經系統，特別是大腦)的結構和功能的數學模型或計算模型。神經網路由大量的人工神經元聯結進行計算。大多數情況下人工神經網路能在外界信息的基礎上改變內部結構，是一種自適應系統。現代神經網路是一種非線性統計性數據建模工具，常用來對輸入和輸出間復雜的關系進行建模，或用來探索數據的模式。

  神經網路是一種運算模型，由大量的節點（或稱“神經元”，或“單元”）和之間相互聯接構成。每個節點代表一種特定的輸出函數，稱為激勵函數。每兩個節點間的連接都代表一個對於通過該連接信號的加權值，稱之為權重，這相當於人工神經網路的記憶。網路的輸出則依網路的連接方式，權重值和激勵函數的不同而不同。而網路自身通常都是對自然界某種演算法或者函數的逼近，也可能是對一種邏輯策略的表達。

  例如，用於手寫識別的一個神經網路是被可由一個輸入圖像的像素被激活的一組輸入神經元所定義的。在通過函數（由網路的設計者確定）進行加權和變換之後，這些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。這樣決定了被讀取的字。

  它的構築理念是受到人或其他動物神經網路功能的運作啟發而產生的。人工神經網路通常是通過一個基於數學統計學類型的學習方法得以優化，所以人工神經網路也是數學統計學方法的一種實際應用，通過統計學的標准數學方法我們能夠得到大量的可以用函數來表達的局部結構空間，另一方面在人工智慧學的人工感知領域，我們通過數學統計學的應用可以來做人工感知方面的決定問題(也就是說通過統計學的方法，人工神經網路能夠類似人一樣具有簡單的決定能力和簡單的判斷能力)，這種方法比起正式的邏輯學推理演算更具有優勢。

  人工神經網路是一個能夠學習，能夠總結歸納的系統，也就是說它能夠通過已知數據的實驗運用來學習和歸納總結。人工神經網路通過對局部情況的對照比較（而這些比較是基於不同情況下的自動學習和要實際解決問題的復雜性所決定的），它能夠推理產生一個可以自動識別的系統。與之不同的基於符號系統下的學習方法，它們也具有推理功能，只是它們是建立在邏輯演算法的基礎上，也就是說它們之所以能夠推理，基礎是需要有一個推理演算法則的集合。

  2AlphaGo的原理回頂部

  AlphaGo的原理

  首先，AlphaGo同優秀的選手進行了150000場比賽，通過人工神經網路找到這些比賽的模式。然後通過總結，它會預測選手在任何位置高概率進行的一切可能。AlphaGo的設計師通過讓其反復的和早期版本的自己對戰來提高神經網路，使其逐步提高獲勝的機會。

  從廣義上講，神經網路是一個非常復雜的數學模型，通過對其高達數百萬參數的調整來改變的它的行為。神經網路學習的意思是，電腦一直持續對其參數進行微小的調整，來嘗試使其不斷進行微小的改進。在學習的第一階段，神經網路提高模仿選手下棋的概率。在第二階段，它增加自我發揮，贏得比賽的概率。反復對極其復雜的功能進行微小的調整，聽起來十分瘋狂，但是如果有足夠長的時間，足夠快的計算能力，非常好的網路實施起來並不苦難。並且這些調整都是自動進行的。

  經過這兩個階段的訓練，神經網路就可以同圍棋業余愛好者下一盤不錯的棋了。但對於職業來講，它還有很長的路要走。在某種意義上，它並不思考每一手之後的幾步棋，而是通過對未來結果的推算來決定下在哪裡。為了達到職業級別，AlphaGp需要一種新的估算方法。

  為了克服這一障礙，研究人員採取的辦法是讓它反復的和自己進行對戰，以此來使其不斷其對於勝利的估算能力。盡可能的提高每一步的獲勝概率。（在實踐中，AlphaGo對這個想法進行了稍微復雜的調整。）然後，AlphaGo再結合多線程來使用這一方法進行下棋。

  我們可以看到，AlphaGo的評估系統並沒有基於太多的圍棋知識，通過分析現有的無數場比賽的棋譜，以及無數次的自我對戰練習，AlphaGo的神經網路進行了數以十億計的微小調整，即便每次只是一個很小的增量改進。這些調整幫助AlphaGp建立了一個估值系統，這和那些出色圍棋選手的直覺相似，對於棋盤上的每一步棋都了如指掌。

  此外AlphaGo也使用搜索和優化的思想，再加上神經網路的學習功能，這兩者有助於找到棋盤上更好的位置。這也是目前AlphaGo能夠高水平發揮的原因。

  3神經網路的延伸和限制回頂部

  神經網路的延伸和限制

  神經網路的這種能力也可以被用在其他方面，比如讓神經網路學習一種藝術風格，然後再將這種風格應用到其他圖像上。這種想法很簡單：首先讓神經網路接觸到大量的圖像，然後來確認這些圖像的風格，接著將新的圖像帶入這種風格。

  這雖然不是偉大的藝術，但它仍然是一個顯著的利用神經網路來捕捉直覺並且應用在其他地方的例子。

  在過去的幾年中，神經網路在許多領域被用來捕捉直覺和模式識別。許多項目使用神經這些網路，涉及的任務如識別藝術風格或好的視頻游戲的發展戰略。但也有非常不同的網路模擬的直覺驚人的例子，比如語音和自然語言。

  由於這種多樣性，我看到AlphaGo本身不是一個革命性的突破，而是作為一個極其重要的發展前沿：建立系統，可以捕捉的直覺和學會識別模式的能力。此前計算機科學家們已經做了幾十年，沒有取得長足的進展。但現在，神經網路的成功已經大大擴大，我們可以利用電腦攻擊范圍內的潛在問題。

