神经网络基础
要想入门以及往下理解深度学习，其中一些概念可能是无法避免地需要你理解一番，比如：
什么是感知器
什么是神经网络
张量以及运算
微分
梯度下降
带着问题出发
在开始之前希望你有一点机器学习方面的知识，解决问题的前提是提出问题，我们提出这样一个问题，对 MNIST数据集进行分析，然后在解决问题的过程中一步一步地来捋清楚其中涉及到的概念
MNIST数据集是一份手写字训练集，出自 MNIST，相信你对它不会陌生，它是机器学习领域的一个经典数据集，感觉任意一个教程都拿它来说事，不过这也侧面证明了这个数据集的经典，这里简单介绍一下：
拥有60,000个示例的训练集，以及10,000个示例的测试集
图片都由一个28 ×28 的矩阵表示，每张图片都由一个784 维的向量表示
图片分为10类， 分别对应从0～9，共10个阿拉伯数字
压缩包内容如下：
train-images-idx3-ubyte.gz: training set images (9912422 bytes)
train-labels-idx1-ubyte.gz: training set labels (28881 bytes)
t10k-images-idx3-ubyte.gz: test set images (1648877 bytes)
t10k-labels-idx1-ubyte.gz: test set labels (4542 bytes)
上图：
图片生成代码如下：
%matplotlib inlineimport matplotlibimport matplotlib.pyplot as pltimport numpy as npfrom keras.datasets import mnist(train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = mnist.load_data()def plot_digits(instances, images_per_row=10, **options):size = 28images_per_row = min(len(instances), images_per_row)images = instancesn_rows = (len(instances) - 1) // images_per_row + 1row_images = []n_empty = n_rows * images_per_row - len(instances)images.append(np.zeros((size, size * n_empty)))for row in range(n_rows):rimages = images[row * images_per_row : (row + 1) * images_per_row]row_images.append(np.concatenate(rimages, axis=1))image = np.concatenate(row_images, axis=0)plt.imshow(image, cmap = matplotlib.cm.binary, **options)plt.axis("off")plt.figure(figsize=(9,9))plot_digits(train_images[:100], images_per_row=10)plt.show()
不过你不用急着尝试，接下来我们可以一步一步慢慢来分析手写字训练集
看这一行代码：
(train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = mnist.load_data()
MNIST数据集通过 keras.datasets加载，其中 train_images和 train_labels构成了训练集，另外两个则是测试集：
train_images.shape: (60000, 28, 28)
train_labels.shape: (60000,)
我们要做的事情很简单，将训练集丢到神经网络里面去，训练后生成了我们期望的神经网络模型，然后模型再对测试集进行预测，我们只需要判断预测的数字是不是正确的即可
在用代码构建一个神经网络之前，我先简单介绍一下到底什么是神经网络，让我们从感知器开始
感知器
感知器是Frank Rosenblatt提出的一个由两层神经元组成的人工神经网络，它的出现在当时可是引起了轰动，因为感知器是首个可以学习的神经网络
感知器的工作方式如下所示：
左侧三个变量分别表示三个不同的二进制输入，output则是一个二进制输出，对于多种输入，可能有的输入成立有的不成立，在这么多输入的影响下，该如何判断输出output呢？Rosenblatt引入了权重来表示相应输入的重要性
此时，output可以表示为：
上面右侧的式子是一个阶跃函数，就是和Sigmoid、Relu一样作用的激活函数，然后我们就可以自己实现一个感知器：
import numpy as npclass Perceptron:"""代码实现 Frank Rosenblatt 提出的感知器的与非门，加深对感知器的理解blog: https://www.howie6879.cn/post/33/"""def __init__(self, act_func, input_nums=2):"""实例化一些基本参数:param act_func: 激活函数"""# 激活函数self.act_func = act_func# 权重 已经确定只会有两个二进制输入self.w = np.zeros(input_nums)# 偏置项self.b = 0.0def fit(self, input_vectors, labels, learn_nums=10, rate=0.1):"""训练出合适的 w 和 b:param input_vectors: 样本训练数据集:param labels: 标记值:param learn_nums: 学习多少次:param rate: 学习率"""for i in range(learn_nums):for index, input_vector