深度神经网络原理与实践
yuzhou 2019-07-01
理论基础
什么是神经网络
我们知道深度学习是机器学习的一个分支，是一种以人工神经网络为架构，对数据进行表征学习的算法。而深度神经网络又是深度学习的一个分支，它在 wikipedia 上的解释如下：
深度神经网络（Deep Neural Networks, DNN）是一种判别模型，具备至少一个隐层的神经网络，可以使用反向传播算法进行训练。权重更新可以使用下式进行随机梯度下降法求解。
首先我们可以知道，深度神经网络是一种判别模型。意思就是已知变量 x ，通过判别模型可以推算出 y。比如机器学习中常用到的案例，通过手写数字，模型推断出手写的是数字几。
深度神经网络中的“深度”指的是一系列连续的表示层，数据模型中包含了多少层，这就被称为模型的“深度”。通过这些层我们可以对数据进行高层的抽象。如下图所示，深度神级网络由一个输入层，多个（至少一个）隐层，以及一个输出层构成，而且输入层与输出层的数量不一定是对等的。每一层都有若干个神经元，神经元之间有连接权重。
还是上面的案例，识别手写数字，手写的数字要怎么转成输入呢？既然是手写，那么肯定是一张图片，图片由多个像素点组成，这些像素点可以构成一个输入，经过多层神经网络，输出10个数字，这个10个数字就代表了数字 0 ~ 9 的概率。
神经元如何输入输出
神经网络中的每个神经元都可以看成是一个简单的线性函数，下面我们构造一个简单的三层的神经网络来看看。
如上图所示，n1 可以表示为：
$$n_1 = w_{1,1}x_1 + w_{2,1}x_2 + w_{3,1}x_3 + b$$
其中 w_{1,1} 表示神经元之间的权重，b 为一个常量，作为函数的偏移量。较小的权重可以弱化某个神经元对下一个神经元造成的影响，而较大的权重将放大信号。假设 w_{1,1} 为 0.1，w_{3,1} 为 0.7，那么 x3 对 n1 的影响要大于 x1。你可能会问，为什么每个神经元要与其他所有层的神经元相互连接？
这里主要由两个原因：
- 完全连接的形式相对容易的编写成计算机指令。
- 在神经网络训练的过程中会弱化实际上不需要的连接（也就是某些连接权重会慢慢趋近于 0）。
实际上通过计算得到 n1 后，其实不能立马用于后面的计算，还需要经过一个激活函数（一般为 sigmod 函数）。
其作用主要是引入非线性因素。如果神级网络中只有上面那种线性函数，无论有多少层，结果始终是线性的。
实际案例
为了方便计算，我们构造一个只有两层的神经网络，演示一下具体的计算过程。
先通过线性函数求得一个 x 值，再把 x 值带入激活函数，得到 y1 的值。
$$x = w_{1,1}x_1 + w_{2,1}x_2 = (1.0 * 0.9) + (0.5 * 0.3) = 1.05$$
$$y_1 = 1 / (1 + e ^{-x}) = 1 / (1 + 0.3499) = 0.7408$$
矩阵乘法
其实上面的计算过程，很容易通过矩阵乘法的方式表示。矩阵这个东西，说简单点就是一个表格，或者一个二维数组。如下图所示，就是一个典型的矩阵。
那么矩阵的乘法可以表示为：
矩阵的乘法通常被成为点乘或者内积。如果我们将矩阵内的数字换成我们神经网络的输入和权重，你会发现原来前面的计算如此简单。
获得点积后，只需要代入到激活函数，就能获得输出了。
通过矩阵计算过程可以表示为：
$$X_{hidden} = W_{input\_hidden} · I_{input}O_{hidden} = sigmoid(X_{hidden})$$
实际案例
下面通过矩阵来表示一个三层神经网络的计算过程。
上图只给出了输入层到隐层的计算过程，感兴趣可以自己手动计算下，隐层到输出层的计算过程。隐层到输出层的权重矩阵如下：
反向传播
进过一轮神经网络计算得到输出值，通常与我们实际想要的值是不一致的，这个时候我们会得到一个误差值（误差值就是训练数据给出的正确答案与实际输出值之间的差值）。但是这个误差是多个节点共同作用的结果，我们到底该用何种方式来更新各个连接的权重呢？这个时候我们就需要通过反向传播的方式，求出各个节点的误差值。
下面我们代入具体值，进行一次计算。
上图中可以看到 e_1 的误差值主要由 w_{1,1} 和 w_{2,1} 造成，那么其误差应当分散到两个连接上，可以按照两个连接的权重对误差 e_1 进行分割。
$$e_1 * \frac{w_{1,1}}{w_{1,1} + w_{2,1}} = 0.8 * \frac{2}{2 + 3} = 0.32e_1 * \frac{w_{2,1}}{w_{1,1} + w_{2,1}} = 0.8 * \frac{3}{2 + 3} = 0.48$$
同理对误差 e_2 进行分割，然后把两个连接处的误差值相加，就能得到输出点的前馈节点的误差值。
然后在按照之前的方法将这个误差传播到前面的层，直到所有节点都能得到自己的误差值，这种方式被成为反向传播。
使用矩阵乘法进行反向传播误差
上面如此繁琐的操作，我们也可以通过矩阵的方式进行简化。
这个矩阵中还是有麻烦的分数需要处理，那么我们能不能大胆一点，将分母直接做归一化的处理。这么做我们仅仅只是改变了反馈误差的大小，其误差依旧是按照比例来计算的。
仔细观察会发现，与我们之前计算每层的输出值的矩阵点击很像，只是权重矩阵进行翻转，右上方的元素变成了左下方的元素，我们可以称其为转置矩阵，记为 w^T 。
反向传播误差的矩阵可以简单表示为：
$$error_{hidden} = W^{T}_{hidden\_output} · error_{output}$$
梯度下降