  事實上，目前現有的神經網路的理解能力是非常差的。神經網路很容易被愚弄。用神經網路識別圖像是一個不錯的手段。但是實驗證明，通過對圖像進行細微的改動，就可以愚弄圖像。例如，下面的圖像左邊的圖是原始圖，研究人員對中間的圖像進行了微小的調整後，神經網路就無法區分了，就將原圖顯示了出來。

  另一個限制是，現有的系統往往需要許多模型來學習。例如，AlphaGo從150000場對戰來學習。這是一個很龐大額度數字！很多情況下，顯然無法提供如此龐大的模型案例。

6. 一文看懂四種基本的神經網路架構

原文鏈接：
http://blackblog.tech/2018/02/23/Eight-Neural-Network/

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剛剛入門神經網路，往往會對眾多的神經網路架構感到困惑，神經網路看起來復雜多樣，但是這么多架構無非也就是三類，前饋神經網路，循環網路，對稱連接網路，本文將介紹四種常見的神經網路，分別是CNN，RNN，DBN，GAN。通過這四種基本的神經網路架構，我們來對神經網路進行一定的了解。

神經網路是機器學習中的一種模型，是一種模仿動物神經網路行為特徵，進行分布式並行信息處理的演算法數學模型。這種網路依靠系統的復雜程度，通過調整內部大量節點之間相互連接的關系，從而達到處理信息的目的。
一般來說，神經網路的架構可以分為三類：

前饋神經網路：
這是實際應用中最常見的神經網路類型。第一層是輸入，最後一層是輸出。如果有多個隱藏層，我們稱之為「深度」神經網路。他們計算出一系列改變樣本相似性的變換。各層神經元的活動是前一層活動的非線性函數。

循環網路：
循環網路在他們的連接圖中定向了循環，這意味著你可以按照箭頭回到你開始的地方。他們可以有復雜的動態，使其很難訓練。他們更具有生物真實性。
循環網路的目的使用來處理序列數據。在傳統的神經網路模型中，是從輸入層到隱含層再到輸出層，層與層之間是全連接的，每層之間的節點是無連接的。但是這種普通的神經網路對於很多問題卻無能無力。例如，你要預測句子的下一個單詞是什麼，一般需要用到前面的單詞，因為一個句子中前後單詞並不是獨立的。
循環神經網路，即一個序列當前的輸出與前面的輸出也有關。具體的表現形式為網路會對前面的信息進行記憶並應用於當前輸出的計算中，即隱藏層之間的節點不再無連接而是有連接的，並且隱藏層的輸入不僅包括輸入層的輸出還包括上一時刻隱藏層的輸出。

對稱連接網路：
對稱連接網路有點像循環網路，但是單元之間的連接是對稱的（它們在兩個方向上權重相同）。比起循環網路，對稱連接網路更容易分析。這個網路中有更多的限制，因為它們遵守能量函數定律。沒有隱藏單元的對稱連接網路被稱為「Hopfield 網路」。有隱藏單元的對稱連接的網路被稱為玻爾茲曼機。

其實之前的帖子講過一些關於感知機的內容，這里再復述一下。
首先還是這張圖
這是一個M-P神經元

一個神經元有n個輸入，每一個輸入對應一個權值w，神經元內會對輸入與權重做乘法後求和，求和的結果與偏置做差，最終將結果放入激活函數中，由激活函數給出最後的輸出，輸出往往是二進制的，0 狀態代表抑制，1 狀態代表激活。

可以把感知機看作是 n 維實例空間中的超平面決策面，對於超平面一側的樣本，感知器輸出 1，對於另一側的實例輸出 0，這個決策超平面方程是 w⋅x=0。 那些可以被某一個超平面分割的正反樣例集合稱為線性可分(linearly separable)樣例集合，它們就可以使用圖中的感知機表示。
與、或、非問題都是線性可分的問題，使用一個有兩輸入的感知機能容易地表示，而異或並不是一個線性可分的問題，所以使用單層感知機是不行的，這時候就要使用多層感知機來解決疑惑問題了。

如果我們要訓練一個感知機，應該怎麼辦呢？
我們會從隨機的權值開始，反復地應用這個感知機到每個訓練樣例，只要它誤分類樣例就修改感知機的權值。重復這個過程，直到感知機正確分類所有的樣例。每一步根據感知機訓練法則來修改權值，也就是修改與輸入 xi 對應的權 wi，法則如下：

這里 t 是當前訓練樣例的目標輸出，o 是感知機的輸出，η 是一個正的常數稱為學習速率。學習速率的作用是緩和每一步調整權的程度，它通常被設為一個小的數值（例如 0.1），而且有時會使其隨著權調整次數的增加而衰減。

多層感知機，或者說是多層神經網路無非就是在輸入層與輸出層之間加了多個隱藏層而已，後續的CNN，DBN等神經網路只不過是將重新設計了每一層的類型。感知機可以說是神經網路的基礎，後續更為復雜的神經網路都離不開最簡單的感知機的模型，