in enumerate(input_vectors):label = labels[index]output = self.predict(input_vector)delta = label - outputself.w += input_vector * rate * deltaself.b += rate * deltaprint("此时感知器权重为{0}，偏置项为{1}".format(self.w, self.b))return selfdef predict(self, input_vector):if isinstance(input_vector, list):input_vector = np.array(input_vector)return self.act_func(sum(self.w * input_vector) + self.b)def f(z):"""激活函数:param z: (w1*x1+w2*x2+...+wj*xj) + b:return: 1 or 0"""return 1 if z > 0 else 0def get_and_gate_training_data():'''AND 训练数据集'''input_vectors = np.array([[1, 1], [1, 0], [0, 1], [0, 0]])labels = np.array([1, 0, 0, 0])return input_vectors, labelsif __name__ == '__main__':"""输出如下：此时感知器权重为[ 0.1 0.2]，偏置项为-0.2 与门1 and 1 = 11 and 0 = 00 and 1 = 00 and 0 = 0"""# 获取样本数据and_input_vectors, and_labels = get_and_gate_training_data()# 实例化感知器模型p = Perceptron(f)# 开始学习 ANDp_and = p.fit(and_input_vectors, and_labels)# 开始预测 ANDprint('1 and 1 = %d' % p_and.predict([1, 1]))print('1 and 0 = %d' % p_and.predict([1, 0]))print('0 and 1 = %d' % p_and.predict([0, 1]))print('0 and 0 = %d' % p_and.predict([0, 0]))
S型神经元
神经元和感知器本质上是一样的，他们的区别在于激活函数不同，比如跃迁函数改为Sigmoid函数
神经网络可以通过样本的学习来调整人工神经元的权重和偏置，从而使输出的结果更加准确，那么怎样给⼀个神经⽹络设计这样的算法呢？
以数字识别为例，假设⽹络错误地把⼀个9的图像分类为8，我们可以让权重和偏置做些⼩的改动，从而达到我们需要的结果9，这就是学习。对于感知器，我们知道，其返还的结果不是0就是1，很可能出现这样一个情况，我们好不容易将一个目标，比如把9的图像分类为8调整回原来正确的分类，可此时的阈值和偏置会造成其他样本的判断失误，这样的调整不是一个好的方案
所以，我们需要S型神经元，因为S型神经元返回的是[0,1]之间的任何实数，这样的话权重和偏置的微⼩改动只会引起输出的微⼩变化，此时的output可以表示为σ(w⋅x+b)，而σ就是S型函数，S型函数中S指的是Sigmoid函数，定义如下：
神经网络
神经网络其实就是按照一定规则连接起来的多个神经元，一个神经网络由以下组件构成：
输入层：接受传递数据，这里应该是 784 个神经元
隐藏层：发掘出特征
各层之间的权重：自动学习出来
每个隐藏层都会有一个精心设计的激活函数，比如Sigmoid、Relu激活函数
输出层，10个输出
上⼀层的输出作为下⼀层的输⼊，信息总是向前传播，从不反向回馈：前馈神经网络
有回路，其中反馈环路是可⾏的：递归神经网络
从输入层传入 手写字训练集，然后通过隐藏层向前传递训练集数据，最后输出层会输出10个概率值，总和为1。现在，我们可以看看 Keras代码:
第一步，对数据进行预处理，我们知道，原本数据形状是 (60000,28,28)，取值区间为 [0,255]，现在改为 [0,1]：
train_images = train_images.reshape((60000, 28 * 28))train_images = train_images.astype('float32') / 255test_images = test_images.reshape((10000, 28 * 28))test_images = test_images.astype('float32') / 255
然后对标签进行分类编码：
from keras.utils import to_categoricaltrain_labels = to_categorical(train_labels)test_labels = to_categorical(test_labels)
第二步，编写模型：
from keras import modelsfrom keras import layersnetwork = models.Sequential()network.add(layers.Dense(512, activation='relu', input_shape=(28 * 28,)))network.add(layers.Dense(10, activation='softmax')network.compile(optimizer='rmsprop',loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])network.fit(train_images, train_labels, epochs=5, batch_size=128)
一个隐藏层，激活函数选用 relu，输出层使用 softmax返回一个由10个概率值（总和为 1）组成的数组
