浅层神经网络

作者: 小王子特洛伊 | 来源:发表于2020-01-26 13:34 被阅读0次

神经网络的表示

上图是只有一个隐藏层的神经网络，其中左侧为输入层， $x_1,x_2,x_3$ 表示一个样本的 3 个特征，中间为隐藏层，表示 4 个隐藏单元，右侧为输出层，表示一个单元。在训练集中，输入层和输出层的数值是可以观察到的，而这些中间层的真实数值是看不到的，所以叫做隐藏层。

输入样本 x 可以用 $a^{[0]}$ 表示，这里的 a 也表示激活的意思，它意味着网络中不同层的值会传递给后面的层。输入层将 x 的值传递给隐藏层，我们将输入层的激活值，记为 $a^{[0]}$ 。隐藏层也会产生激活值，记为 $a^{[1]}$ 。第 $l$ 层的第 i 个隐藏单元记为 $a^{[l]}_i$ ，图中隐藏层包括 4 个隐藏单元，所以 $a^{[1]}$ 是一个 4 x 1 维的列向量，如下所示：
$a^{[1]}=\begin{bmatrix}a^{[1]}_1\\a^{[1]}_2\\ \vdots\\ a^{[1]}_4 \end{bmatrix}$

最后的输出层会产生一个实数 $a^{[2]}$ ，这就是预测值 $\hat y$ 。当我们计算神经网络的层数时，不将输入层算作在内，通常将输入层称为第 0 层，所以上图是拥有一个隐藏层和一个输出层的双层神经网络。隐藏层和输出层都是带有参数的，这里的隐藏层有两个相关参数 w 和 b，记作 $w^{[1]},b^{[1]}$ 。其中 $w^{[1]}$ 是一个 4 x 3 的矩阵， $b^{[1]}$ 是一个 4 x 1 的向量，这里 4 代表隐藏层有 4 个隐藏单元，3 代表输入层有 3 个输入特征，1 代表输出层有 1 个隐藏单元。输出层的参数是 $w^{[2]},b^{[2]}$ ，其中 $w^{[2]}$ 是一个 1 x 4 的矩阵， $b^{[2]}$ 是一个 1 x 1 的向量，即一个实数，4 代表隐藏层有 4 个隐藏单元，1 代表输出层有 1 个单元。

神经网络输出的计算

上图显示，一个隐藏单元代表了逻辑回归计算的两个步骤：首先计算出 z，然后再计算激活函数值 a。通常一个隐藏层包含多个隐藏单元，需要将特征分别输入到多个不同的隐藏单元进行计算：

首先，第一个隐藏单元的计算过程，如下所示：

第 1 步，计算： $z^{[1]}_1=w^{[1]T}_1x+b^{[1]}_1$ ，其中 x 包含 3 个特征，分别为 $x_1, x_2, x_3$ 。第 2 步计算： $a^{[1]}_1=\sigma(z^{[1]}_1)$ 。这和逻辑回归计算类似，接下来，第 2 个隐藏单元也执行相似计算：

直到隐藏层所有单元计算完成，计算过程如下图所示：

其中 $w^{[1]}_i$ 是 3 x 1 维的向量，转置后为 1 x 3 维的向量，x 为 3 x 1 的向量， $b^{[1]}_i$ 为一个实数，所以 $w^{[1]T}_i x+b^{[1]}_i$ 的结果 $z^{[1]}_i$ 是一个实数。如果利用循环，遍历所有隐藏单元进行计算，计算效率非常低下，所以我们应该将 4 个等式向量化。

向量化计算

可以把一个隐藏层的多个单元纵向堆叠起来构成列矩阵，直接计算隐藏层的所有隐藏单元。将第一个隐藏层的 4 个隐藏单元的 w 参数提取出来并转置，构成一个 4 x 3 维的矩阵 $W^{[1]}$ ，将第一个隐藏层的 4 个隐藏单元的 b 参数提取出来构成一个 4 x 1 维的向量 $b^{[1]}$ ，如下所示：
$W=\begin{bmatrix}w^{[1]T}_1\\w^{[1]T}_2\\w^{[1]T}_3\\w^{[1]T}_4 \end{bmatrix},x=\begin{bmatrix}x_1\\x_2\\x_3\end{bmatrix},b= \begin{bmatrix}b^{[1]}_1\\b^{[1]}_2\\b^{[1]}_3\\b^{[1]}_4\end{bmatrix}$