談到機器學習，我們往往還會跟上一個詞語，叫做模式識別，但是真實環境中的模式識別往往會出現各種問題。比如：
圖像分割：真實場景中總是摻雜著其它物體。很難判斷哪些部分屬於同一個對象。對象的某些部分可以隱藏在其他對象的後面。
物體光照：像素的強度被光照強烈影響。
圖像變形：物體可以以各種非仿射方式變形。例如，手寫也可以有一個大的圓圈或只是一個尖頭。
情景支持：物體所屬類別通常由它們的使用方式來定義。例如，椅子是為了讓人們坐在上面而設計的，因此它們具有各種各樣的物理形狀。
卷積神經網路與普通神經網路的區別在於，卷積神經網路包含了一個由卷積層和子采樣層構成的特徵抽取器。在卷積神經網路的卷積層中，一個神經元只與部分鄰層神經元連接。在CNN的一個卷積層中，通常包含若干個特徵平面(featureMap)，每個特徵平面由一些矩形排列的的神經元組成，同一特徵平面的神經元共享權值，這里共享的權值就是卷積核。卷積核一般以隨機小數矩陣的形式初始化，在網路的訓練過程中卷積核將學習得到合理的權值。共享權值（卷積核）帶來的直接好處是減少網路各層之間的連接，同時又降低了過擬合的風險。子采樣也叫做池化（pooling），通常有均值子采樣（mean pooling）和最大值子采樣（max pooling）兩種形式。子采樣可以看作一種特殊的卷積過程。卷積和子采樣大大簡化了模型復雜度，減少了模型的參數。
卷積神經網路由三部分構成。第一部分是輸入層。第二部分由n個卷積層和池化層的組合組成。第三部分由一個全連結的多層感知機分類器構成。
這里舉AlexNet為例：

·輸入：224×224大小的圖片，3通道
·第一層卷積：11×11大小的卷積核96個，每個GPU上48個。
·第一層max-pooling：2×2的核。
·第二層卷積：5×5卷積核256個，每個GPU上128個。
·第二層max-pooling：2×2的核。
·第三層卷積：與上一層是全連接，3*3的卷積核384個。分到兩個GPU上個192個。
·第四層卷積：3×3的卷積核384個，兩個GPU各192個。該層與上一層連接沒有經過pooling層。
·第五層卷積：3×3的卷積核256個，兩個GPU上個128個。
·第五層max-pooling：2×2的核。
·第一層全連接：4096維，將第五層max-pooling的輸出連接成為一個一維向量，作為該層的輸入。
·第二層全連接：4096維
·Softmax層：輸出為1000，輸出的每一維都是圖片屬於該類別的概率。

卷積神經網路在模式識別領域有著重要應用，當然這里只是對卷積神經網路做了最簡單的講解，卷積神經網路中仍然有很多知識，比如局部感受野，權值共享，多卷積核等內容，後續有機會再進行講解。

傳統的神經網路對於很多問題難以處理，比如你要預測句子的下一個單詞是什麼，一般需要用到前面的單詞，因為一個句子中前後單詞並不是獨立的。RNN之所以稱為循環神經網路，即一個序列當前的輸出與前面的輸出也有關。具體的表現形式為網路會對前面的信息進行記憶並應用於當前輸出的計算中，即隱藏層之間的節點不再無連接而是有連接的，並且隱藏層的輸入不僅包括輸入層的輸出還包括上一時刻隱藏層的輸出。理論上，RNN能夠對任何長度的序列數據進行處理。
這是一個簡單的RNN的結構，可以看到隱藏層自己是可以跟自己進行連接的。

那麼RNN為什麼隱藏層能夠看到上一刻的隱藏層的輸出呢，其實我們把這個網路展開來開就很清晰了。

從上面的公式我們可以看出，循環層和全連接層的區別就是循環層多了一個權重矩陣 W。
如果反復把式2帶入到式1，我們將得到：

在講DBN之前，我們需要對DBN的基本組成單位有一定的了解，那就是RBM，受限玻爾茲曼機。
首先什麼是玻爾茲曼機？
[圖片上傳失敗...(image-d36b31-1519636788074)]
如圖所示為一個玻爾茲曼機，其藍色節點為隱層，白色節點為輸入層。
玻爾茲曼機和遞歸神經網路相比，區別體現在以下幾點：
1、遞歸神經網路本質是學習一個函數，因此有輸入和輸出層的概念，而玻爾茲曼機的用處在於學習一組數據的「內在表示」，因此其沒有輸出層的概念。
2、遞歸神經網路各節點鏈接為有向環，而玻爾茲曼機各節點連接成無向完全圖。

而受限玻爾茲曼機是什麼呢？
最簡單的來說就是加入了限制，這個限制就是將完全圖變成了二分圖。即由一個顯層和一個隱層構成，顯層與隱層的神經元之間為雙向全連接。

h表示隱藏層，v表示顯層
在RBM中，任意兩個相連的神經元之間有一個權值w表示其連接強度，每個神經元自身有一個偏置系數b（對顯層神經元）和c（對隱層神經元）來表示其自身權重。
具體的公式推導在這里就不展示了

DBN是一個概率生成模型，與傳統的判別模型的神經網路相對，生成模型是建立一個觀察數據和標簽之間的聯合分布，對P(Observation|Label)和 P(Label|Observation)都做了評估，而判別模型僅僅而已評估了後者，也就是P(Label|Observation)。
DBN由多個限制玻爾茲曼機（Restricted Boltzmann Machines）層組成，一個典型的神經網路類型如圖所示。這些網路被「限制」為一個可視層和一個隱層，層間存在連接，但層內的單元間不存在連接。隱層單元被訓練去捕捉在可視層表現出來的高階數據的相關性。

