前言

感知机可以表示部分复杂函数，但是在设定权重的工作，确定能符合预期的输入与输出权重需要由人工进行，而神经网络可以自动从数据中学习到合适的权重参数

1、从感知机到神经网络

神经网络最左边的一列称为输入层，最右边的一列称为输出层，中间的一列称为中间层。中间层有时也称为隐藏层。“隐藏”一词的意思是，隐藏层的神经元（和输入层、输出层不同）肉眼看不见。把输入层到输出层依次称为第0层、第1层、第2层。上图中，第0层对应输入层，第1层对应中间层，第2层对应输出层。

1.1复习感知机

感知机抽象后的数据函数如下：

引用新函数改造感知机函数：

输入信号的总和会被函数h(x)转换，转换后的值就是输出y。

1.2激活函数登场

上面感知机变形调整的函数h（x）会将输入信号的总和转换为输出信号，这种函数称为激活函数（activation function）。激活函数的作用在于决定如何来激活输入信号的总和。

感知机数据公式可以改造由两部分构成：

上图神经元的○中明确显示了激活函数的计算过程，即信号的加权总和为节点a，然后节点a被激活函数h()转换成节点y。

2、激活函数

从上面提到的激活函数可以看出激活函数以阈值为界，一旦输入超过阈值，就切换输出。这样的函数称为“阶跃函数”。

2.1sigmoid函数

函数中的exp(-x)表示e-X的意思。 e是纳皮尔常数2.7182 . . .。sigmoid函数看上去有些复杂，但它也仅仅是个函数而已。而函数就是给定某个输入后，会返回某个输出的转换器。比如，向sigmoid函数输入1.0或2.0后，就会有某个值被输出，类似h(1.0) = 0.731 . . .、 h(2.0) = 0.880 。

sigmoid函数是一条平滑的曲线，输出随着输入发生连续性的变化，图形如下：

sigmoid函数

2.2阶跃函数

当输入超过0时，输出1，否则输出0。图像信息如下：

2.3sigmoid函数和阶跃函数

虚线是阶跃函数，实现是sigmoid函数  

如图所示两个函数的不同点有：

1、sigmoid函数是一条平滑的曲线，输出随着输入发生连续性的变化。而阶跃函数以0为界，输出发生急剧性的变化。

2、相对于阶跃函数只能返回0或1， sigmoid函数可以返回0.731 . . .、 0.880 . . .等实数。

两者共同点：

1、两者的结构均是“输入小时，输出接近0（为0）；随着输入增大，输出向1靠近（变成1）”。即当输入信号为重要信息时，阶跃函数和sigmoid函数都会输出较大的值；当输入信号为不重要的信息时，两者都输出较小的值。

2、不管输入信号有多小，或者有多大，输出信号的值都在0到1之间。

3、两者均为非线性函数。sigmoid函数是一条曲线，阶跃函数是一条像阶梯一样的折线。

2.4ReLU函数

神经网络发展的历史上， sigmoid函数很早就开始被使用了，而最近则主要、使用ReLU（Rectifed Linear Unit）函数。ReLU函数在输入大于0时，直接输出该值；在输入小于等于0时，输出0。

ReLU函数

2.5神经网络激活函数要求

神经网络的激活函数必须使用非线性函数而不能使用线性函数，因为线性函数的问题在于，不管如何加深层数，总是存在与之等效的“无隐藏层的神经网络”。比如：线性函数 h(x) = cx 作为激活函数，把y(x) = h(h(h(x)))的运算对应3层神经网络 A。这个运算会进行y(x) = c × c × c × x的乘法运算，但是同样的处理可以由y(x) = ax（注意，a = c3）这一次乘法运算（即没有隐藏层的神经网络）来表示。使用线性函数时，无法发挥多层网络带来的优势。为了发挥叠加层所带来的优势，激活函数必须使用非线性函数。

神经网络计算:

3、3层神经网络计算

上图的3层神经网络：输入层（第0层）有 2个神经元，第1个隐藏层（第1层）有3个神经元，

第2个隐藏层（第2层）有 2个神经元，输出层（第3层）有 2个神经元

3.1符号说明

3.2各层间信号传递的实现

上图增加了表示偏置的神经元“1”。

通过加权信号和偏置的和按如下方式进行计算下一层节点值：

使用矩阵的乘法运算，则可以将第1层的加权和表示成下面

其中， A(1)、 X、 B (1)、 W (1)如下所示：

神经网络向向前运算过程如下：

A1 = np.dot(X, W1) + B1

Z1 = sigmoid(A1)

隐藏层的加权和（加权信号和偏置的总和）用a表示，被激活函数转换后的信号用z表示。

A2 = np.dot(Z1, W2) + B2

Z2 = sigmoid(A2)

A3 = np.dot(Z2, W3) + B3

输出层使用激活函数得出最终结果。输出层所用的激活函数回归问题可以使用恒等函数，二元分类问题可以使用 sigmoid函数，多元分类问题可以使用 softmax函数。

3.3恒等函数

恒等函数会将输入按原样输出，对于输入的信息，不加以任何改动地直接输出。

3.4softmax函数

softmax函数可以计算得出每个结果所占的比例。exp(x)是表示ex的指数函数（e是纳皮尔常数2.7182 . . .）。假设输出层共有n个神经元，计算第k个神经元的输出yk。softmax函数的分子是输入信号ak的指数函数，分母是所有输入信号的指数函数的和。softmax函数的输出通过箭头与所有的输入信号相连，输出层的各个神经元都受到所有输入信号的影响。

softmax函数的实现中要进行指数函数的运算，但是此时指数函数的值很容易变得非常大，容易造成溢出。

改进后的softmax函数过程如下：

在分子和分母上都乘上C这个任意的常数（因为同时对分母和分子乘以相同的常数，所以计算结果不变）。然后，把这个C移动到指数函数（exp）中，记为log C。最后，把log C替换为另一个符号C' 。为了防止溢出，一般会把C'使用输入信号中的最大值。

softmax特性：

函数的输出是0.0到1.0之间的实数。并且， softmax函数的输出值的总和是1。输出总和为1是softmax函数的一个重要性质。有了这个性质，才可以把softmax函数的输出解释为“概率”。