㈠ 什麼是神經網路
神經網路是機器學習的一個流派。這是現今最火的一個學派。我們在第一講中，已經知道人學習知識是通過神經元的連接，科學家通過模仿人腦機理發明了人工神經元。技術的進一步發展，多層神經元的連接，就形成了神經網路。那麼神經網路是怎麼搭建起來的呢？神經元是構建神經網路的最基本單位， 這張圖就是一個人工神經元的原理圖，非常簡單，一個神經元由一個加法器和一個門限器組成。加法器有一些輸入，代表從其他神經元來的信號，這些信號分別被乘上一個系數後在加法器里相加，如果相加的結果大於某個值，就「激活」這個神經元，接通到下個神經元，否則就不激活。原理就這么簡單，做起來也很簡單。今天所有的神經網路的基本單元都是這個。輸入信號乘上的系數，我們也叫「權重」，就是網路的參數，玩神經網路就是調整權重，讓它做你想讓它做的事。 一個神經元只能識別一個東西，比如，當你訓練給感知器會「認」數字「8」，你給它看任何一個數字，它就會告訴你，這是「8」還不是「8」。為了讓機器識別更多更復雜的圖像，我們就需要用更多的神經元。人的大腦由 1000 億個神經元構成，人腦神經元組成了一個很復雜的三維立體結構。
㈡ 神經網路（Neural Network）
（1）結構：許多樹突（dendrite）用於輸入，一個軸突 （axon）用於輸出。
（2）特性：興奮性和傳導性。興奮性是指當信號量超過某個閾值時，細胞體就會被激活，產生電脈沖。傳導性是指電脈沖沿著軸突並通過突觸傳遞到其它神經元。
（3）有兩種狀態的機器：激活時為「是」，不激活時為「否」。神經細胞的狀態取決於從其他神經細胞接收到的信號量，以及突觸的性質（抑制或加強）。
（1）神經元——不重要
① 神經元是包含權重和偏置項的 函數 ：接收數據後，執行一些計算，然後使用激活函數將數據限制在一個范圍內（多數情況下）。
② 單個神經元：線性可分的情況下，本質是一條直線， ，這條直線將數據劃分為兩類。而線性分類器本身就是一個單層神經網路。
③ 神經網路：非線性可分的情況下，神經網路通過多個隱層的方法來實現非線性的函數。
（2）權重/參數/連接（Weight）——最重要
每一個連接上都有一個權重。一個神經網路的訓練演算法就是讓權重的值調整到最佳，以使得整個網路的預測效果最好。
（3）偏置項（Bias Units）——必須
① 如果沒有偏置項，所有的函數都會經過原點。
② 正則化偏置會導致欠擬合：若對偏置正則化，會導致激活變得更加簡單，偏差就會上升，學習的能力就會下降。
③ 偏置的大小度量了神經元產生激勵（激活）的難易程度。
（1）定義：也稱為轉換函數，是一種將輸入 (input) 轉成輸出 (output) 的函數。
（2）作用：一般直線擬合的精確度要比曲線差很多，引入激活函數能給神經網路 增加一些非線性 的特性。
（3）性質：
① 非線性：導數不是常數，否則就退化成直線。對於一些畫一條直線仍然無法分開的問題，非線性可以把直線變彎，就能包羅萬象；
② 可微性：當優化方法是基於梯度的時候，處處可導為後向傳播演算法提供了核心條件；
③ 輸出范圍：一般限定在[0,1]，使得神經元對一些比較大的輸入會比較穩定；
④ 非飽和性：飽和就是指，當輸入比較大的時候輸出幾乎沒變化，會導致梯度消失；
⑤ 單調性：導數符號不變，輸出不會上躥下跳，讓神經網路訓練容易收斂。
（1）線性函數 (linear function)—— purelin()
（2）符號函數 (sign function)—— hardlim()
① 如果z值高於閾值，則激活設置為1或yes，神經元將被激活。
② 如果z值低於閾值，則激活設置為0或no，神經元不會被激活。