生成對抗網路其實在之前的帖子中做過講解，這里在說明一下。
生成對抗網路的目標在於生成，我們傳統的網路結構往往都是判別模型，即判斷一個樣本的真實性。而生成模型能夠根據所提供的樣本生成類似的新樣本，注意這些樣本是由計算機學習而來的。
GAN一般由兩個網路組成，生成模型網路，判別模型網路。
生成模型 G 捕捉樣本數據的分布，用服從某一分布（均勻分布，高斯分布等）的雜訊 z 生成一個類似真實訓練數據的樣本，追求效果是越像真實樣本越好；判別模型 D 是一個二分類器，估計一個樣本來自於訓練數據（而非生成數據）的概率，如果樣本來自於真實的訓練數據，D 輸出大概率，否則，D 輸出小概率。
舉個例子：生成網路 G 好比假幣製造團伙，專門製造假幣，判別網路 D 好比警察，專門檢測使用的貨幣是真幣還是假幣，G 的目標是想方設法生成和真幣一樣的貨幣，使得 D 判別不出來，D 的目標是想方設法檢測出來 G 生成的假幣。
傳統的判別網路：

生成對抗網路：

下面展示一個cDCGAN的例子（前面帖子中寫過的）
生成網路

判別網路

最終結果，使用MNIST作為初始樣本，通過學習後生成的數字，可以看到學習的效果還是不錯的。

本文非常簡單的介紹了四種神經網路的架構，CNN，RNN，DBN，GAN。當然也僅僅是簡單的介紹，並沒有深層次講解其內涵。這四種神經網路的架構十分常見，應用也十分廣泛。當然關於神經網路的知識，不可能幾篇帖子就講解完，這里知識講解一些基礎知識，幫助大家快速入（zhuang）門（bi）。後面的帖子將對深度自動編碼器，Hopfield 網路長短期記憶網路（LSTM）進行講解。

7. 前饋神經網路、BP神經網路、卷積神經網路的區別與聯系

一、計算方法不同

1、前饋神經網路：一種最簡單的神經網路，各神經元分層排列。每個神經元只與前一層的神經元相連。接收前一層的輸出，並輸出給下一層．各層間沒有反饋。

2、BP神經網路：是一種按照誤差逆向傳播演算法訓練的多層前饋神經網路。

3、卷積神經網路：包含卷積計算且具有深度結構的前饋神經網路。

二、用途不同

1、前饋神經網路：主要應用包括感知器網路、BP網路和RBF網路。

2、BP神經網路：

（1）函數逼近：用輸入向量和相應的輸出向量訓練一個網路逼近一個函數；

（2）模式識別：用一個待定的輸出向量將它與輸入向量聯系起來；

（3）分類：把輸入向量所定義的合適方式進行分類；

（4）數據壓縮：減少輸出向量維數以便於傳輸或存儲。

3、卷積神經網路：可應用於圖像識別、物體識別等計算機視覺、自然語言處理、物理學和遙感科學等領域。

聯系：

BP神經網路和卷積神經網路都屬於前饋神經網路，三者都屬於人工神經網路。因此，三者原理和結構相同。

三、作用不同

1、前饋神經網路：結構簡單，應用廣泛，能夠以任意精度逼近任意連續函數及平方可積函數．而且可以精確實現任意有限訓練樣本集。

2、BP神經網路：具有很強的非線性映射能力和柔性的網路結構。網路的中間層數、各層的神經元個數可根據具體情況任意設定，並且隨著結構的差異其性能也有所不同。

3、卷積神經網路：具有表徵學習能力，能夠按其階層結構對輸入信息進行平移不變分類。

(7)神經網路體現在哪裡擴展閱讀：

1、BP神經網路優劣勢

BP神經網路無論在網路理論還是在性能方面已比較成熟。其突出優點就是具有很強的非線性映射能力和柔性的網路結構。網路的中間層數、各層的神經元個數可根據具體情況任意設定，並且隨著結構的差異其性能也有所不同。但是BP神經網路也存在以下的一些主要缺陷。

①學習速度慢，即使是一個簡單的問題，一般也需要幾百次甚至上千次的學習才能收斂。

②容易陷入局部極小值。

③網路層數、神經元個數的選擇沒有相應的理論指導。

④網路推廣能力有限。

2、人工神經網路的特點和優越性，主要表現在以下三個方面

①具有自學習功能。例如實現圖像識別時，只在先把許多不同的圖像樣板和對應的應識別的結果輸入人工神經網路，網路就會通過自學習功能，慢慢學會識別類似的圖像。自學習功能對於預測有特別重要的意義。預期未來的人工神經網路計算機將為人類提供經濟預測、效益預測，其應用前途是很遠大的。

②具有聯想存儲功能。用人工神經網路的反饋網路就可以實現這種聯想。

③具有高速尋找優化解的能力。尋找一個復雜問題的優化解，往往需要很大的計算量，利用一個針對某問題而設計的反饋型人工神經網路，發揮計算機的高速運算能力，可能很快找到優化解。