然后，直接计算得出隐藏层所有隐藏单元的预测值 $z^{[1]}$ ，这是一个 4 x 1 的向量，其中第 i 个元素即第 i 个隐藏单元的计算结果 $z^{[1]}_i$ ，而 $z^{[1]}_i=w^{[1]T}_i x+b^{[1]}_i$ ，这和非向量化计算的等式完全一致。计算过程如下所示：

$W^{[1]}\times x + b^{[1]}=\begin{bmatrix}w^{[1]T}_1\\w^{[1]T}_2\\w^{[1]T}_3\\w^{[1]T}_4 \end{bmatrix} \times \begin{bmatrix}x_1\\x_2\\x_3\end{bmatrix}+ \begin{bmatrix}b^{[1]}_1\\b^{[1]}_2\\b^{[1]}_3\\b^{[1]}_4\end{bmatrix}= \begin{bmatrix}w^{[1]T}_1x+b^{[1]}_1\\w^{[1]T}_2x+b^{[1]}_2\\w^{[1]T}_3x+b^{[1]}_3\\w^{[1]T}_4x+b^{[1]}_4\end{bmatrix}= \begin{bmatrix}z^{[1]}_1\\z^{[1]}_2\\z^{[1]}_3\\z^{[1]}_4\end{bmatrix}=z^{[1]}$

接下来，需要将 sigmoid 函数作用到向量 z 的每个元素，得出每个隐藏单元的激活值，构成了 4 x 1 维的向量 $a^{[1]}$ ：

$\sigma(z^{[1]})=\begin{bmatrix}\sigma(z^{[1]}_1)\\\sigma(z^{[1]}_2)\\\sigma(z^{[1]}_3)\\\sigma(z^{[1]}_4)\end{bmatrix}= \begin{bmatrix}a^{[1]}_1\\a^{[1]}_2\\a^{[1]}_3\\a^{[1]}_4\end{bmatrix}=a^{[1]}$

概况起来，一个样本在双层神经网络的向量化计算过程为：
$\begin{align}z^{[1]}=&W^{[1]}x+b^{[1]}\\ a^{[1]}=&\sigma(z^{[1]})\\ z^{[2]}=&W^{[2]}a^{[1]}+b^{[2]}\\ a^{[2]}=&\sigma(z^{[2]})\end{align}$

其中，隐藏层参数 $W^{[1]}$ 是一个 4 x 3 维的矩阵，输入样本 x（即 $a^{[0]}$ ）是一个 3 x 1 维的向量，隐藏层参数 $b^{[1]}$ 是一个 4 x 1 维的向量， $z^{[1]}$ 也是一个 4 x 1 维的向量，进行 sigmoid 激活后的隐藏层结果 $a^{[1]}$ 也是一个 4 x 1 维的向量。输出层参数 $W^{[2]}$ 是一个 1 x 4 维的矩阵，参数 $b^{[2]}$ 是一个实数， $z^{[2]}$ 也是一个实数，最后输出结果 $a^{[2]}$ 也是一个实数。

逻辑回归模型的假设函数为： $\hat y=\sigma(w^Tx+b)$ ，可以将输出层参数 $W^{[2]}$ 看作是逻辑回归模型中的参数 $w^T$ ，将输出层参数 $b^{[2]}$ 看作逻辑回归模型中的参数 b，将隐藏层的激活值 $a^{[1]}$ 看作逻辑回归中的输入 x，那么输出层的激活值 $a^{[2]}$ 即为预测结果 $\hat y$ 。

以上通过向量化的四个等式，即完成了一个样本在双层神经网络的计算，前两个等式为隐藏层计算，后两个等式为输出层计算。

多个样本的向量化计算

我们知道了单个样本 x 计算预测值 $\hat y$ 的过程，很容易想到可以利用循环来计算多个样本的预测值。可以用 $a^{[2](i)}$ 来表示第 i 个样本在输出层的计算结果，那么 m 个样本的非向量化计算过程如下：