训练过程中显示了两个数字：一个是网络在训练数据上的损失 loss，另一个是网络在 训练数据上的精度 acc
很简单，我们构建和训练一个神经网络，就这么几行代码，之所以写的这么剪短，是因为 keras接接口封装地比较好用，但是里面的理论知识我们还是需要好好研究下
神经网络的数据表示
TensorFlow里面的 Tensor是张量的意思，上面例子里面存储在多维Numpy数组中的数据就是张量：张量是数据容器，矩阵就是二维张量，张量是矩阵向任意维度的推广，张量的维度称为轴
标量
包含一个数字的张量叫做标量（0D张量），如下：
x = np.array(12)print(x, x.ndim)# 12, 0
张量轴的个数也叫做阶(rank)
向量
数字组成的数组叫做向量（1D张量），如下：
x = np.array([12, 3, 6, 14, 7])print(x, x.ndim)# [12 3 6 14 7] 1
矩阵
向量组成的数组叫做矩阵（2D张量），如下：
x = np.array([[5, 78, 2, 34, 0], [6, 79, 3, 35, 1], [7, 80, 4, 36, 2]])print(x, x.ndim)# [[ 5 78 2 34 0]# [ 6 79 3 35 1]# [ 7 80 4 36 2]] 2
3D张量与更高维张量
将多个矩阵组合成一个新的数组就是一个3D张量，如下：
x = np.array([[[5, 78, 2, 34, 0], [6, 79, 3, 35, 1]], [[5, 78, 2, 34, 0], [6, 79, 3, 35, 1]], [[5, 78, 2, 34, 0], [6, 79, 3, 35, 1]]])print(x, x.ndim)# (array([[[ 5, 78, 2, 34, 0],# [ 6, 79, 3, 35, 1]],## [[ 5, 78, 2, 34, 0],# [ 6, 79, 3, 35, 1]],## [[ 5, 78, 2, 34, 0],# [ 6, 79, 3, 35, 1]]]), 3)
将多个3D张量组合成一个数组，可以创建一个4D张量
关键属性
张量是由以下三个关键属性来定义：
轴的个数：3D张量三个轴，矩阵两个轴
形状：是一个整数元祖，比如前面矩阵为(3, 5)，向量(5,)，3D张量为(3, 2, 5)
数据类型
在Numpy中操作张量
以前面加载的 train_images为：
(train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = mnist.load_data()
比如进行切片选择 10~100个数字：
train_images[10:100].shape# (90, 28, 28)
数据批量的概念
深度学习模型会将数据集随机分割成小批量进行处理，比如：
batch = train_images[:128]batch.shape# (128, 28, 28)
现实世界的数据张量
下面将介绍下现实世界中数据的形状：
向量数据：2D张量，(samples, features)
时间序列数据或者序列数据：3D张量，(samples, timesteps, features)
图像：4D张量，(samples, height, width, channels) 或 (samples, channels, height, width)
视频：5D张量，(samples, frames, height, width, channels) 或 (samples, frames, channels, height, width)
张量运算
类似于计算机程序的计算可以转化为二进制计算，深度学习计算可以转化为数值数据张量上的一些张量运算(tensor operation)
上面模型的隐藏层代码如下：
keras.layers.Dense(512, activation='relu')
这一层可以理解为一个函数，输入一个2D张量，输出一个2D张量，就如同上面感知机那一节最后输出的计算函数：
output = relu(dot(W, input) + b)
逐元素计算
Relu 和加法运算都是逐元素的运算，比如：
# 输入示例input_x = np.array([[2], [3], [1]])# 权重W = np.array([[5, 6, 1], [7, 8, 1]])# 计算输出 zz = np.dot(W, input_x)# 实现激活函数def naive_relu(x):assert len(x.shape) == 2x = x.copy()for i in range(x.shape[0]):for j in range(x.shape[1]):x[i, j] = max(x[i, j], 0)return x# 激活函数对应的输出output = naive_relu(z)output
广播
张量运算那节中，有这样一段代码：
output = relu(dot(W, input) + b)
dot(W,input)是2D张量， b是向量，两个形状不同的张量相加，会发生什么？
如果没有歧义的话，较小的张量会被广播，用来匹配较大张量的形状：
input_x = np.array([[1], [3]])# 权重W = np.array([[5, 6], [7, 8]])b = np.array([1])# 计算输出 zz = np.dot(W, input_x) + b# array([[24],# [32]])
张量点积
点积运算，也叫张量积，如：
import numpy as np# 输入示例input_x = np.array([[2], [3], [1]])# 权重W = np.array([[5, 6, 1], [7, 8, 1]])np.dot(W, input_x)
两个向量之间的点积是一个标量：
def naive_vector_dot(x, y):assert len(x.shape) == 1assert len(y.shape) == 1assert x.shape[0] == y.shape[0]z = 0.for i in range(x.shape[0]):z += x[i] * y[i]return zx = np.array([1,2])y = np.array([1,2])naive_vector_dot(x, y)# 5.0
