全连接神经网络模型复杂吗

❶ 一文看懂四种基本的神经网络架构

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刚刚入门神经网络，往往会对众多的神经网络架构感到困惑，神经网络看起来复杂多样，但是这么多架构无非也就是三类，前馈神经网络，循环网络，对称连接网络，本文将介绍四种常见的神经网络，分别是CNN，RNN，DBN，GAN。通过这四种基本的神经网络架构，我们来对神经网络进行一定的了解。

神经网络是机器学习中的一种模型，是一种模仿动物神经网络行为特征，进行分布式并行信息处理的算法数学模型。这种网络依靠系统的复杂程度，通过调整内部大量节点之间相互连接的关系，从而达到处理信息的目的。
一般来说，神经网络的架构可以分为三类：

前馈神经网络：
这是实际应用中最常见的神经网络类型。第一层是输入，最后一层是输出。如果有多个隐藏层，我们称之为“深度”神经网络。他们计算出一系列改变样本相似性的变换。各层神经元的活动是前一层活动的非线性函数。

循环网络：
循环网络在他们的连接图中定向了循环，这意味着你可以按照箭头回到你开始的地方。他们可以有复杂的动态，使其很难训练。他们更具有生物真实性。
循环网络的目的使用来处理序列数据。在传统的神经网络模型中，是从输入层到隐含层再到输出层，层与层之间是全连接的，每层之间的节点是无连接的。但是这种普通的神经网络对于很多问题却无能无力。例如，你要预测句子的下一个单词是什么，一般需要用到前面的单词，因为一个句子中前后单词并不是独立的。
循环神经网路，即一个序列当前的输出与前面的输出也有关。具体的表现形式为网络会对前面的信息进行记忆并应用于当前输出的计算中，即隐藏层之间的节点不再无连接而是有连接的，并且隐藏层的输入不仅包括输入层的输出还包括上一时刻隐藏层的输出。

对称连接网络：
对称连接网络有点像循环网络，但是单元之间的连接是对称的（它们在两个方向上权重相同）。比起循环网络，对称连接网络更容易分析。这个网络中有更多的限制，因为它们遵守能量函数定律。没有隐藏单元的对称连接网络被称为“Hopfield 网络”。有隐藏单元的对称连接的网络被称为玻尔兹曼机。

其实之前的帖子讲过一些关于感知机的内容，这里再复述一下。
首先还是这张图
这是一个M-P神经元

一个神经元有n个输入，每一个输入对应一个权值w，神经元内会对输入与权重做乘法后求和，求和的结果与偏置做差，最终将结果放入激活函数中，由激活函数给出最后的输出，输出往往是二进制的，0 状态代表抑制，1 状态代表激活。

可以把感知机看作是 n 维实例空间中的超平面决策面，对于超平面一侧的样本，感知器输出 1，对于另一侧的实例输出 0，这个决策超平面方程是 w⋅x=0。 那些可以被某一个超平面分割的正反样例集合称为线性可分(linearly separable)样例集合，它们就可以使用图中的感知机表示。
与、或、非问题都是线性可分的问题，使用一个有两输入的感知机能容易地表示，而异或并不是一个线性可分的问题，所以使用单层感知机是不行的，这时候就要使用多层感知机来解决疑惑问题了。

如果我们要训练一个感知机，应该怎么办呢？
我们会从随机的权值开始，反复地应用这个感知机到每个训练样例，只要它误分类样例就修改感知机的权值。重复这个过程，直到感知机正确分类所有的样例。每一步根据感知机训练法则来修改权值，也就是修改与输入 xi 对应的权 wi，法则如下：

这里 t 是当前训练样例的目标输出，o 是感知机的输出，η 是一个正的常数称为学习速率。学习速率的作用是缓和每一步调整权的程度，它通常被设为一个小的数值（例如 0.1），而且有时会使其随着权调整次数的增加而衰减。

多层感知机，或者说是多层神经网络无非就是在输入层与输出层之间加了多个隐藏层而已，后续的CNN，DBN等神经网络只不过是将重新设计了每一层的类型。感知机可以说是神经网络的基础，后续更为复杂的神经网络都离不开最简单的感知机的模型，