为了提高计算效率，我们需要使用向量化计算。首先需要重新设计输入和参数结构，用 $x^{(i)}$ 表示第 i 个样本，将输入层的 m 个样本 $x^{(i)}$ 横向堆叠起来构成 n x m 维的输入矩阵 X，其中 n 为特征数。将隐藏层的 m 个计算结果 $z^{[1](i)}$ 横向堆叠起来构成 4 x m 维的矩阵 $Z^{[1]}$ ，将隐藏层 m 个激活函数计算结果 $a^{[1](i)}$ 横向堆叠起来构成 4 x m 维的矩阵 $A^{[1]}$ ，这里的 4 代表第一个隐藏层的单元数。 $Z^{[2]},A^{[2]}$ 同理，矩阵 Z 和矩阵 A 的横向长度对应训练集样本数，纵向长度对应神经网络的中隐藏层的单元数。

$X=A^{[0]}=\begin{bmatrix}x^{(1)}&x^{(2)}&\cdots&x^{(m)}\end{bmatrix}\\ Z^{[1]}=\begin{bmatrix}z^{[1](1)}&z^{[1](2)}&\cdots&z^{[1](m)}\end{bmatrix}\\ A^{[1]}=\begin{bmatrix}a^{[1](1)}&a^{[1](2)}&\cdots&a^{[1](m)}\end{bmatrix}\\ Z^{[2]}=\begin{bmatrix}z^{[2](1)}&z^{[2](2)}&\cdots&z^{[2](m)}\end{bmatrix}\\ A^{[2]}=\begin{bmatrix}a^{[2](1)}&a^{[2](2)}&\cdots&a^{[2](m)}\end{bmatrix}$

多个样本的向量化计算公式为：
$\begin{align}Z^{[1]}=&W^{[1]}X+b^{[1]}\\ A^{[1]}=&\sigma(Z^{[1]})\\ Z^{[2]}=&W^{[2]}A^{[1]}+b^{[2]}\\ A^{[2]}=&\sigma(Z^{[2]})\end{align}$

$Z^{[1]}$ 计算过程如下：
$\begin{align}W^{[1]}\times X+ b^{[1]}=&\begin{bmatrix}w^{[1](1)T}_1&\cdots&w^{[1](n_x)T}_1\\w^{[1](1)T}_2&\cdots&w^{[1](n_x)T}_2\\w^{[1](1)T}_3&\cdots&w^{[1](n_x)T}_3\\w^{[1](1)T}_4&\cdots&w^{[1](n_x)T}_4 \end{bmatrix} \times \begin{bmatrix}x^{(1)}&\cdots&x^{(m)}\end{bmatrix}+ \begin{bmatrix}b^{[1]}_1\\b^{[1]}_2\\b^{[1]}_3\\b^{[1]}_4\end{bmatrix}\\ =&\begin{bmatrix}w^{[1]T}_1x^{(1)}+b^{[1]}_1&\cdots&w^{[1]T}_1x^{(m)}+b^{[1]}_1\\w^{[1]T}_2x^{(1)}+b^{[1]}_2&\cdots&w^{[1]T}_2x^{(m)}+b^{[1]}_2\\w^{[1]T}_3x^{(1)}+b^{[1]}_3&\cdots&w^{[1]T}_3x^{(m)}+b^{[1]}_3\\w^{[1]T}_4x^{(1)}+b^{[1]}_4&\cdots&w^{[1]T}_4x^{(m)}+b^{[1]}_4\end{bmatrix}\\=&\begin{bmatrix}z^{[1](1)}_1&\cdots&z^{[1](m)}_1\\z^{[1](1)}_2&\cdots&z^{[1](m)}_2\\z^{[1](1)}_3&\cdots&z^{[1](m)}_3\\z^{[1](1)}_4&\cdots&z^{[1](m)}_4\end{bmatrix}=Z^{[1]}\end{align}$