矩阵和向量点积后是一个向量：
np.dot(W, [1, 2, 3])# array([20, 26])
张量变形
前面对数据进行预处理的时候：
train_images = train_images.reshape((60000, 28 * 28))train_images = train_images.astype('float32') / 255
上面的例子将输入数据的shape变成了(60000, 784)，张量变形指的就是改变张量的行和列，得到想要的形状，前后数据集个数不变，经常遇到一个特殊的张量变形是转置(transposition)，如下：
x = np.zeros((300, 20))x = np.transpose(x)x.shape# (20, 300)
梯度优化
针对每个输入，神经网络都会通过下面的函数对输入数据进行变换：
output = relu(dot(W, input_x) + b)
其中：
relu：激活函数
W：是一个张量，表示权重，第一步可以取较小的随机值进行随机初始化
b：是一个张量，表示偏置
现在我们需要一个算法来让我们找到权重和偏置，从而使得y=y(x)可以拟合样本输入的x
再回到感知器
感知器学习的过程就是其中权重和偏置不断调优更新的过程，其中的偏置可以理解成输入为1的权重值，那么权重是怎么更新的呢？
首先，介绍一个概念，损失函数，引用李航老师统计学习方法书中的一个解释：
监督学习问题是在假设空间中选取模型f作为决策函数，对于给定的输入X，由f(X)给出相应的输出Y，这个输出的预测值f(X)与真实值Y可能一致也可能不一致，用一个损失函数（loss function）或代价函数（cost function）来度量预测错误的程度，损失函数是f(X)和Y的非负实值函数，记作L(Y,f(X))
其中模型f(X)关于训练数据集的平均损失，我们称之为：经验风险（empirical risk），上述的权重调整，就是在不断地让经验风险最小，求出最好的模型f(X)，我们暂时不考虑正则化，此时我们经验风险的最优化的目标函数就是：
求解出此目标函数最小时对应的权重值，就是我们感知器里面对应的权重值，在推导之前，我们还得明白两个概念：
什么是导数
什么是梯度
什么是导数
假设有一个连续的光滑函数 f(x)=y，什么是函数连续性？指的是x的微小变化只能导致y的微小变化。
假设f(x)上的两点 a,b足够接近，那么 a,b可以近似为一个线性函数，此时他们斜率为 k，那么可以说斜率k是f在b点的导数
总之，导数描述了改变x后f(x)会如何变化，如果你希望减小f(x)的值，只需要将x沿着导数的反方向移动一小步即可，反之亦然
什么是梯度
梯度是张量运算的导数，是导数这一概念向多元函数导数的推广，它指向函数值上升最快的方向，函数值下降最快的方向自然就是梯度的反方向
随机梯度下降
推导过程如下：
感知器代码里面的这段:
self.w += input_vector * rate * delta
就对应上面式子里面推导出来的规则
总结
再来看看全部的手写字识别模型代码：
from keras import modelsfrom keras import layersfrom keras.utils import to_categorical(train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = mnist.load_data()train_images = train_images.reshape((60000, 28 * 28))train_images = train_images.astype('float32') / 255test_images = test_images.reshape((10000, 28 * 28))test_images = test_images.astype('float32') / 255train_labels = to_categorical(train_labels)test_labels = to_categorical(test_labels)network = models.Sequential()network.add(layers.Dense(512, activation='relu', input_shape=(28 * 28,)))network.add(layers.Dense(10, activation='softmax'))network.compile(optimizer='rmsprop',loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])network.fit(train_images, train_labels, epochs=5, batch_size=128)test_loss, test_acc = network.evaluate(test_images, test_labels)print('test_acc:', test_acc)
输入数据保存在
float32格式的Numpy张量中，形状分别是(60000, 784)和(10000, 784)神经网络结构为：1个输入层、一个隐藏层、一个输出层
categorical_crossentropy是针对分类模型的损失函数
每批128个样本，共迭代5次，一共更新(469 * 5) = 2345次
说明
对本文有影响的书籍文章如下，感谢他们的付出：
[统计学习方法] 第一章
Neural Networks and Deep Learning 第一章
Deep Learning with Python 第二章
handsonMlwithSklearnandTF
hanbt零基础入门深度学习系列
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