从0到1：神经网络实现图像识别

Posted 2021-04-07 艾克斯007

”. . .  we may have knowledge of the past and cannot control it; we may control the future but have no knowledge of it.” — Claude Shannon 1959

往者可知然不可谏，来者可追或未可知。

，介绍了神经网络的理论基石 - ；感知机模型是一个简洁的二类分类模型，这里，我们把它推广到多类分类问题，不借助计算框架，构建一个全连接神经网络，再应用于手写数字识别场景。

从二分类到多分类问题

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一种思路是把 K 类分类问题，视为 K 个二类分类问题：第一次，把样本数据集的某一个类别，和余下的K-1类（合并成一个大类）做二类分类划分，识别出某一类；第 i 次，划分第i类和余下的K-i类；经过 K 次 二类分类迭代，最终完成 K 类分类。

这里，我们选用一种更直接的思路，回忆感知机二类分类模型，只包含了一个输出节点；现在把输出节点扩展为K个 ；权值向量w扩展为 D x K的权值矩阵W，偏置(bias) b扩展为长度为K的数组；这样一来，一个样本点经过模型处理，会得到这个样本点在所有K个类别上的归类可能性得分 z。

z同样是长度为K的数组，某一个元素z [j]的数值越大，输入样本点属于对应分类类别j的可能性也越高。

Softmax

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Softmax方法，用于把输出z进一步标准化（normalize），得到某个样本点，归属于各个类别的概率分布。

例如，归属于类别 j 的概率为：

这个结果满足了概率分布的标准化要求：在所有类别上的输出概率都不小0，且所有类别上的输出概率和等于1。就得到了模型预测输出结果的标准概率分布。

对应的，目标问题MNIST数据集的正确标签，也可以视为概率分布：一张手写数字图片，在正确类别上的概率分布视为1，其它类别上为0；数字9的图片，所对应的正确标签为(0,0,0,0,0,0,0,0,0,1)，可视为放平之后的分类期望向量 。

有了预测输出和正确答案的概率分布，就可以刻画两者之间相似度，简便地度量模型预测的损失。

损失函数-交叉熵

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经过 Softmax 转换为标准概率分布的预测输出 ，与正确类别标签之间的损失，可以用两个概率分布的 交叉熵（cross entropy）来度量:

所以，某一样本点使用模型预测的损失函数，可以写为

你可以跳过关于交叉熵的展开介绍，从学习算法处继续阅读，不影响方法使用。

再深一点：关于交叉熵

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1948年，Claude E Shannon首次提出信息熵(Entropy)概念。

交叉熵（Cross Entropy）的概念来自信息论 ：若离散事件以真实概率分布，则以隐概率分布对一系列随机事件最短编码，所需要的平均比特(bits)长度。其中，定义， 显然，较短的编码长度，应当被用于出现频度 高的编码片段，以提高传输效率。

直观理解，如果有   ,  则相对于 ,  概率分布 同真实概率分布  更相似。

交叉熵对两个概率分布的度量结果，不具对称性，所以交叉熵并不是严格意义上距离。

交叉熵概念的源头，用比特（bits）信息为单位，以2为底做对数计算，那么用作损失函数Loss时，对数计算是否必须以2为底呢？

不是必须的。

机器学习领域，交叉熵被用来衡量两个概率分布的相似度，交叉熵越小，两个概率分布越相似。工程实践中，出于简化公式推导，或优化数值计算效率的考虑，对数的底可以做出其它选择。

例举以e为底的情况，由换底公式：

可知，对数的底由2换成e，对Loss的影响是，缩小了常数倍；，我们提到，优化损失函数使损失极小的场景下，函数取值的数值缩放正倍数不影响优化方法。

所以损失函数也可以写为：
学习算法

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用上一次介绍的方法，你可以先为 W, b 设置初始值比如 0，然后用梯度下降法（ gradient descent），让参数不断更新梯度△W 和△b，来极小化损失函数。

对包含D维输入特征的K类分类样例点，根据损失函数计算参数更新的梯度：

对    , 将内积运算展开，易得：

对后一部分， 应用链式法则：

从而

同样

得到参数更新的梯度:

其中   
反向传播（backpropagation）

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反向传播(backpropagation)是相对前向推断（inference）过程而言的。

抽取训练数据，得到预测分类结果，再使用训练数据的正确标注，计算样本预测损失，然后根据损失更新神经网络模型参数，这个迭代过程就是反向传播过程。

工程实践中，往往从训练样本集中，抽取一批(batch)训练样本，通过整批数据的矩阵运算，得到这批样本损失的均值，减少更新梯度的次数，提高训练效率；每轮训练后，使用该批次的梯度均值更新参数，较快得到接近梯度下降的收敛结果。实现

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你可以通过原文Github链接，获得上述算法的python实现，不借助Tensorflow计算框架，直接从算法实现层面，了解全连接神经网络的基本结构，跟踪训练过程：

在一千五百次参数更新迭代后，模型参数在验证集上准确率超过90%；五千次迭代后，验证数据集上预测损失(Loss)趋于稳定。

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预测准确率(acc)在验证数据集上稳定于92%附近。

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上述内容，介绍了全连接神经网络的基本结构，你可以结合原理与算法了解并实现它。

下一次，将介绍过拟合(over-fittingt)问题和解决方法，并在目前的基本结构上，引入一个隐藏层(Hidden Layer)，将模型去线性化，使异或问题得以解决，从而将模型的预测准确率，进一步提高到96%以上。

(完)

参考

[1]  斯坦福大学 class CS231n：The Stanford CS class CS231n

[2] de Boer, PT., Kroese, D.P., Mannor, S. et al. A Tutorial on the Cross-Entropy Method. Ann Oper Res (2005) 134: 19.

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