谈到机器学习，我们往往还会跟上一个词语，叫做模式识别，但是真实环境中的模式识别往往会出现各种问题。比如：
图像分割：真实场景中总是掺杂着其它物体。很难判断哪些部分属于同一个对象。对象的某些部分可以隐藏在其他对象的后面。
物体光照：像素的强度被光照强烈影响。
图像变形：物体可以以各种非仿射方式变形。例如，手写也可以有一个大的圆圈或只是一个尖头。
情景支持：物体所属类别通常由它们的使用方式来定义。例如，椅子是为了让人们坐在上面而设计的，因此它们具有各种各样的物理形状。
卷积神经网络与普通神经网络的区别在于，卷积神经网络包含了一个由卷积层和子采样层构成的特征抽取器。在卷积神经网络的卷积层中，一个神经元只与部分邻层神经元连接。在CNN的一个卷积层中，通常包含若干个特征平面(featureMap)，每个特征平面由一些矩形排列的的神经元组成，同一特征平面的神经元共享权值，这里共享的权值就是卷积核。卷积核一般以随机小数矩阵的形式初始化，在网络的训练过程中卷积核将学习得到合理的权值。共享权值（卷积核）带来的直接好处是减少网络各层之间的连接，同时又降低了过拟合的风险。子采样也叫做池化（pooling），通常有均值子采样（mean pooling）和最大值子采样（max pooling）两种形式。子采样可以看作一种特殊的卷积过程。卷积和子采样大大简化了模型复杂度，减少了模型的参数。
卷积神经网络由三部分构成。第一部分是输入层。第二部分由n个卷积层和池化层的组合组成。第三部分由一个全连结的多层感知机分类器构成。
这里举AlexNet为例：

·输入：224×224大小的图片，3通道
·第一层卷积：11×11大小的卷积核96个，每个GPU上48个。
·第一层max-pooling：2×2的核。
·第二层卷积：5×5卷积核256个，每个GPU上128个。
·第二层max-pooling：2×2的核。
·第三层卷积：与上一层是全连接，3*3的卷积核384个。分到两个GPU上个192个。
·第四层卷积：3×3的卷积核384个，两个GPU各192个。该层与上一层连接没有经过pooling层。
·第五层卷积：3×3的卷积核256个，两个GPU上个128个。
·第五层max-pooling：2×2的核。
·第一层全连接：4096维，将第五层max-pooling的输出连接成为一个一维向量，作为该层的输入。
·第二层全连接：4096维
·Softmax层：输出为1000，输出的每一维都是图片属于该类别的概率。

卷积神经网络在模式识别领域有着重要应用，当然这里只是对卷积神经网络做了最简单的讲解，卷积神经网络中仍然有很多知识，比如局部感受野，权值共享，多卷积核等内容，后续有机会再进行讲解。

传统的神经网络对于很多问题难以处理，比如你要预测句子的下一个单词是什么，一般需要用到前面的单词，因为一个句子中前后单词并不是独立的。RNN之所以称为循环神经网路，即一个序列当前的输出与前面的输出也有关。具体的表现形式为网络会对前面的信息进行记忆并应用于当前输出的计算中，即隐藏层之间的节点不再无连接而是有连接的，并且隐藏层的输入不仅包括输入层的输出还包括上一时刻隐藏层的输出。理论上，RNN能够对任何长度的序列数据进行处理。
这是一个简单的RNN的结构，可以看到隐藏层自己是可以跟自己进行连接的。

那么RNN为什么隐藏层能够看到上一刻的隐藏层的输出呢，其实我们把这个网络展开来开就很清晰了。

从上面的公式我们可以看出，循环层和全连接层的区别就是循环层多了一个权重矩阵 W。
如果反复把式2带入到式1，我们将得到：

在讲DBN之前，我们需要对DBN的基本组成单位有一定的了解，那就是RBM，受限玻尔兹曼机。
首先什么是玻尔兹曼机？
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如图所示为一个玻尔兹曼机，其蓝色节点为隐层，白色节点为输入层。
玻尔兹曼机和递归神经网络相比，区别体现在以下几点：
1、递归神经网络本质是学习一个函数，因此有输入和输出层的概念，而玻尔兹曼机的用处在于学习一组数据的“内在表示”，因此其没有输出层的概念。
2、递归神经网络各节点链接为有向环，而玻尔兹曼机各节点连接成无向完全图。

而受限玻尔兹曼机是什么呢？
最简单的来说就是加入了限制，这个限制就是将完全图变成了二分图。即由一个显层和一个隐层构成，显层与隐层的神经元之间为双向全连接。

h表示隐藏层，v表示显层
在RBM中，任意两个相连的神经元之间有一个权值w表示其连接强度，每个神经元自身有一个偏置系数b（对显层神经元）和c（对隐层神经元）来表示其自身权重。
具体的公式推导在这里就不展示了

