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基于 BP 神经网络的识别手写体数字 - 神经网络基础

前言

上个月，公司内部举办了机器学习比赛，内容是识别手写体数字。

我提交的方案参考 Michael Nielsen 。以下大部分内容也参考了他写的深度学习在线电子书。

人类视觉系统其实非常神奇，恐怕自己都没意识到，考虑以下的手写数字：

大部分人能够识别出数字为 504192。人脑每一半球都有着近 1.4 亿个神经元，之间有数以百亿的连接，能够进行复杂的图像处理。相当于每个人随身携带了一台超级计算机，数百万年的进化让该系统训练有素，能够适应并理解视觉世界。

当真正开始编写程序时，就会意识到手写数字中复杂之处。在教小孩认数字 9 时，可能会 “这个数字顶上有个圈，右下角有个垂直的竖线。。”，或者你给他看一眼写的 9，他就能学会了。但这些步骤根本无法用传统的算法来描述，因为一个手写数字有着无限的细节。

神经网络算法则用另一种方法来解决问题。首先，会准备如下的训练数据，

基于 BP 神经网络的识别手写体数字 - 神经网络基础

然后，系统便以此为基础学习。换句话说，神经网络能够使用这些训练数据自动推导出识别手写数字的规则。并且，训练集越多，神经网络准确率越高。所以虽然上图只展示了 100 个数字，但如果有上百万个训练集的话，我们的手写数字识别器效果会更好。

神经网络是一个简单易实现的算法，不会超过 100 行代码。我们也会在将来探讨更为复杂的深度学习算法。

感知器 Perceptron

什么是神经网络？我们从 感知器 说起。

感知器是上世纪 50 年代， Frank Rosenblatt 受 Warren McCulloch 和 Walter Pitts 工作的启发，所提出的概念。如今，其他的人工神经元模型更常用，最广泛的是 sigmoid 神经元。现在先让我们看看感知器模型，它将帮助我们了解为什么 sigmoid 神经元更受欢迎。

感知器如何工作呢？一个感知器有多个二进制输入，$x_1, x_2, …$，并只有一个二进制的输出：

基于 BP 神经网络的识别手写体数字 - 神经网络基础

这个例子中，感知器有三个输入，$x_1, x_2, x_3$。通常输入数目由需要而定。Rosenblatt 给每一个输入引入一个权重，$w_1, w_2, …$，在输出增加一个阈值，超过阈值时才会输出 1，以下为输出与输入的关系：

/begin{equation}
output = /left/{/begin{aligned}
0, /sum_jw_jx_j /leq threshold //
1, /sum_jw_jx_j > threshold
/end{aligned}/right.
/end{equation}

这个简单的公式就是感知器的工作原理！

下面给出一个简单的模型，虽然不是实际例子，但易于理解。假设周末即将来临，你听说自己所在的城市会举办奶酪节。你太喜欢奶酪了，但还是得考虑一下周末的天气情况。你将根据下面三个因素来做决定：

天气怎样？
你的女朋友和你一起去吗？
节日举办地驾车方便吗？

将这三种因素量化成二进制数 $x_1, x_2, x_3$。比如如果天气好，则 $x_1=1$，否则为 $x_1=0$。其他三种因素同理。现在假设你太喜欢奶酪了，以至于女朋友和交通不遍都不太影响你，但你又怕糟糕的天气弄脏衣服。我们可以将感知器设计为：天气权重$w_1=6$，女朋友权重 $w_2=2$ 和交通状况权重 $w_3=2$。可以看到天气占了很大的权重。最后将感知器阈值设为 5 便得到了我们需要的决策模型。一旦天气不好，感知器输出为 0，天气晴朗就输出 1。而女朋友同去与否和交通状况都没法影响感知器输出。

通过改变加权系数和阈值，便能得到不同的决策系统。比如将阈值调整为 3，这样女朋友就对你很重要啦，她要是想去，天气再糟你也得跟着一起受罪。

虽然感知器并不是人类决策系统的完整模型，但其能对各种条件做加权。而且似乎越复杂的网路越能做出微妙的决策：

基于 BP 神经网络的识别手写体数字 - 神经网络基础

在这个网络中，第一列感知器 - 我们也称作感知器第一层，只是简单地对输入做加权。而第二层感知器则对第一层决策的结果再一步加权，做出更复杂更抽象的决定。同样还可以增加神经网络的层数来作出更复杂的决定。

顺便提一句，上述定义中，感知器只有一个输出，但是上述网络似乎有多个输出。事实上，这仍然是单输出系统，只是单个输出连接到了下一层的多个输入而已。

让我们来简化一下感知器的数学表达式，原来的判断条件 $/sum_jw_jx_j > threshold$ 略显累赘。首先用点积形式简化，记 $w /cdot x /equiv /sum_j w_j x_j$，其中 $w$ 是权重向量，$x$ 是输入向量。然后将阈值移到不等式左边，并用偏移的概念取代它，记 $b /equiv - threshold$。感知器规则可重写如下：