将第 i 层的单元数记为 $n_{li}$ ，将训练样本 x 的特征数记为 $n_x$ 。第一个隐藏层参数 $W^{[1]}$ 为 $n_{l1}\times n_x$ 的矩阵，X 是 m 个样本横向堆叠构成的 $n_x\times m$ 的矩阵， $x^{(i)}$ 为 $n_x\times 1$ 的向量， $b^{[1]}$ 为 $n_{l1}\times 1$ 的向量。所以在第 1 个隐藏层中，第 i 个样本的计算结果为 $z^{[1](i)}=W^{[1]}x^{(i)}+b^{[1]}$ ，是一个 $n_l1\times 1$ 的向量。第 1 个隐藏层 m 个样本的计算结果 $Z^{[1]}$ 为 $n_{l1}\times m$ 的矩阵，后面 $A^{[1]},Z^{[2]},A^{[2]}$ 同理。

激活函数

在神经网络中，我们可以选择隐藏层和输出层采用哪种激活函数，通常用 $g^{[i]}$ 表示第 i 层的激活函数。

sigmoid 激活函数，可以将预测值限制在 0-1 之间，作为预测分类概率，适合用于二元分类的输出层。

$tanh:a=\frac{e^z-e^{-z}}{e^z+e^{-z}}$

tanh 函数也叫双曲正切函数，在数学中实际上是 sigmoid 函数平移后的版本。激活函数使用 tanh 几乎总比 sigmoid 表现好。因为 tanh 函数输出值介于 -1 到 1 之间，输出的平均值更接近 0，有数据中心化的效果，而 sigmoid 函数输出值则更接近 0.5。除了在输出层，tanh 激活函数是比 sigmoid 激活函数更好的选择。

tanh 函数和 sigmoid 函数都有一个缺点，当 z 非常大或非常小时，导数的梯度（斜率）会非常小，甚至接近 0，这将使梯度下降变得非常缓慢。

$ReLU:a=max(0,z)$

ReLU 是最常用的激活函数，叫做修正线性单元。根据公式，当 z > 0，导数为 1；当 z < 0，导数为 0；当 z = 0 时，导数未定义，但 z = 0 的概率很低，实际开发中，可以在 z = 0 时给导数设为 0 或 1。ReLU 激活函数的优点是，当 z > 0，一般来说激活函数的导数和 0 差很远，所以不会出现由于导数接近 0 而减慢学习速度的效应，这会使得梯度下降的速度快很多。ReLU 激活函数的缺点是，当 z 为负数，导数为 0，不过这也没什么太大问题。

$ReLU:a=max(0.01,z)$

ReLU还有一个版本叫做带泄漏的 ReLU，当 z < 0，导数不再为 0，而是有一个很平缓的斜率，这通常比 ReLU 激活函数更好，不过实际中使用的频率没有那么高，还是使用 ReLU 激活函数的更多。

可以通过交叉验证集分别进行测试，从而选择效果最好的激活函数。

为什么需要非线性激活函数

如上图所示，我们尝试在神经网络中将激活函数去掉，在计算过程中，令 $a^{[1]}=z^{[1]},a^{[2]}=z^{[2]}$ ，那么：
$\begin{align}a^{[1]}=&z^{[1]}=W^{[1]}x+b^{[1]}\\ a^{[2]}=&z^{[2]}=W^{[2]}a^{[1]}+b^{[2]}\end{align}$

将 $a^{[1]}$ 带入到 $a^{[2]}$ 中：
$\begin{align} a^{[2]}=&W^{[2]}(W^{[1]}x+b^{[1]})+b^{[2]}\\ =&(W^{[2]}W^{[1]})x+(W^{[2]}b^{[1]})+b^{[2]}\\ =&(W^{[2]}W^{[1]})x+(W^{[2]}b^{[1]}+b^{[2]})\\ =&W'x+b'\end{align}$

可以发现，x 的权重参数由 $W^{[1]}$ 变为 $W^{[2]}W^{[1]}$ ，记作 $W'$ ，偏置参数由 $b^{[1]}$ 变为 $W^{[2]}b^{[1]}+b^{[2]}$ ，记作 $b'$ 。事实证明，如果使用线性激活函数或者不用激活函数，模型的输出 $\hat y$ 不过是把输入线性组合后再输出。所以不论神经网络包括多少层，线性激活函数都不会起到作用，因为两个线性函数组合还是一个线性函数，和去掉所有隐藏层没有本质区别。