DBN是一个概率生成模型，与传统的判别模型的神经网络相对，生成模型是建立一个观察数据和标签之间的联合分布，对P(Observation|Label)和 P(Label|Observation)都做了评估，而判别模型仅仅而已评估了后者，也就是P(Label|Observation)。
DBN由多个限制玻尔兹曼机（Restricted Boltzmann Machines）层组成，一个典型的神经网络类型如图所示。这些网络被“限制”为一个可视层和一个隐层，层间存在连接，但层内的单元间不存在连接。隐层单元被训练去捕捉在可视层表现出来的高阶数据的相关性。

生成对抗网络其实在之前的帖子中做过讲解，这里在说明一下。
生成对抗网络的目标在于生成，我们传统的网络结构往往都是判别模型，即判断一个样本的真实性。而生成模型能够根据所提供的样本生成类似的新样本，注意这些样本是由计算机学习而来的。
GAN一般由两个网络组成，生成模型网络，判别模型网络。
生成模型 G 捕捉样本数据的分布，用服从某一分布（均匀分布，高斯分布等）的噪声 z 生成一个类似真实训练数据的样本，追求效果是越像真实样本越好；判别模型 D 是一个二分类器，估计一个样本来自于训练数据（而非生成数据）的概率，如果样本来自于真实的训练数据，D 输出大概率，否则，D 输出小概率。
举个例子：生成网络 G 好比假币制造团伙，专门制造假币，判别网络 D 好比警察，专门检测使用的货币是真币还是假币，G 的目标是想方设法生成和真币一样的货币，使得 D 判别不出来，D 的目标是想方设法检测出来 G 生成的假币。
传统的判别网络：

生成对抗网络：

下面展示一个cDCGAN的例子（前面帖子中写过的）
生成网络

判别网络

最终结果，使用MNIST作为初始样本，通过学习后生成的数字，可以看到学习的效果还是不错的。

本文非常简单的介绍了四种神经网络的架构，CNN，RNN，DBN，GAN。当然也仅仅是简单的介绍，并没有深层次讲解其内涵。这四种神经网络的架构十分常见，应用也十分广泛。当然关于神经网络的知识，不可能几篇帖子就讲解完，这里知识讲解一些基础知识，帮助大家快速入（zhuang）门（bi）。后面的帖子将对深度自动编码器，Hopfield 网络长短期记忆网络（LSTM）进行讲解。

❷ 神经网络浅谈

人工智能技术是当前炙手可热的话题，而基于神经网络的深度学习技术更是热点中的热点。去年谷歌的Alpha Go 以4:1大比分的优势战胜韩国的李世石九段，展现了深度学习的强大威力，后续强化版的Alpha Master和无师自通的Alpha Zero更是在表现上完全碾压前者。不论你怎么看，以深度学习为代表的人工智能技术正在塑造未来。

下图为英伟达（NVIDIA）公司近年来的股价情况， 该公司的主要产品是“图形处理器”（GPU），而GPU被证明能大大加快神经网络的训练速度，是深度学习必不可少的计算组件。英伟达公司近年来股价的飞涨足以证明当前深度学习的井喷之势。

好，话不多说，下面简要介绍神经网络的基本原理、发展脉络和优势。

神经网络是一种人类由于受到生物神经细胞结构启发而研究出的一种算法体系，是机器学习算法大类中的一种。首先让我们来看人脑神经元细胞：

一个神经元通常具有多个树突 ，主要用来接受传入信息，而轴突只有一条，轴突尾端有许多轴突末梢，可以给其他多个神经元传递信息。轴突末梢跟其他神经元的树突产生连接，从而传递信号。

下图是一个经典的神经网络（Artificial Neural Network,ANN）：

乍一看跟传统互联网的拓扑图有点类似，这也是称其为网络的原因，不同的是节点之间通过有向线段连接，并且节点被分成三层。我们称图中的圆圈为神经元，左边三个神经元组成的一列为输入层，中间神经元列为隐藏层,右边神经元列为输出层，神经元之间的箭头为权重。

神经元是计算单元，相当于神经元细胞的细胞核，利用输入的数据进行计算，然后输出，一般由一个线性计算部分和一个非线性计算部分组成；输入层和输出层实现数据的输入输出，相当于细胞的树突和轴突末梢；隐藏层指既不是输入也不是输出的神经元层，一个神经网络可以有很多个隐藏层。

神经网络的关键不是圆圈代表的神经元，而是每条连接线对应的权重。每条连接线对应一个权重，也就是一个参数。权重具体的值需要通过神经网络的训练才能获得。我们实际生活中的学习体现在大脑中就是一系列神经网络回路的建立与强化，多次重复的学习能让回路变得更加粗壮，使得信号的传递速度加快，最后对外表现为“深刻”的记忆。人工神经网络的训练也借鉴于此，如果某种映射关系出现很多次，那么在训练过程中就相应调高其权重。