在每个点都得到误差后，我们该按照何种方式来更新权重呢？
这个时候就要使用到机器学习中常用的方式：梯度下级。
更多细节可以参考我之前写的博客：梯度下降与线性回归
通过不停的训练，我们就能改进神经网络，其本质就是不断地改变权重的大小，减小神经网络输出的误差值。
最后就能够得到一个多层神经网络的模型，通过输入进行有效的预测。
实战
环境准备
首先需要安装 python3 ，直接去 python 官网安装，尽量安装最新版，不推荐安装 python2 。安装好 python 环境之后，然后安装 virtualenv 以及相关依赖。
# 升级 pip 到最新版本 pip3 install --upgrade pip # 安装 virtualenv ，用于配置虚拟环境 pip3 install --user --upgrade virtualenv
正常情况下，当我们在使用 pip 进行包安装的时候，都是安装的全局包，相当于npm install -g。假如现在有两个项目，项目 A 依赖 simplejson@2 ，项目 B 依赖 simplejson@3，这样我们在一台机器上开发显得有些手足无措。这个时候 virtualenv 就能大展身手了，virtualenv 可以创建一个独立的 python 运行环境，也就是一个沙箱，你甚至可以在 virtualenv 创建的虚拟环境中使用与当前系统不同的 python 版本。
# 配置虚拟环境 cd ~/ml virtualenv env # 启动虚拟环境 # linux source env/bin/activate # windows ./env/Scripts/activate
启动后，如下
(env) λ
在虚拟环境下安装所有模块依赖。
# 安装模块和依赖 (env) λ pip3 install --upgrade jupyter matplotlib numpy scipy
- jupyter：基于网页的用于交互计算的应用程序。其可被应用于全过程计算：开发、文档编写、运行代码和展示结果。
- numpy：数组计算扩展的包，支持高维度数组与矩阵运算，此外也针对数组运算提供大量的数学函数库。
- scipy：基于numpy的扩展包，它增加的功能包括数值积分、最优化、统计和一些专用函数。
- matplotlib：基于numpy的扩展包，提供了丰富的数据绘图工具，主要用于绘制一些统计图形。
- scikit-learn：开源的Python机器学习库，它基于Numpy和Scipy，提供了大量用于数据挖掘和分析的工具，包括数据预处理、交叉验证、算法与可视化算法等一系列接口。
启动 jupyter
jupyter notebook
jupyter 会在8888端口起一个服务，并自动打开浏览器。
通过右上角的new，你就能创建一个项目了。创建项目后，我们很方便的在该页面上进行 python 代码的运行与输出。
准备数据
MNIST 是由美国的高中生和美国人口调查局的职员手写数字（0 ~ 9）图片。接下来要做的事情就是让我们的程序学习这些图片的信息，能够识别出输入的图片所代表的数字含义，这听上去好像有点难度，不着急，我们一步步来。
这里准备了 MNIST 的训练数据，其中 train_100 为训练数据集，test_10 为测试数据集。在机器学习的过程中，我们一般会将数据集切分成两个，分别为训练集合测试集，一般 80% 的数据进行训练，保留 20% 用于测试。这里因为是 hello world 操作，我们只用 100 个数据进行训练，真实情况下，这种数据量是远远不够的。
如果想用完整的数据进行训练，可以下载这个 csv 文件。
https://pjreddie.com/media/files/mnist_train.csv
观察数据
下载数据后，将 csv （逗号分隔值文件格式）文件放入到 datasets 文件夹，然后使用 python 进行文件的读取。
data_file = open("datasets/mnist_train_100.csv", 'r')
data_list = data_file.readlines() # readlines方法用于读取文件的所有行，并返回一个数组
data_file.close()
len(data_list) # 数组长度为100打印第一行文本，看看数据的格式是怎么样的
print(data_list[0])
len(data_list[0].split(',')) # 使用 , 进行分割，将字符串转换为数组
可以看到一行数据一共有 785 个数据，第一列表示这个手写数的真实值（这个值在机器学习中称为标签），后面的 784 个数据表示一个 28 * 28 的尺寸的像素值，流行的图像处理软件通常用8位表示一个像素，这样总共有256个灰度等级(像素值在0~255 间)，每个等级代表不同的亮度。
下面我们导入 numpy 库，对数据进行处理，values[1:] 取出数组的第一位到最后并生成一个新的数组，使用 numpy.asfarray 将数组转为一个浮点类型的 ndarray，然后每一项除以 255 在乘以 9，将每个数字转为 0 ~ 9 的个位数，使用 astype(int) 把每个数再转为 int 类型，最后 reshape((28,28) 可以把数组转为 28 * 28 的二维数组。
如果想了解更多 numpy 的资料，可以查看它的文档。
import numpy as np
values = data_list[3].split(',')
image_array = (np.asfarray(values[1:]) / 255 * 9).astype(int).reshape(28,28)