如图所示，如果中间隐藏层为线性激活函数，这和没有任何隐藏层的标准逻辑回归是一样的，因为线性隐藏层没有任何作用。当然，如果要学习的是回归问题，可以在输出层使用线性激活函数，因为输出的预测值的取值范围是负无穷到正无穷，如果预测值一定大于 0 ，也可以在输出层使用 ReLU 激活函数，但解决分类问题时，隐藏单元还是不能用线性激活函数。

激活函数的导数

激活函数的导数可以表示为 $\frac{dg(z)}{dz}$ ，也可以表示为 g'(z)，在微积分中这个符号 ' 叫做 prime，表示函数 g 对输入变量 z 的导数。

sigmoid 激活函数的导数：
$\frac{d}{dz}g(z)=\frac{1}{1+e^{-z}}(1-\frac{1}{1+e^{-z}})\\ =g(z)\cdot (1-g(z))$

z 越大，g(z) 越接近 1，所以 $\frac{dg(z)}{dz}\approx 1\times(1-1)\approx 0$ 越接近0；
z 越小，g(z) 越接近 0，所以 $\frac{dg(z)}{dz}\approx 0\times(1-0)\approx 0$ 越接近0；
z = 0，g(z) = 0.5，所以 $\frac{d}{dz}g(z)=0.5\times(1-0.5)=0.25$ 。

g'(z) = a(1 - a)，计算出 a 值后，可以快速计算出 g’(z)。

$tanh(z)=\frac{e^z-e^{-z}}{e^z+e^{-z}}$

tanh 激活函数的导数：
$g'(z)=\frac{dg(z)}{dz}=1-tanh(z)^2$

z 越大，g(z) 越接近 1，所以 $\frac{d}{dz}g(z) \approx 1-1^2\approx 0$ 越接近 0；
z 越小，g(z) 越接近 -1，所以 $\frac{d}{dz}g(z) \approx 1-(-1)^2\approx 0$ 越接近 0；
z = 0，g(z) = 0，所以 $\frac{dg(z)}{dz}=1-0^2=1$ 。

如果 a = g(z), g(z) = tanh(z)，那么 $g'(z)=1-a^2$ ，计算出 a 值后，即可快速计算出 g'(z)。

$g(z)=max(0,z)$

ReLU 激活函数的导数：
$g'(z)=\begin{cases}0&z<0\\ 1&z>0\\ undefine&z=0 \end{cases}$

实际情况中，我们可以令 g'(0) = 1 或 g'(0) = 0，g'(0) 就是激活函数 g(z) 的次梯度，梯度下降仍然有效，但 z = 0 的概率非常小，所以 g'(0) 的值实际上并不重要。

$g(z)=max(0.01z,z)$

带泄漏的 ReLU 激活函数的导数：
$g'(z)=\begin{cases}0.01&z<0\\ 1&z>0\\ undefine&z=0 \end{cases}$

同样，可以令 g'(0) = 1 或 g'(0) = 0。

神经网络的梯度下降

图中双层神经网络中的参数为： $W^{[1]},b^{[1]},W^{[2]},b^{[2]}$ ，通常 $n_x$ （即 $n^{[0]}$ ）表示输入层样本的特征数， $n^{[1]}$ 表示隐藏层的单元数， $n^{[2]}$ 表示输出层单元数。

神经网络的代价函数为：
$J(W^{[1]},b^{[1]},W^{[2]},b^{[2]})=\frac{1}{m}\sum_{i=1}^mL(\hat y,y)$

$L(\hat y,y)$ 表示损失函数，这里和标准逻辑回归的损失函数一样，即 $\hat y=a^{[2]}$ 。

通常梯度下降分为三个步骤：前向传播、反向传播以及迭代更新参数。首先通过前向传播计算每个样本的预测值 $a^{[2]}$ ，向量化计算公式为：
$\begin{align}Z^{[1]}=&W^{[1]}X+b^{[1]}\\ A^{[1]}=&g^{[1]}(Z^{[1]})\\ Z^{[2]}=&W^{[2]}A^{[1]}+b^{[2]}\\ A^{[2]}=&g^{[2]}(Z^{[2]})\end{align}$