（3）對率函數 (sigmoid function)—— logsig()
① 優點：光滑S型曲線連續可導，函數閾值有上限。
② 缺點：❶ 函數飽和使梯度消失，兩端梯度幾乎為0，更新困難，做不深；
❷ 輸出不是0中心，將影響梯度下降的運作，收斂異常慢；
❸ 冪運算相對來講比較耗時
（4）雙曲正切函數(hyperbolic tangent function)—— tansig()
① 優點：取值范圍0中心化，防止了梯度偏差
② 缺點：梯度消失現象依然存在，但相對於sigmoid函數問題較輕
（5）整流線性單元 ReLU 函數(rectified linear unit)
① 優點：❶ 分段線性函數，它的非線性性很弱，因此網路做得很深；
❷ 由於它的線性、非飽和性， 對於隨機梯度下降的收斂有巨大的加速作用；
② 缺點：❶ 當x<0，梯度都變成0，參數無法更新，也導致了數據多樣化的丟失；
❷ 輸出不是0中心
（6）滲漏型整流線性單元激活函數 Leaky ReLU 函數
① 優點：❶ 是為解決「ReLU死亡」問題的嘗試，在計算導數時允許較小的梯度；
❷ 非飽和的公式，不包含指數運算，計算速度快。
② 缺點：❶ 無法避免梯度爆炸問題； （沒有體現優於ReLU）
❷ 神經網路不學習 α 值。
（7）指數線性單元 ELU (Exponential Linear Units)
① 優點：❶ 能避免「死亡 ReLU」 問題；
❷ 能得到負值輸出，這能幫助網路向正確的方向推動權重和偏置變化；
❸ 在計算梯度時能得到激活，而不是讓它們等於 0。
② 缺點：❶ 由於包含指數運算，所以計算時間更長；
❷ 無法避免梯度爆炸問題； （沒有體現優於ReLU）
❸ 神經網路不學習 α 值。
（8）Maxout（對 ReLU 和 Leaky ReLU的一般化歸納）
① 優點：❶ 擁有ReLU的所有優點（線性和不飽和）
❷ 沒有ReLU的缺點（死亡的ReLU單元）
❸ 可以擬合任意凸函數
② 缺點 ：參數數量增加了一倍。難訓練，容易過擬合
（9）Swish
① 優點：❶ 在負半軸也有一定的不飽和區，參數的利用率更大
❷ 無上界有下界、平滑、非單調
❸ 在深層模型上的效果優於 ReLU
每個層都包含一定數量的單元（units）。增加層可增加神經網路輸出的非線性。
（1）輸入層：就是接收原始數據，然後往隱層送
（2）輸出層：神經網路的決策輸出
（3）隱藏層：神經網路的關鍵。把前一層的向量變成新的向量，讓數據變得線性可分。
（1）結構：僅包含輸入層和輸出層，直接相連。
（2）作用：僅能表示 線性可分 函數或決策，且一定可以在有限的迭代次數中收斂。
（3）局限：可以建立與門、或門、非門等，但無法建立更為復雜的異或門（XOR），即兩個輸入相同時輸出1，否則輸出0。 （「AI winter」）
（1）目的：擬合某個函數 （兩層神經網路可以逼近任意連續函數）
（2）結構：包含輸入層、隱藏層和輸出層 ，由於從輸入到輸出的過程中不存在與模型自身的反饋連接，因此被稱為「前饋」。 （層與層之間全連接）
（3）作用： 非線性 分類、聚類、預測等，通過訓練，可以學習到數據中隱含的知識。
（4）局限：計算復雜、計算速度慢、容易陷入局部最優解，通常要將它們與其他網路結合形成新的網路。
（5）前向傳播演算法（Forward Propagation）
① 方法：從左至右逐級依賴的演算法模型，即網路如何根據輸入X得到輸出Y，最終的輸出值和樣本值作比較， 計算出誤差 。
② 目的：完成了一次正反向傳播，就完成了一次神經網路的訓練迭代。通過輸出層的誤差，快速求解對每個ω、b的偏導，利用梯度下降法，使Loss越來越小。