8. 人工神經網路，人工神經網路是什麼意思

一、 人工神經網路的概念
人工神經網路（Artificial Neural Network，ANN）簡稱神經網路(NN)，是基於生物學中神經網路的基本原理，在理解和抽象了人腦結構和外界刺激響應機制後，以網路拓撲知識為理論基礎，模擬人腦的神經系統對復雜信息的處理機制的一種數學模型。該模型以並行分布的處理能力、高容錯性、智能化和自學習等能力為特徵，將信息的加工和存儲結合在一起，以其獨特的知識表示方式和智能化的自適應學習能力，引起各學科領域的關注。它實際上是一個有大量簡單元件相互連接而成的復雜網路，具有高度的非線性，能夠進行復雜的邏輯操作和非線性關系實現的系統。
神經網路是一種運算模型，由大量的節點（或稱神經元）之間相互聯接構成。每個節點代表一種特定的輸出函數，稱為激活函數（activation function）。每兩個節點間的連接都代表一個對於通過該連接信號的加權值，稱之為權重（weight），神經網路就是通過這種方式來模擬人類的記憶。網路的輸出則取決於網路的結構、網路的連接方式、權重和激活函數。而網路自身通常都是對自然界某種演算法或者函數的逼近，也可能是對一種邏輯策略的表達。神經網路的構築理念是受到生物的神經網路運作啟發而產生的。人工神經網路則是把對生物神經網路的認識與數學統計模型相結合，藉助數學統計工具來實現。另一方面在人工智慧學的人工感知領域，我們通過數學統計學的方法，使神經網路能夠具備類似於人的決定能力和簡單的判斷能力，這種方法是對傳統邏輯學演算的進一步延伸。
人工神經網路中，神經元處理單元可表示不同的對象，例如特徵、字母、概念，或者一些有意義的抽象模式。網路中處理單元的類型分為三類：輸入單元、輸出單元和隱單元。輸入單元接受外部世界的信號與數據；輸出單元實現系統處理結果的輸出；隱單元是處在輸入和輸出單元之間，不能由系統外部觀察的單元。神經元間的連接權值反映了單元間的連接強度，信息的表示和處理體現在網路處理單元的連接關系中。人工神經網路是一種非程序化、適應性、大腦風格的信息處理，其本質是通過網路的變換和動力學行為得到一種並行分布式的信息處理功能，並在不同程度和層次上模仿人腦神經系統的信息處理功能。
神經網路，是一種應用類似於大腦神經突觸連接結構進行信息處理的數學模型，它是在人類對自身大腦組織結合和思維機制的認識理解基礎之上模擬出來的，它是根植於神經科學、數學、思維科學、人工智慧、統計學、物理學、計算機科學以及工程科學的一門技術。
二、 人工神經網路的發展
神經網路的發展有悠久的歷史。其發展過程大致可以概括為如下4個階段。
1. 第一階段----啟蒙時期
(1)、M-P神經網路模型：20世紀40年代，人們就開始了對神經網路的研究。1943 年，美國心理學家麥克洛奇（Mcculloch）和數學家皮茲（Pitts）提出了M-P模型，此模型比較簡單，但是意義重大。在模型中，通過把神經元看作個功能邏輯器件來實現演算法，從此開創了神經網路模型的理論研究。
(2)、Hebb規則：1949 年，心理學家赫布（Hebb）出版了《The Organization of Behavior》（行為組織學），他在書中提出了突觸連接強度可變的假設。這個假設認為學習過程最終發生在神經元之間的突觸部位，突觸的連接強度隨之突觸前後神經元的活動而變化。這一假設發展成為後來神經網路中非常著名的Hebb規則。這一法則告訴人們，神經元之間突觸的聯系強度是可變的，這種可變性是學習和記憶的基礎。Hebb法則為構造有學習功能的神經網路模型奠定了基礎。
(3)、感知器模型：1957 年，羅森勃拉特（Rosenblatt）以M-P 模型為基礎，提出了感知器（Perceptron）模型。感知器模型具有現代神經網路的基本原則，並且它的結構非常符合神經生理學。這是一個具有連續可調權值矢量的MP神經網路模型，經過訓練可以達到對一定的輸入矢量模式進行分類和識別的目的，它雖然比較簡單，卻是第一個真正意義上的神經網路。Rosenblatt 證明了兩層感知器能夠對輸入進行分類，他還提出了帶隱層處理元件的三層感知器這一重要的研究方向。Rosenblatt 的神經網路模型包含了一些現代神經計算機的基本原理，從而形成神經網路方法和技術的重大突破。
(4)、ADALINE網路模型： 1959年，美國著名工程師威德羅（B.Widrow）和霍夫（M.Hoff）等人提出了自適應線性元件(Adaptive linear element，簡稱Adaline)和Widrow-Hoff學習規則（又稱最小均方差演算法或稱δ規則）的神經網路訓練方法，並將其應用於實際工程，成為第一個用於解決實際問題的人工神經網路，促進了神經網路的研究應用和發展。ADALINE網路模型是一種連續取值的自適應線性神經元網路模型，可以用於自適應系統。
2. 第二階段----低潮時期
人工智慧的創始人之一Minsky和Papert對以感知器為代表的網路系統的功能及局限性從數學上做了深入研究，於1969年發表了轟動一時《Perceptrons》一書，指出簡單的線性感知器的功能是有限的，它無法解決線性不可分的兩類樣本的分類問題，如簡單的線性感知器不可能實現「異或」的邏輯關系等。這一論斷給當時人工神經元網路的研究帶來沉重的打擊。開始了神經網路發展史上長達10年的低潮期。
(1)、自組織神經網路SOM模型：1972年，芬蘭的KohonenT.教授，提出了自組織神經網路SOM(Self-Organizing feature map)。後來的神經網路主要是根據KohonenT.的工作來實現的。SOM網路是一類無導師學習網路，主要用於模式識別﹑語音識別及分類問題。它採用一種「勝者為王」的競爭學習演算法，與先前提出的感知器有很大的不同，同時它的學習訓練方式是無指導訓練，是一種自組織網路。這種學習訓練方式往往是在不知道有哪些分類類型存在時，用作提取分類信息的一種訓練。
(2)、自適應共振理論ART：1976年，美國Grossberg教授提出了著名的自適應共振理論ART(Adaptive Resonance Theory)，其學習過程具有自組織和自穩定的特徵。
3. 第三階段----復興時期
(1)、Hopfield模型：1982年，美國物理學家霍普菲爾德（Hopfield）提出了一種離散神經網路，即離散Hopfield網路，從而有力地推動了神經網路的研究。在網路中，它首次將李雅普諾夫（Lyapunov）函數引入其中，後來的研究學者也將Lyapunov函數稱為能量函數。證明了網路的穩定性。1984年，Hopfield 又提出了一種連續神經網路，將網路中神經元的激活函數由離散型改為連續型。1985 年，Hopfield和Tank利用Hopfield神經網路解決了著名的旅行推銷商問題（Travelling Salesman Problem）。Hopfield神經網路是一組非線性微分方程。Hopfield的模型不僅對人工神經網路信息存儲和提取功能進行了非線性數學概括，提出了動力方程和學習方程，還對網路演算法提供了重要公式和參數，使人工神經網路的構造和學習有了理論指導，在Hopfield模型的影響下，大量學者又激發起研究神經網路的熱情，積極投身於這一學術領域中。因為Hopfield 神經網路在眾多方面具有巨大潛力，所以人們對神經網路的研究十分地重視，更多的人開始了研究神經網路，極大地推動了神經網路的發展。
(2)、Boltzmann機模型：1983年，Kirkpatrick等人認識到模擬退火演算法可用於NP完全組合優化問題的求解，這種模擬高溫物體退火過程來找尋全局最優解的方法最早由Metropli等人1953年提出的。1984年，Hinton與年輕學者Sejnowski等合作提出了大規模並行網路學習機，並明確提出隱單元的概念，這種學習機後來被稱為Boltzmann機。
Hinton和Sejnowsky利用統計物理學的感念和方法，首次提出的多層網路的學習演算法，稱為Boltzmann 機模型。
(3)、BP神經網路模型：1986年，儒默哈特（D.E.Ru melhart）等人在多層神經網路模型的基礎上，提出了多層神經網路權值修正的反向傳播學習演算法----BP演算法（Error Back-Propagation），解決了多層前向神經網路的學習問題，證明了多層神經網路具有很強的學習能力，它可以完成許多學習任務，解決許多實際問題。
(4)、並行分布處理理論：1986年，由Rumelhart和McCkekkand主編的《Parallel Distributed Processing：Exploration in the Microstructures of Cognition》，該書中，他們建立了並行分布處理理論，主要致力於認知的微觀研究，同時對具有非線性連續轉移函數的多層前饋網路的誤差反向傳播演算法即BP演算法進行了詳盡的分析，解決了長期以來沒有權值調整有效演算法的難題。可以求解感知機所不能解決的問題，回答了《Perceptrons》一書中關於神經網路局限性的問題，從實踐上證實了人工神經網路有很強的運算能力。
(5)、細胞神經網路模型：1988年，Chua和Yang提出了細胞神經網路（CNN）模型，它是一個細胞自動機特性的大規模非線性計算機模擬系統。Kosko建立了雙向聯想存儲模型（BAM），它具有非監督學習能力。
(6)、Darwinism模型：Edelman提出的Darwinism模型在90年代初產生了很大的影響，他建立了一種神經網路系統理論。
(7)、1988年，Linsker對感知機網路提出了新的自組織理論，並在Shanon資訊理論的基礎上形成了最大互信息理論，從而點燃了基於NN的信息應用理論的光芒。
(8)、1988年，Broomhead和Lowe用徑向基函數(Radialbasis function, RBF)提出分層網路的設計方法，從而將NN的設計與數值分析和線性適應濾波相掛鉤。
(9)、1991年，Haken把協同引入神經網路，在他的理論框架中，他認為，認知過程是自發的，並斷言模式識別過程即是模式形成過程。
(10)、1994年，廖曉昕關於細胞神經網路的數學理論與基礎的提出，帶來了這個領域新的進展。通過拓廣神經網路的激活函數類，給出了更一般的時滯細胞神經網路(DCNN)、Hopfield神經網路（HNN）、雙向聯想記憶網路（BAM）模型。
(11)、90年代初，Vapnik等提出了支持向量機(Supportvector machines, SVM)和VC(Vapnik-Chervonenkis)維數的概念。
經過多年的發展，已有上百種的神經網路模型被提出。