其中激活函数 g(z) 为 sigmoid 激活函数， $W^{[1]}$ 是 $n^{[1]}\times n^{[0]}$ 维的矩阵，X 是 m 个样本横向堆叠构成的 $n^{[0]}\times m$ 维的矩阵（ $n^{[0]}=n_x$ ）， $b^{[1]}$ 是一个 $n^{[1]}\times 1$ 维的向量，所以 $Z^{[1]}$ 是 $n^{[1]}\times m$ 维的矩阵。 $W^{[2]}$ 是 $n^{[2]}\times n^{[1]}$ 维的矩阵， $A^{[1]}$ 是 $n^{[1]}\times m$ 维的矩阵， $b^{[2]}$ 是 $n^{[2]}\times 1$ 维的向量，因为这里 $n^{[2]}$ = 1，所以 $Z^{[2]}$ 是 1 x m 维的向量， $A^{[2]}$ 就是 m 个样本预测值横向堆叠起来形成的 1 x m 维的向量，即 $A^{[2]}=[\begin{smallmatrix}\hat y^{(1)}&\hat y^{(2)}&\cdots&\hat y^{(m)}\end{smallmatrix}]$ 。

接下来，再通过反向传播计算各个参数的导数： $dW^{[1]}=\frac{dJ}{dW^{[1]}},db^{[1]}=\frac{dJ}{db^{[1]}},W^{[2]}=\frac{dJ}{dW^{[2]}},db^{[2]}=\frac{dJ}{db^{[2]}}$ ，向量化计算公式为：
$\begin{align}dZ^{[2]}=&A^{[2]}-Y\\ dW^{[2]}=&\frac{1}{m}dZ^{[2]}A^{[1]T}\\ db^{[2]}=&\frac{1}{m}\text{np.sum($dZ^{[2]}$,axis=1,keepdim=True)}\\ dZ^{[1]}=&W^{[2]T}dZ^{[2]}*g^{[1]}{'}(Z^{[1]})\\ dW^{[1]}=&\frac{1}{m}dZ^{[1]}X^T\\ db^{[1]}=&\frac{1}{m}\text{np.sum($dZ^{[1]}$,axis=1,keepdim=True)}\end{align}$

其中，Y 是 m 个样本真实值横向堆叠起来形成的 1 x m 维的向量， $Y=[\begin{smallmatrix}y^{(1)}&y^{(2)}&\cdots&y^{(m)}\end{smallmatrix}]$ ， $dZ^{[2]}$ 是 1 x m 维的向量， $A^{[1]T}$ 是 $m\times n^{[1]}$ 维的矩阵，所以 $dW^{[2]}$ 是 $1\times n^{[1]}$ 维的矩阵， $db^{[2]}$ 是 1 x 1 维的矩阵，即一个实数， $W^{[2]T}$ 是 $n^{[1]}\times 1$ 维的矩阵，所以 $W^{[2]T}dZ^{[2]}$ 是 $n^{[1]}\times m$ 维的矩阵，所以 $dZ^{[1]}$ 是 $n^{[1]}\times m$ 维的矩阵，又 $X^T$ 是 $m\times n^{[0]}$ 维的矩阵，所以 $dW^{[1]}$ 是 $n^{[1]}\times n^{[0]}$ 维的矩阵， $db^{[1]}$ 是 $n^{[1]}\times 1$ 维的矩阵。这里利用 np.sum() 函数 axis = 1 进行水平相加求和，keepdims = True 是为防止 Python 输出秩为 1 的数组，确保输出的是矩阵。

最后根据梯度下降公式，更新参数：
$W^{[1]}=W^{[1]}-\alpha\cdot dW^{[1]}\\ b^{[1]}=b^{[1]}-\alpha\cdot db^{[1]}\\ W^{[2]}=W^{[2]}-\alpha\cdot dW^{[2]}\\ b^{[2]}=b^{[2]}-\alpha\cdot db^{[2]}\\$

