浅谈神经网络

Posted 2020-09-17 帅帅的飞猪

到底什么是神经网络呢？ 在陷入各种各样概念、名词、理论之前，请务必提醒自己，只有从整体上理解到底什么是神经网络，之后的深入学习才不至于迷失方向。

请看下面三张图：

图一图二图三

这三幅图跟就能很好的对神经网络进行一个整体的描述：神经网络就是一个黑箱，和人脑一样。

（1）我们给这个黑箱一些输入和输出，这个黑箱就能够自动去寻找这些输入和输出之前的关系，等以后我们再输入一些东西时，他们便能给出我们一些输出。 就跟人脑一样，我们不停的输入一些人，输出对应性别，等脑子慢慢学习和长大，以后再看到一些人，就能分辨他们的性别了。

（2）对于有些输入，不一定就会有输出，而是能够找到这些输入之间的关系。 就跟人脑一样，我们看人，输入各种各样的人，随着我们人脑的不停学习和训练，会自动把他们分为美、普通、丑等关系。（突然想到，小的时候不知道丑，等到长大了突然有一点感觉自己穿的好土好丑）

因此，叫做神经网络，还是很贴切的。 接下来是其他几点类比：

（1）人脑有聪明的，也有笨的，所以我们以后构造的神经网络也有聪明和笨之分，只有不断的训练，不断调整合适的参数，才能让我们设计的神经网络越来越聪明。

（2）人脑都有自己适合做的事情，比如有些人适合学理科，有些人适合学文科；有些人适合搞经济，有些人适合搞政治。 。 同样，各种各种的神经网络模型，也有自己适合做的事情，只有搞懂神经网络的基本原理，才能够根据自己的实际需要，选择合适的网络。 （突然想起前几天一个小时候的同学说的一句话：“TMD过了这么多年，我发现一点：我就根本不适合上学”）。

（3）人脑也有误判的时候，因此用神经网络，是无法做到100%准确的，因此对于要求有百分之百准确度的事情，不能用神经网络，需要建立精确的数学模型和公式来计算才行。

总之，就一句话，“神经网络就是一个神奇的黑箱”。 接下来，我们就一起去打开这个黑箱，看看他里面到底是怎么回事。

二、打开黑箱

刚刚打开黑箱，你可能惊呆了，里面都是一些什么乱七八糟的东西，完全不懂啊。 不用慌张，我们一点点的去分析。

神奇的造物主创造了人脑，于是有些人也试图去创造神经网络去模拟人脑。 假如是你要设计一个神经网络，你会怎么做呢？ 如果你百思不得其解，那么好吧，我们一起来看看前辈门是怎么设计的吧。 这里的前辈们有很多，为了使大家既能 理解神经网络原理 ，又 能够实践操作 ，我把前辈们分成了两类： 数学家和程序员。 其中数学家设计了整体的思想，而程序员用程序实现了数学家所说的功能（以Matlab为例进行演示）。

我们看看前辈们是怎么设计的。

我们发现这个黑箱里面有很多 小圆球 ，如下图所示：

这些小圆球还有一个很好听的名字，叫做“神经元”，刚开始看你可能觉得这些小圆球乱七八糟排列，实际上如果你仔细看的话，他们之间的排列是有规则的，根据他们排列规则不同，神经网络结构大概分成如下几种：

（1）前馈型

这些小圆球一个接一个的排列，input表示输入信号，从前到后，一直到output输出，神经元和神经元之间没有信号的传输。 其中第一层是输入单元，第二层称为隐含层，第三层称为输出层（输入单元不是神经元，因此图中有2层神经元）。

例如BP神经网络和感知器神经网就是这么排列的。

（2 ）反馈型

顾名思义，最后的输入信号不仅输出就完事了，还会把输出信号反馈回去，因此叫做反馈型神经网络。

例如：回归BP网络就属于这一种。

（3）层内有互相结合的

前面的结构，同一层神经元之间没有联系，而层内有互相结合的结构，层内神经元会互相有信息传输。

怎么样，是不是很赞赏前辈们，竟然能够想到这么个办法，这些小球（神经元）互相连接，就能干很多很多复杂的事情，可是这些小球到底是个什么东西呢，接下来，就进入本文的重点，让我们深入小球内部看看是怎么个回事。

三、打开小圆球（神经元）

每一个神经元的结构，如下图所示：（请注意，接下来就要有各种公式符号等等，始终记住，神经网络是一个黑箱，里面有很多小球（神经元）连接，他们一层一层的排列，有了各种各样的结构方式）

上面一个图就是神经元的内部结构图，虽然它不是一个球，但是你可以想象它外部是有一层圆圆的外壳，包裹着它就好。 我们一点点看看他都有那些东西。

（1）输入：inputs表示的x1,x2，...，xm表示的是输入信号，这些输入信号输入进各个神经元的∑函数进行一个求和，我们看到他们并是直接相加的，而是每个输入都乘以了一个系数W之后再相加的，这些W称为权重，或者叫权值，或者叫做Weight。

（2）bias：我们看到进入∑符号的不仅有输入乘以Weight，还有一个Bias，他的输入是1，权值是W0，所以也可以看成是一个固定输入为1，权重为W0的一个输入信号。 在其他一些书里面，bias的值会有bi符号表示，或者别的，总之是一个意思。 还要注意的是，这个bias有很多名字，什么阈值、threshold，偏置等等都是一个意思。

（3）激活函数：前面的输入和bias经过∑求和之后，就会通过一个函数进行处理，进而输出结果，这个函数就叫做激活函数，也就Activation Function，也叫传递函数，也就Transfer Function，也叫TF，总之这些名称都是一回事。

怎么样，就是这么一个一个的神经元，就组成了一个神奇的神经网络，这个魔法的黑箱，就能干很多事情。

那么问题来了，我们可以改变那些东西，进而完成我们各种各样的问题解决呢？

我们能改动的，无非是下面几个东西：

1、各神经元的权值

2、bias，广义上，也是权值

3、激活函数

4、神经网络的层数

5、各层神经元的个数

6、神经网络的连接结构

7、输入输出的格式和质量

后续再谈......

 

实验证明大脑利用同一个学习算法实现了听觉、视觉等等所有的功能，这也是神经网络算法美好的愿景。