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模型、参数、非线性、前向传播、反向偏微分|深度学习入门

头条ID:钱多多先森,关注更多AI、CV、数码、个人理财领域知识,关注我,一起成长

在深度学习中,数据、模型、参数、非线性、前向传播预测、反向偏微分参数更新等等,都是该领域的基础内容。究竟他们最基础的都有哪些?什么原理?用python如何实现?都是本节要描述的内容。

sigmoid激活函数

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import h5py
import sklearn
import sklearn.datasets
import sklearn.linear_model
import scipy.io

def sigmoid(x):
    """
    Compute the sigmoid of x

    Arguments:
    x -- A scalar or numpy array of any size.

    Return:
    s -- sigmoid(x)
    """
    s = 1/(1+np.exp(-x))
    return s

relu激活函数

def relu(x):
    """
    Compute the relu of x

    Arguments:
    x -- A scalar or numpy array of any size.

    Return:
    s -- relu(x)
    """
    s = np.maximum(0,x)

    return s

网络层参数的初始化

网络层参数的初始化,就是初始化网络模型中间的权值和偏执(简单理解)


def initialize_parameters(layer_dims):
    """
    Arguments:
    layer_dims -- python array (list) containing the dimensions of each layer in our network

    Returns:
    parameters -- python dictionary containing your parameters "W1", "b1", ..., "WL", "bL":
                    W1 -- weight matrix of shape (layer_dims[l], layer_dims[l-1])
                    b1 -- bias vector of shape (layer_dims[l], 1)
                    Wl -- weight matrix of shape (layer_dims[l-1], layer_dims[l])
                    bl -- bias vector of shape (1, layer_dims[l])

    Tips:
    - For example: the layer_dims for the "Planar Data classification model" would have been [2,2,1]. 
    This means W1's shape was (2,2), b1 was (1,2), W2 was (2,1) and b2 was (1,1). Now you have to generalize it!
    - In the for loop, use parameters['W' + str(l)] to access Wl, where l is the iterative integer.
    """

    np.random.seed(3)
    parameters = {}
    L = len(layer_dims) # number of layers in the network

    for l in range(1, L):
        parameters['W' + str(l)] = np.random.randn(layer_dims[l], layer_dims[l-1]) / np.sqrt(layer_dims[l-1])
        parameters['b' + str(l)] = np.zeros((layer_dims[l], 1))

        assert(parameters['W' + str(l)].shape == layer_dims[l], layer_dims[l-1])
        assert(parameters['W' + str(l)].shape == layer_dims[l], 1)


    return parameters

前向传播(FP)

从网络输入到网络最终输出的过程称为前向算法。前向传播包括三块内容,一是输入,二是网络中间参数,三是输出,具体过程如下图所示:

def forward_propagation(X, parameters):
    """
    Implements the forward propagation (and computes the loss) presented in Figure 2.

    Arguments:
        X -- input dataset, of shape (input size, number of examples)
        parameters -- python dictionary containing your parameters "W1", "b1", "W2", "b2", "W3", "b3":
                        W1 -- weight matrix of shape ()
                        b1 -- bias vector of shape ()
                        W2 -- weight matrix of shape ()
                        b2 -- bias vector of shape ()
                        W3 -- weight matrix of shape ()
                        b3 -- bias vector of shape ()

    Returns:
    loss -- the loss function (vanilla logistic loss)
    """

    # retrieve parameters
    W1 = parameters["W1"]
    b1 = parameters["b1"]
    W2 = parameters["W2"]
    b2 = parameters["b2"]
    W3 = parameters["W3"]
    b3 = parameters["b3"]

    # LINEAR -> RELU -> LINEAR -> RELU -> LINEAR -> SIGMOID
    Z1 = np.dot(W1, X) + b1
    A1 = relu(Z1)
    Z2 = np.dot(W2, A1) + b2
    A2 = relu(Z2)
    Z3 = np.dot(W3, A2) + b3
    A3 = sigmoid(Z3)

    cache = (Z1, A1, W1, b1, Z2, A2, W2, b2, Z3, A3, W3, b3)

    return A3, cache

?反向传播(BP)

用来解决网络优化问题,通过调节输出层的结果和真实值之间的偏差来进行逐层调节参数。该学习过程是一个不断迭代的过程。

def backward_propagation(X, Y, cache):
    """
    Implement the backward propagation presented in figure 2.