至此，已经完成了一次梯度下降迭代，需要不断重复迭代，更新参数，才能将代价函数收敛到最小值。

反向传播的计算

逻辑回归模型中，通常根据前向传播计算流程，利用反向传播来分步计算导数，先计算 da，接着计算 dz，最后计算 dw 和 db。

损失函数为： $L(a,y)=-y \cdot \log a-(1-y)\log(1-a)$

首先计算 da： $da=\frac{dL}{da}=-\frac{y}{a}+\frac{1-y}{1-a}$

接着计算 dz： $dz=\frac{dL}{da}\frac{da}{dz}$ ，又 $a=\sigma(z)$ ， $g(z)=\sigma(z)$ ， $\frac{da}{dz}=\frac{dg(z)}{dz}=g'(z)$ ，所以 $dz=da\cdot g'(z)=a-y$

最后计算 dw 和 db： $dw=dz\cdot x,db=dz$

以上就是逻辑回归模型中单个样本的反向传播计算过程，这和双层神经网络很像，如下所示：

前向传播的计算过程是：首先计算 $z^{[1]}$ ，然后计算 $a^{[1]}$ ，然后计算 $z^{[2]}$ ， $z^{[2]}$ 也取决于参数 $W^{[2]}$ 和 $b^{[2]}$ ，然后从 $z^{[2]}$ 出发，计算 $a^{[2]}$ ，最后得到损失函数。

反向传播的计算过程是：向后推算出 $da^{[2]}$ ，然后是 $dz^{[2]}$ ，然后计算 $dW^{[2]}$ 和 $db^{[2]}$ ，然后反向计算 $da^{[1]}$ ， $dz^{[1]}$ ，最后求出 $dW^{[1]}$ 和 $db^{[1]}$ 。

我们可以跳过显式计算 $da^{[2]}$ ，直接计算 $dz^{[2]}$ ，将两步计算合并成一步，直接得到 $dz^{[2]}=a^{[2]}-y$ 。 $dW^{[2]}=dz^{[2]}a^{[1]T}$ ，和逻辑回归导数计算中 $dw=dz\cdot x$ 类似，只不过这里的 x 变为 $a^{[1]}$ ，还有一个额外的转置运算，因为逻辑回归中 w 是行向量，而神经网络中 W 是列向量。 $db^{[2]}=dz^{[2]}$ 。

接下来需要计算 $da^{[1]}$ ，然后计算 $dz^{[1]}$ 。这里也可以将两步计算合并成一步，直接得到 $dz^{[1]}=W^{[2]T}dz^{[2]}*g^{[1]'} (z^{[1]})$ 。

最后 $dW^{[1]}=dz^{[1]}\cdot x^T$ ， $db^{[1]}=dz^{[1]}$ ， $x^T$ 相当于 $a^{[0]T}$ 。

我们用 $n^{[0]}$ 表示输入特征数， $n^{[1]}$ 表示隐藏层单元数， $n^{[2]}$ 表示输出层单元数。那么， $W^{[2]}$ 是 $n^{[2]}\times n^{[1]}$ 维的矩阵， $z^{[2]},dz^{[2]}$ 是 $n^{[2]}\times 1$ 维的向量，当做二元分类时， $n^{[2]}$ = 1，就是 1 x 1 维，即一个实数。 $z^{[1]}$ 和 $dz^{[1]}$ 是 $n^{[1]}\times 1$ 维的向量，可以发现变量和变量导数的维度是一样的。整个计算过程，如下所示：

反向传播的向量化计算

在前向传播的向量化计算中，需要计算： $z^{[1]}=w^{[1]}x+b^{[1]}$ ， $a^{[1]}=g^{[1]}(z^{[1]})$ ，我们把 z 横向堆叠起来形成行向量： $Z^{[1]}=[\begin{smallmatrix}z^{[1](1)}&\cdots&z^{[1](m)}\end{smallmatrix}]$ ，从而得出如下向量化计算公式：
$\begin{align}Z^{[1]}=&W^{[1]}X+b^{[1]}\\ A^{[1]}=&g^{[1]}(Z^{[1]})\\ Z^{[2]}=&W^{[2]}A^{[1]}+b^{[2]}\\ A^{[2]}=&g^{[2]}(Z^{[2]})\end{align}$