9. 神經網路淺談

人工智慧技術是當前炙手可熱的話題，而基於神經網路的深度學習技術更是熱點中的熱點。去年穀歌的Alpha Go 以4:1大比分的優勢戰勝韓國的李世石九段，展現了深度學習的強大威力，後續強化版的Alpha Master和無師自通的Alpha Zero更是在表現上完全碾壓前者。不論你怎麼看，以深度學習為代表的人工智慧技術正在塑造未來。

下圖為英偉達（NVIDIA）公司近年來的股價情況， 該公司的主要產品是「圖形處理器」（GPU），而GPU被證明能大大加快神經網路的訓練速度，是深度學習必不可少的計算組件。英偉達公司近年來股價的飛漲足以證明當前深度學習的井噴之勢。

好，話不多說，下面簡要介紹神經網路的基本原理、發展脈絡和優勢。

神經網路是一種人類由於受到生物神經細胞結構啟發而研究出的一種演算法體系，是機器學習演算法大類中的一種。首先讓我們來看人腦神經元細胞：

一個神經元通常具有多個樹突 ，主要用來接受傳入信息，而軸突只有一條，軸突尾端有許多軸突末梢，可以給其他多個神經元傳遞信息。軸突末梢跟其他神經元的樹突產生連接，從而傳遞信號。

下圖是一個經典的神經網路（Artificial Neural Network,ANN）：

乍一看跟傳統互聯網的拓撲圖有點類似，這也是稱其為網路的原因，不同的是節點之間通過有向線段連接，並且節點被分成三層。我們稱圖中的圓圈為神經元，左邊三個神經元組成的一列為輸入層，中間神經元列為隱藏層,右邊神經元列為輸出層，神經元之間的箭頭為權重。