这样看不够直观，接下来使用 matplotlib ，将像素点一个个画出来。
import matplotlib.pyplot
%matplotlib inline
matplotlib.pyplot.imshow(
np.asfarray(values[1:]).reshape(28,28),
cmap='Greys',
interpolation='None'
)
搭建神经网络
我们简单勾勒出神经网络的大概样子，至少需要三个函数：
- 初始化函数——设定输入层、隐藏层、输出层节点的数量，随机生成的权重。
- 训练——学习给定的训练样本，调整权重。
- 查询——给定输入，获取预测结果。
框架代码如下：
# 引入依赖库
import numpy as np
import scipy.special
import matplotlib.pyplot
# 神经网络类定义
class neuralNetwork:
# 初始化神经网络
def __init__():
pass
# 训练神经网络
def train():
pass
# 查询神经网络
def query():
pass初始化神经网络
接下来让我们进行第一步操作，初始化一个神经网络。
# 初始化神经网络
def __init__(self, inputnodes, hiddennodes, outputnodes, learningrate):
# 设置输入层、隐藏层、输出层节点的数量
self.inodes = inputnodes
self.hnodes = hiddennodes
self.onodes = outputnodes
# 连接权重，随机生成输入层到隐藏层和隐藏层到输出层的权重
self.wih = np.random.rand(self.hnodes, self.inodes) - 0.5
self.who = np.random.rand(self.onodes, self.hnodes) - 0.5
# 学习率
self.lr = learningrate
# 将激活函数设置为 sigmoid 函数
self.activation_function = lambda x: scipy.special.expit(x)
pass生成权重
生成连接权重使用 numpy 函数库，该库支持大维度数组以及矩阵的运算，通过numpy.random.rand(x, y)可以快速生成一个 x * y 的矩阵，每个数字都是一个 0 ~ 1 的随机数。因为导入库的时候使用了 import numpy as np 命令，所有代码中可以用 np 来代替 numpy。
上面就是通过 numpy.random.rand 方法生成一个 3 * 3 矩阵的案例。减去0.5是为了保证生成的权重所有权重都能维持在 -0.5 ~ 0.5 之间的一个随机值。
激活函数
scipy.special 模块中包含了大量的函数库，利用 scipy.special 库可以很方便快捷的构造出一个激活函数：
activation_function = lambda x: scipy.special.expit(x)
查询神经网络
# 查询神经网络
def query(self, inputs_list):
# 将输入的数组转化为一个二维数组
inputs = np.array(inputs_list, ndmin=2).T
# 计算输入数据与权重的点积
hidden_inputs = np.dot(self.wih, inputs)
# 经过激活函数的到隐藏层数据
hidden_outputs = self.activation_function(hidden_inputs)
# 计算隐藏层数据与权重的点积
final_inputs = np.dot(self.who, hidden_outputs)
# 最终到达输出层的数据
final_outputs = self.activation_function(final_inputs)
return final_outputs查询神经网络的操作很简单，只需要使用 numpy 的 dot 方法对两个矩阵求点积即可。
这里有一个知识点，就是关于 numpy 的数据类型，通过 numpy.array 方法能够将 python 中的数组转为一个 N 维数组对象 Ndarray，该方法第二个参数就是表示转化后的维度。
上图是一个普通数组 [1, 2, 3] 使用该方法转变成二维数组，返回 [[1, 2, 3]]。该方法还有个属性 T，本质是调用 numpy 的 transpose 方法，对数组进行轴对换，如下图所示。
通过转置我们就能得到一个合适的输入矩阵了。
训练神经网络
# 训练神经网络
def train(self, inputs_list, targets_list):
# 将输入数据与目标数据转为二维数组
inputs = np.array(inputs_list, ndmin=2).T
targets = np.array(targets_list, ndmin=2).T
# 通过矩阵点积和激活函数得到隐藏层的输出
hidden_inputs = np.dot(self.wih, inputs)
hidden_outputs = self.activation_function(hidden_inputs)
# 通过矩阵点积和激活函数得到最终输出
final_inputs = np.dot(self.who, hidden_outputs)