    Arguments:
        X -- input dataset, of shape (input size, number of examples)
        Y -- true "label" vector (containing 0 if cat, 1 if non-cat)
        cache -- cache output from forward_propagation()

    Returns:
        gradients -- A dictionary with the gradients with respect to each parameter, activation and pre-activation variables
    """
    m = X.shape[1]
    (Z1, A1, W1, b1, Z2, A2, W2, b2, Z3, A3, W3, b3) = cache

    dZ3 = A3 - Y   # error
    dW3 = 1./m * np.dot(dZ3, A2.T)#矩阵点乘
    db3 = 1./m * np.sum(dZ3, axis=1, keepdims = True)

    dA2 = np.dot(W3.T, dZ3) 
    dZ2 = np.multiply(dA2, np.int64(A2 > 0))    #数组和矩阵对应位置相乘,输出与相乘数组/矩阵的大小一致
    dW2 = 1./m * np.dot(dZ2, A1.T)
    db2 = 1./m * np.sum(dZ2, axis=1, keepdims = True)

    dA1 = np.dot(W2.T, dZ2)
    dZ1 = np.multiply(dA1, np.int64(A1 > 0))
    dW1 = 1./m * np.dot(dZ1, X.T)
    db1 = 1./m * np.sum(dZ1, axis=1, keepdims = True)

    gradients = {"dZ3": dZ3, "dW3": dW3, "db3": db3,
                 "dA2": dA2, "dZ2": dZ2, "dW2": dW2, "db2": db2,
                 "dA1": dA1, "dZ1": dZ1, "dW1": dW1, "db1": db1}

    return gradients

更新模型(权值w、偏执b)参数

def update_parameters(parameters, grads, learning_rate):
    """
    Update parameters using gradient descent

    Arguments:
    parameters -- python dictionary containing your parameters:
                    parameters['W' + str(i)] = Wi
                    parameters['b' + str(i)] = bi
    grads -- python dictionary containing your gradients for each parameters:
                    grads['dW' + str(i)] = dWi
                    grads['db' + str(i)] = dbi
    learning_rate -- the learning rate, scalar.

    Returns:
    parameters -- python dictionary containing your updated parameters 
    """

    n = len(parameters) // 2 # number of layers in the neural networks

    # Update rule for each parameter
    for k in range(n):
        parameters["W" + str(k+1)] = parameters["W" + str(k+1)] - learning_rate * grads["dW" + str(k+1)]
        parameters["b" + str(k+1)] = parameters["b" + str(k+1)] - learning_rate * grads["db" + str(k+1)]

    return parameters

前向传播进行预测

网络执行前向传播,预测的结果大于阈值的就置为1。

def predict(X, y, parameters):
    """
    This function is used to predict the results of a  n-layer neural network.

    Arguments:
        X -- data set of examples you would like to label
        parameters -- parameters of the trained model

    Returns:
        p -- predictions for the given dataset X
    """

    m = X.shape[1]
    p = np.zeros((1,m), dtype = np.int)

    # Forward propagation
    a3, caches = forward_propagation(X, parameters)

    # convert probas to 0/1 predictions
    for i in range(0, a3.shape[1]):
        if a3[0,i] > 0.5:
            p[0,i] = 1
        else:
            p[0,i] = 0

    # print results

    #print ("predictions: " + str(p[0,:]))
    #print ("true labels: " + str(y[0,:]))
    print("Accuracy: "  + str(np.mean((p[0,:] == y[0,:]))))

    return p

计算代价函数

以交叉熵损失函数为例(Cross Entropy Loss),其代价函数的计算公式如下:

def compute_cost(a3, Y):
    """
    Implement the cost function

    Arguments:
        a3 -- post-activation, output of forward propagation
        Y -- "true" labels vector, same shape as a3

    Returns:
        cost - value of the cost function
    """
    m = Y.shape[1]

    logprobs = np.multiply(-np.log(a3),Y) + np.multiply(-np.log(1 - a3), 1 - Y)
    cost = 1./m * np.nansum(logprobs)

    return cost

结语

通过这篇文章,你应该对深度学习中的地基模块:数据、模型、参数、非线性、前向传播预测、反向偏微分参数更新等等有了新的认识。在平时的学习中,不能单纯的知道tf.sigmoid就可以四线非线性,而更加深入的了解其底层的代码,这样能加深我们对深度学习的认识。

最后,感谢你关注:钱多多先森,一个关注更多AI、CV、数码、个人理财领域知识的同学。关注我,一起成长。

往期内容回顾:

  1. Python: 告别Print?优秀的Debug神器---pysnooper
  2. 基金省心,炒股伤神,理财不易,剖析下我的个人理财
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