神經元是計算單元，相當於神經元細胞的細胞核，利用輸入的數據進行計算，然後輸出，一般由一個線性計算部分和一個非線性計算部分組成；輸入層和輸出層實現數據的輸入輸出，相當於細胞的樹突和軸突末梢；隱藏層指既不是輸入也不是輸出的神經元層，一個神經網路可以有很多個隱藏層。

神經網路的關鍵不是圓圈代表的神經元，而是每條連接線對應的權重。每條連接線對應一個權重，也就是一個參數。權重具體的值需要通過神經網路的訓練才能獲得。我們實際生活中的學習體現在大腦中就是一系列神經網路迴路的建立與強化，多次重復的學習能讓迴路變得更加粗壯，使得信號的傳遞速度加快，最後對外表現為「深刻」的記憶。人工神經網路的訓練也借鑒於此，如果某種映射關系出現很多次，那麼在訓練過程中就相應調高其權重。

1943年，心理學家McCulloch和數學家Pitts參考了生物神經元的結構，發表了抽象的神經元模型MP：

符號化後的模型如下：

Sum函數計算各權重與輸入乘積的線性組合，是神經元中的線性計算部分，而sgn是取符號函數，當輸入大於0時，輸出1，反之輸出0，是神經元中的非線性部分。向量化後的公式為z=sgn(w^T a)（w^T=(w_1,w_2,w_3)，a=〖(a_1,a_2,a_3)〗^T）。

但是，MP模型中，權重的值都是預先設置的，因此不能學習。該模型雖然簡單，並且作用有限，但已經建立了神經網路大廈的地基

1958年，計算科學家Rosenblatt提出了由兩層神經元組成(一個輸入層，一個輸出層)的神經網路。他給它起了一個名字–「感知器」（Perceptron）

感知器是當時首個可以學習的人工神經網路。Rosenblatt現場演示了其學習識別簡單圖像的過程，在當時引起了轟動，掀起了第一波神經網路的研究熱潮。

但感知器只能做簡單的線性分類任務。1969年，人工智慧領域的巨擘Minsky指出這點，並同時指出感知器對XOR（異或，即兩個輸入相同時輸出0，不同時輸出1）這樣的簡單邏輯都無法解決。所以，明斯基認為神經網路是沒有價值的。

隨後，神經網路的研究進入低谷，又稱 AI Winter 。

Minsky說過單層神經網路無法解決異或問題，但是當增加一個計算層以後，兩層神經網路不僅可以解決異或問題，而且具有非常好的非線性分類效果。

下圖為兩層神經網路（輸入層一般不算在內）：

上圖中，輸出層的輸入是上一層的輸出。

向量化後的公式為：

注意：

每個神經元節點默認都有偏置變數b，加上偏置變數後的計算公式為：

同時，兩層神經網路不再使用sgn函數作為激勵函數，而採用平滑的sigmoid函數：

σ(z)=1/(1+e^(-z) )

其圖像如下：

理論證明： 兩層及以上的神經網路可以無限逼近真實的對應函數，從而模擬數據之間的真實關系 ，這是神經網路強大預測能力的根本。但兩層神經網路的計算量太大，當時的計算機的計算能力完全跟不上，直到1986年，Rumelhar和Hinton等人提出了反向傳播（Backpropagation，BP）演算法，解決了兩層神經網路所需要的復雜計算量問題，帶動了業界使用兩層神經網路研究的熱潮。

但好景不長，演算法的改進僅使得神經網路風光了幾年，然而計算能力不夠，局部最優解，調參等一系列問題一直困擾研究人員。90年代中期，由Vapnik等人發明的SVM（Support Vector Machines，支持向量機）演算法誕生，很快就在若干個方面體現出了對比神經網路的優勢：無需調參；高效；全局最優解。

由於以上原因，SVM迅速打敗了神經網路演算法成為主流。神經網路的研究再一次進入低谷， AI Winter again 。

多層神經網路一般指兩層或兩層以上的神經網路（不包括輸入層），更多情況下指兩層以上的神經網路。

2006年，Hinton提出使用 預訓練 」（pre-training）和「微調」(fine-tuning)技術能優化神經網路訓練，大幅度減少訓練多層神經網路的時間

並且，他給多層神經網路相關的學習方法賦予了一個新名詞–「 深度學習 」，以此為起點，「深度學習」紀元開始了：）

「深度學習」一方面指神經網路的比較「深」，也就是層數較多；另一方面也可以指神經網路能學到很多深層次的東西。研究發現，在權重參數不變的情況下，增加神經網路的層數，能增強神經網路的表達能力。

但深度學習究竟有多強大呢？沒人知道。2012年，Hinton與他的學生在ImageNet競賽中，用多層的卷積神經網路成功地對包含一千類別的一百萬張圖片進行了訓練，取得了分類錯誤率15%的好成績，這個成績比第二名高了近11個百分點，充分證明了多層神經網路識別效果的優越性。

同時，科研人員發現GPU的大規模並行矩陣運算模式完美地契合神經網路訓練的需要，在同等情況下，GPU的速度要比CPU快50-200倍，這使得神經網路的訓練時間大大減少，最終再一次掀起了神經網路研究的熱潮，並且一直持續到現在。

2016年基於深度學習的Alpha Go在圍棋比賽中以4:1的大比分優勢戰勝了李世石，深度學習的威力再一次震驚了世界。

神經網路的發展歷史曲折盪漾，既有被捧上神壇的高潮，也有無人問津的低谷，中間經歷了數次大起大落，我們姑且稱之為「三起三落」吧，其背後則是演算法的改進和計算能力的持續發展。