② 局限：為使最終的誤差達到最小，要不斷修改參數值，但神經網路的每條連接線上都有不同權重參數，修改這些參數變得棘手。
（6）誤差反向傳播（Back Propagation）
① 原理：梯度下降法求局部極值
② 方法：從後往前，從輸出層開始計算 L 對當前層的微分，獲得各層的誤差信號，此誤差信號即作為修正單元權值的依據。計算結束以後，所要的兩個參數矩陣的 梯度 就都有了。
③ 局限：如果激活函數是飽和的，帶來的缺陷就是系統迭代更新變慢，系統收斂就慢，當然這是可以有辦法彌補的，一種方法是使用 交叉熵函數 作為損失函數。
（1）原理：隨著網路的層數增加，每一層對於前一層次的抽象表示更深入。在神經網路中，每一層神經元學習到的是前一層神經元值的更抽象的表示。通過抽取更抽象的特徵來對事物進行區分，從而獲得更好的區分與分類能力。
（2）方法：ReLU函數在訓練多層神經網路時，更容易收斂，並且預測性能更好。
（3）優點：① 易於構建，表達能力強，基本單元便可擴展為復雜的非線性函數
② 並行性號，有利於在分布是系統上應用
（4）局限：① 優化演算法只能獲得局部極值，性能與初始值相關
② 調參理論性缺乏
③ 不可解釋，與實際任務關聯性模糊
（1）原理：由手工設計卷積核變成自動學習卷積核
（2）卷積（Convolutional layer）： 輸入與卷積核相乘再累加 （內積、加權疊加）
① 公式：
② 目的：提取輸入的不同特徵，得到維度很大的 特徵圖（feature map）
③ 卷積核：需要訓練的參數。一般為奇數維，有中心像素點，便於定位卷積核
④ 特點：局部感知、參數變少、權重共享、分層提取
（3）池化（Pooling Layer）：用更高層的抽象表達來表示主要特徵，又稱「降采樣」
① 分類： 最大 （出現與否）、平均（保留整體）、隨機（避免過擬合）
② 目的：降維，不需要訓練參數，得到新的、維度較小的特徵
（4）步長（stride）：若假設輸入大小是n∗n，卷積核的大小是f∗f，步長是s，則最後的feature map的大小為o∗o，其中
（5）填充（zero-padding）
① Full模式：即從卷積核（fileter）和輸入剛相交開始做卷積，沒有元素的部分做補0操作。
② Valid模式：卷積核和輸入完全相交開始做卷積，這種模式不需要補0。
③ Same模式：當卷積核的中心C和輸入開始相交時做卷積。沒有元素的部分做補0操作。
（7）激活函數：加入非線性特徵
（8）全連接層（Fully-connected layer）
如果說卷積層、池化層和激活函數層等是將原始數據映射到隱層特徵空間（決定計算速度），全連接層則起到將學到的「分布式特徵表示」映射到樣本標記空間的作用（決定參數個數）。
參考：
[1] 神經網路（入門最詳細）_ruthy的博客-CSDN博客_神經網路演算法入門
[2] 神經網路（容易被忽視的基礎知識） - Evan的文章 - 知乎
[3] 人工神經網路——王的機器
[4] 如何簡單形象又有趣地講解神經網路是什麼？ - 舒小曼的回答 - 知乎
[5] 神經網路15分鍾入門！足夠通俗易懂了吧 - Mr.括弧的文章 - 知乎
[6] 神經網路——最易懂最清晰的一篇文章_illikang的博客-CSDN博客_神經網路
[7] 直覺化深度學習教程——什麼是前向傳播——CSDN
[8] 「反向傳播演算法」過程及公式推導（超直觀好懂的Backpropagation）_aift的專欄-CSDN
[9] 卷積、反卷積、池化、反池化——CSDN
[10] 浙大機器學習課程- bilibili.com