final_outputs = self.activation_function(final_inputs)
# 获取目标值与实际值的差值
output_errors = targets - final_outputs
# 反向传播差值
hidden_errors = np.dot(self.who.T, output_errors)
# 通过梯度下降法更新隐藏层到输出层的权重
self.who += self.lr * np.dot(
(output_errors * final_outputs * (1.0 - final_outputs)),
np.transpose(hidden_outputs)
)
# 通过梯度下降法更新输入层到隐藏层的权重
self.wih += self.lr * np.dot(
(hidden_errors * hidden_outputs * (1.0 - hidden_outputs)),
np.transpose(inputs)
)
pass训练神经网络前半部分与查询类似，中间会将得到的差值通过求矩阵点积的方式进行反向传播，最后就是使用梯度下级的方法修正权重。其中 self.lr 为梯度下降的学习率，这个值是限制梯度方向的速率，我们需要经常调整这个值来达到模型的最优解。
进行训练
# 设置每一层的节点数量
input_nodes = 784
hidden_nodes = 100
output_nodes = 10
# 学习率
learning_rate = 0.1
# 创建神经网络模型
n = neuralNetwork(input_nodes,hidden_nodes,output_nodes, learning_rate)
# 加载训练数据
training_data_file = open("datasets/mnist_train_100.csv", 'r')
training_data_list = training_data_file.readlines()
training_data_file.close()
# 训练神经网络
# epochs 表示训练次数
epochs = 10
for e in range(epochs):
# 遍历所有数据进行训练
for record in training_data_list:
# 数据通过 ',' 分割，变成一个数组
all_values = record.split(',')
# 分离出图片的像素点到一个单独数组
inputs = (np.asfarray(all_values[1:]) / 255.0 * 0.99) + 0.01
# 创建目标输出值（数字 0~9 出现的概率，默认全部为 0.01）
targets = np.zeros(output_nodes) + 0.01
# all_values[0] 表示手写数字的真实值，将该数字的概率设为 0.99
targets[int(all_values[0])] = 0.99
n.train(inputs, targets)
pass
pass
# 训练完毕
print('done')验证训练结果
# 加载测试数据
test_data_file = open("datasets/mnist_test_10.csv", 'r')
test_data_list = test_data_file.readlines()
test_data_file.close()
# 测试神经网络
# 记录所有的训练值，正确存 1 ，错误存 0 。
scorecard = []
# 遍历所有数据进行测试
for record in test_data_list:
# 数据通过 ',' 分割，变成一个数组
all_values = record.split(',')
# 第一个数字为正确答案
correct_label = int(all_values[0])
# 取出测试的输入数据
inputs = (np.asfarray(all_values[1:]) / 255.0 * 0.99) + 0.01
# 查询神经网络
outputs = n.query(inputs)
# 取出概率最大的数字，表示输出
label = np.argmax(outputs)
# 打印出真实值与查询值
print('act: ', label, ' pre: ', correct_label)
if (label == correct_label):
# 神经网络查询结果与真实值匹配，记录数组存入 1
scorecard.append(1)
else:
# 神经网络查询结果与真实值不匹配，记录数组存入 0
scorecard.append(0)
pass
pass
# 计算训练的成功率
scorecard_array = np.asarray(scorecard)
print("performance = ", scorecard_array.sum() / scorecard_array.size)完整代码
要查看完整代码可以访问我的 github： deep_neural_network
总结
到这里整个深度神级网络的模型原理与实践已经全部进行完毕了，虽然有些部分概念讲解并不是那么仔细，但是你还可以通过搜索其他资料了解更多。感谢《Python神经网络编程》这本书，因为它才有了这个博客，如果感兴趣你也可以买来看看，这本书真的用很简单的语言描述了复杂的数学计算。
人工智能现在确实是一个非常火热的阶段，希望感兴趣的同学们多多尝试，但是也不要一昧的追新，忘记了自己本来的优势。
最后附上原文链接：深度神经网络原理与实践