下圖展示了神經網路自發明以來的發展情況及一些重大時間節點。

當然，對於神經網路我們也要保持清醒的頭腦。由上圖，每次神經網路研究的興盛期持續10年左右，從最近2012年算起，或許10年後的2022年，神經網路的發展將再次遇到瓶頸。

神經網路作為機器學習的一種，其模型訓練的目的，就是使得參數盡可能的與真實的模型逼近。理論證明，兩層及以上的神經網路可以無限逼近真實的映射函數。因此，給定足夠的訓練數據和訓練時間，總能通過神經網路找到無限逼近真實關系的模型。

具體做法：首先給所有權重參數賦上隨機值，然後使用這些隨機生成的參數值，來預測訓練數據中的樣本。假設樣本的預測目標為yp ，真實目標為y，定義值loss，計算公式如下：

loss = (yp -y) ^2

這個值稱之為 損失 （loss），我們的目標就是使對所有訓練數據的損失和盡可能的小，這就轉化為求loss函數極值的問題。

一個常用方法是高等數學中的求導，但由於參數不止一個，求導後計算導數等於0的運算量很大，所以常用梯度下降演算法來解決這樣的優化問題。梯度是一個向量，由函數的各自變數的偏導數組成。

比如對二元函數 f =(x,y)，則梯度∇f=(∂f/∂x,∂f/∂y)。梯度的方向是函數值上升最快的方向。梯度下降演算法每次計算參數在當前的梯度，然後讓參數向著梯度的反方向前進一段距離，不斷重復，直到梯度接近零時截止。一般這個時候，所有的參數恰好達到使損失函數達到一個最低值的狀態。下圖為梯度下降的大致運行過程：

在神經網路模型中，由於結構復雜，每次計算梯度的代價很大。因此還需要使用 反向傳播 （Back Propagation）演算法。反向傳播演算法利用了神經網路的結構進行計算，不一次計算所有參數的梯度，而是從後往前。首先計算輸出層的梯度，然後是第二個參數矩陣的梯度，接著是中間層的梯度，再然後是第一個參數矩陣的梯度，最後是輸入層的梯度。計算結束以後，所要的兩個參數矩陣的梯度就都有了。當然，梯度下降只是其中一個優化演算法，其他的還有牛頓法、RMSprop等。

確定loss函數的最小值後，我們就確定了整個神經網路的權重，完成神經網路的訓練。

在神經網路中一樣的參數數量，可以用更深的層次去表達。

由上圖，不算上偏置參數的話，共有三層神經元，33個權重參數。

由下圖，保持權重參數不變，但增加了兩層神經元。

在多層神經網路中，每一層的輸入是前一層的輸出，相當於在前一層的基礎上學習，更深層次的神經網路意味著更深入的表示特徵，以及更強的函數模擬能力。更深入的表示特徵可以這樣理解，隨著網路的層數增加，每一層對於前一層次的抽象表示更深入。

如上圖，第一個隱藏層學習到「邊緣」的特徵，第二個隱藏層學習到「邊緣」組成的「形狀」的特徵，第三個隱藏層學習到由「形狀」組成的「圖案」的特徵，最後的隱藏層學習到由「圖案」組成的「目標」的特徵。通過抽取更抽象的特徵來對事物進行區分，從而獲得更好的區分與分類能力。

前面提到， 明斯基認為Rosenblatt提出的感知器模型不能處理最簡單的「異或」（XOR）非線性問題，所以神經網路的研究沒有前途，但當增加一層神經元後，異或問題得到了很好地解決，原因何在？原來從輸入層到隱藏層，數據發生了空間變換，坐標系發生了改變，因為矩陣運算本質上就是一種空間變換。

如下圖，紅色和藍色的分界線是最終的分類結果，可以看到，該分界線是一條非常平滑的曲線。

但是，改變坐標系後，分界線卻表現為直線，如下圖：

同時，非線性激勵函數的引入使得神經網路對非線性問題的表達能力大大加強。

對於傳統的樸素貝葉斯、決策樹、支持向量機SVM等分類器，提取特徵是一個非常重要的前置工作。在正式訓練之前，需要花費大量的時間在數據的清洗上，這樣分類器才能清楚地知道數據的維度，要不然基於概率和空間距離的線性分類器是沒辦法進行工作的。然而在神經網路中，由於巨量的線性分類器的堆疊（並行和串列）以及卷積神經網路的使用，它對雜訊的忍耐能力、對多通道數據上投射出來的不同特徵偏向的敏感程度會自動重視或忽略，這樣我們在處理的時候，就不需要使用太多的技巧用於數據的清洗了。有趣的是，業內大佬常感嘆，「你可能知道SVM等機器學習的所有細節，但是效果並不好，而神經網路更像是一個黑盒，很難知道它究竟在做什麼，但工作效果卻很好」。

人類對機器學習的環節干預越少，就意味著距離人工智慧的方向越近。神經網路的這個特性非常有吸引力。

1) 谷歌的TensorFlow開發了一個非常有意思的神經網路 入門教程 ，用戶可以非常方便地在網頁上更改神經網路的參數，並且能看到實時的學習效率和結果，非常適合初學者掌握神經網路的基本概念及神經網路的原理。網頁截圖如下：

2) 深度學習領域大佬吳恩達不久前發布的《 神經網路和深度學習 》MOOC，現在可以在網易雲課堂上免費觀看了，並且還有中文字幕。

3) 《神經網路於深度學習》（Michael Nielsen著）、《白話深度學習與TensorFlow》也是不錯的入門書籍。

10. 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。