/begin{equation}
output = /left/{/begin{aligned}
0, w /cdot x + b /leq 0 //
1, w /cdot x + b > 0
/end{aligned}/right.
/end{equation}

偏移的概念可用来度量感知器的“兴奋”程度，假如偏移值很大，那么很小的输入就会在输出端反应出来。但若偏移值很小，则说明感知器比较“迟钝”，输入很大时，输出才有变化。接下来的文章中，都会使用偏移而不是阈值的概念。

sigmoid 神经元

自学习的 idea 听起来太棒了。如何为神经网络设计算法呢？假设我们的神经网络全部由感知器构成，输入为手写体数字扫描图的每一个原始像素点。我们希望神经网络能够自调整权重和偏移值，从而能对手写数字准确分类。为了解自学习过程，我们来做一个思想实验，假设我们在权重或偏移做一个小的改变，我们期望输出也会有相应小的变化：

基于 BP 神经网络的识别手写体数字 - 神经网络基础

比如神经网络错误地将数字 9 认为为数字 8，我们就可以对参数做微调（可能某个人写的 9 像 8），修正输出，不断重复上述过程，从而使输出符合我们的预期。

实际中，由感知器组成的神经网络并不如所愿。由于感知器的输出不是连续的，0 到 1 是阶跃变化，上述参数的微调往往带来输出的剧烈变化。这下便导致自学习过程完全不可控，有时一点小小的噪声，输出就天壤之变。

针对这个问题，我们可以换用 sigmoid 神经元。sigmoid 神经元和感知器是类似的，但输出是连续且变化缓慢的。这个微小的不同使神经网络算法化成为了可能。

好，让我来描述一下 sigmoid 神经元。其结构和感知器一样：

基于 BP 神经网络的识别手写体数字 - 神经网络基础

同样有输入 $x_1, x_2, …$。不同是，输入可以取 0 到 1 之间的任何值，比如 0.638。sigmoid 对每一个输入有一个权重，$w_1, w_2, …$，以及全局的偏移 $b$。但是 sigmoid 的输出不再限于 0 和 1，而是

/begin{equation}
/sigma(z) /equiv /frac{1}{1+e^{-z}}.
/end{equation}

将 $z=w /cdot x+b$ 展开，可得

/begin{equation}
/frac{1}{1+/exp(-/sum_j w_j x_j-b)}. /label{eq4}
/end{equation}

初看上去，sigmoid 神经元似乎与感知器有着天壤之别，其代数表达式也显得晦涩难懂。然而他们之间是有很多相似之处的。

假设当 $z/equiv w /cdot x + b$ 趋向于正无穷，则 $e^{-z}/approx 0$ 和 $/sigma(z) /approx 1$。换句话说，当输入很大时，sigmoid 神经元的输出趋向于 1，这和感知器是一样的。相反的，当 $z/equiv w /cdot x + b$ 趋向于负无穷，则 $e^{-z} /rightarrow /infty$，且 $/sigma(z) /approx 0$。这和感知器又是一样的。只有当输入不大时，才会与感知器表现不同。

让我们看一下 sigmoid 函数和阶跃函数的图像：

基于 BP 神经网络的识别手写体数字 - 神经网络基础

如果 $/sigma$ 是阶跃函数，那么 sigmoid 神经元就会退化成感知器，也就是说 sigmoid 神经元是平滑了的感知器。函数 $/sigma$ 的平滑度意味着，权重的微小变化 $/Delta w_j$ 和偏移的微小变化 $/Delta b$ 会在输出有相应的变化 $/Delta /mbox{output}$，运用泰勒公式可得：

/begin{eqnarray}
/Delta /mbox{output} /approx /sum_j /frac{/partial /, /mbox{output}}{/partial w_j}
/Delta w_j + /frac{/partial /, /mbox{output}}{/partial b} /Delta b,
/label{5}
/end{eqnarray}

其中，求和是对所有的权重和偏移变化求和。 $/partial /,/mbox{output} / /partial w_j$ 是 $/mbox{output}$ 对 $w_j$ 的偏导数，$/partial /, /mbox{output} //partial b$ 是 $/mbox{output}$ 对 $b$ 的偏导数。从这个近似表达式可以看出，$/Delta /mbox{ouput}$ 是 $/Delta w_j, /Delta b$ 的线性函数。比起感知器那种非线性的输出输入关系，线性化便于调试，也有利于算法化。

如何理解 sigmoid 神经元的输出呢？显然最大的不同是 sigmoid 神经元不只输出 0 或 1，而是 0，1 之间所有的实数，比如 0.4 来指出一幅图片是 9 的概率为 40%，60% 的概率不是 9。