反向传播也是如此，下图中，左侧为单个样本反向传播的计算过程，右侧为多个样本反向传播的向量化计算过程。

首先计算 $dZ^{[2]}=A^{[2]}-Y$ ， $dW^{[2]}=\frac{1}{m}dZ^{[2]}-A^{[1]T}$ ，这里 $\frac{1}{m}$ 是由于代价函数是 m 个样本的平均损失，即 $J=\frac{1}{m}\sum_{i=1}^mL(\hat y,y)$ ，接下来计算：
$\begin{align}db^{[2]}=&\frac{1}{m}\text{np.sum($dZ^{[2]}$,axis=1,keepdims=True)}\\ dZ^{[1]}=&W^{[2]T}dZ^{[2]}* g^{[1]}{'}(Z^{[1]})\end{align}$

其中 $dZ^{[1]}$ 是 $n^{[1]}\times m$ 维矩阵，后面两项也是，两项逐个元素乘积。

最后计算：
$\begin{align}dW^{[1]}=&\frac{1}{m}dZ^{[1]}X^T\\ db^{[1]}=&\frac{1}{m}\text{np.sum($dZ^{[1]}$,axis=1,keepdims=True)}\end{align}$

随机初始化权重

逻辑回归中，我们可以将参数全部初始化为 0，但在神经网络中将参数全部初始化为 0 会导致梯度下降失效。

假设输入层有两个输入特征，即 $n^{[0]}=2$ ，隐藏层有两个单元，即 $n^{[1]}=2$ 。那么和隐层相关的参数 $W^{[1]}$ 就是一个 2 x 2 的矩阵，假设将其全部初始化为 0，将 $b^{[1]}$ 也初始化为 0（实际上将偏置项 b 初始化为 0 是可行的，但将 w 初始化为 0 就有问题了），因为对于输入的任何样本， $a^{[1]}_1$ 和 $a^{[1]}_2$ 是一样的。也就是说这两个激活函数完全一样，因为两个隐藏单元都在做完全一样的计算，当计算反向传播时，事实证明，出于对称性， $dz^{[1]}_1$ 和 $dz^{[1]}_2$ 也是相同的，那么两个隐藏单元完全相同，这就是所谓的完全对称，我们通过归纳法证明，每次训练迭代之后，两个隐藏单元仍然在计算完全相同的函数，两个隐藏单元对输出单元的影响也是一样的，在一次迭代之后同样的对称性依然存在，两个隐藏单元仍然是对称的。无论尝试迭代多少次，都还是对称的。所以在这种情况下多个隐藏单元没有意义。当然对于更大的神经网络或者输入有 3 个特征，或者隐藏单元的数目非常多，如果把所有权重的初始化为 0，那所有隐藏单元都是对称的，不管运行多久梯度下降，它们的计算完全一样，所以没有任何意义。因为我们需要不同的隐藏单元去计算不同的函数。解决方案是随机初始化所有参数。
$\begin{align}W^{[1]}=&\text{np.random.rand((2,2))*0.01}\\ b^{[1]}=&\text{np.zero((2,1))}\\ W^{[2]}=&\text{np.random.rand((1,2))*0.01}\\ b^{[2]}=&\text{np.zeros((2,1))}\end{align}$

我们通常把权重初始化为非常小的随机值。因为如果使用 tanh 或者 sigmoid 激活函数，权重太大的话，当计算激活函数值时，很容易得出非常大或非常小的值，那么函数曲线会非常平缓，梯度的斜率非常小，梯度下降会变得非常慢。如果是深度神经网络，应该用0.001甚至更小。但参数 b 是没有对称性问题的。

参考

https://mooc.study.163.com/smartSpec/detail/1001319001.htm

浅层神经网络

神经网络的表示

神经网络输出的计算

向量化计算

多个样本的向量化计算

激活函数

为什么需要非线性激活函数

激活函数的导数

神经网络的梯度下降

反向传播的计算

反向传播的向量化计算

随机初始化权重

参考

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