1943年，心理学家McCulloch和数学家Pitts参考了生物神经元的结构，发表了抽象的神经元模型MP：

符号化后的模型如下：

Sum函数计算各权重与输入乘积的线性组合，是神经元中的线性计算部分，而sgn是取符号函数，当输入大于0时，输出1，反之输出0，是神经元中的非线性部分。向量化后的公式为z=sgn(w^T a)（w^T=(w_1,w_2,w_3)，a=〖(a_1,a_2,a_3)〗^T）。

但是，MP模型中，权重的值都是预先设置的，因此不能学习。该模型虽然简单，并且作用有限，但已经建立了神经网络大厦的地基

1958年，计算科学家Rosenblatt提出了由两层神经元组成(一个输入层，一个输出层)的神经网络。他给它起了一个名字–“感知器”（Perceptron）

感知器是当时首个可以学习的人工神经网络。Rosenblatt现场演示了其学习识别简单图像的过程，在当时引起了轰动，掀起了第一波神经网络的研究热潮。

但感知器只能做简单的线性分类任务。1969年，人工智能领域的巨擘Minsky指出这点，并同时指出感知器对XOR（异或，即两个输入相同时输出0，不同时输出1）这样的简单逻辑都无法解决。所以，明斯基认为神经网络是没有价值的。

随后，神经网络的研究进入低谷，又称 AI Winter 。

Minsky说过单层神经网络无法解决异或问题，但是当增加一个计算层以后，两层神经网络不仅可以解决异或问题，而且具有非常好的非线性分类效果。

下图为两层神经网络（输入层一般不算在内）：

上图中，输出层的输入是上一层的输出。

向量化后的公式为：

注意：

每个神经元节点默认都有偏置变量b，加上偏置变量后的计算公式为：

同时，两层神经网络不再使用sgn函数作为激励函数，而采用平滑的sigmoid函数：

σ(z)=1/(1+e^(-z) )

其图像如下：

理论证明： 两层及以上的神经网络可以无限逼近真实的对应函数，从而模拟数据之间的真实关系 ，这是神经网络强大预测能力的根本。但两层神经网络的计算量太大，当时的计算机的计算能力完全跟不上，直到1986年，Rumelhar和Hinton等人提出了反向传播（Backpropagation，BP）算法，解决了两层神经网络所需要的复杂计算量问题，带动了业界使用两层神经网络研究的热潮。

但好景不长，算法的改进仅使得神经网络风光了几年，然而计算能力不够，局部最优解，调参等一系列问题一直困扰研究人员。90年代中期，由Vapnik等人发明的SVM（Support Vector Machines，支持向量机）算法诞生，很快就在若干个方面体现出了对比神经网络的优势：无需调参；高效；全局最优解。

由于以上原因，SVM迅速打败了神经网络算法成为主流。神经网络的研究再一次进入低谷， AI Winter again 。

多层神经网络一般指两层或两层以上的神经网络（不包括输入层），更多情况下指两层以上的神经网络。

2006年，Hinton提出使用 预训练 ”（pre-training）和“微调”(fine-tuning)技术能优化神经网络训练，大幅度减少训练多层神经网络的时间

并且，他给多层神经网络相关的学习方法赋予了一个新名词–“ 深度学习 ”，以此为起点，“深度学习”纪元开始了：）

“深度学习”一方面指神经网络的比较“深”，也就是层数较多；另一方面也可以指神经网络能学到很多深层次的东西。研究发现，在权重参数不变的情况下，增加神经网络的层数，能增强神经网络的表达能力。

但深度学习究竟有多强大呢？没人知道。2012年，Hinton与他的学生在ImageNet竞赛中，用多层的卷积神经网络成功地对包含一千类别的一百万张图片进行了训练，取得了分类错误率15%的好成绩，这个成绩比第二名高了近11个百分点，充分证明了多层神经网络识别效果的优越性。

同时，科研人员发现GPU的大规模并行矩阵运算模式完美地契合神经网络训练的需要，在同等情况下，GPU的速度要比CPU快50-200倍，这使得神经网络的训练时间大大减少，最终再一次掀起了神经网络研究的热潮，并且一直持续到现在。

2016年基于深度学习的Alpha Go在围棋比赛中以4:1的大比分优势战胜了李世石，深度学习的威力再一次震惊了世界。

神经网络的发展历史曲折荡漾，既有被捧上神坛的高潮，也有无人问津的低谷，中间经历了数次大起大落，我们姑且称之为“三起三落”吧，其背后则是算法的改进和计算能力的持续发展。

下图展示了神经网络自发明以来的发展情况及一些重大时间节点。

当然，对于神经网络我们也要保持清醒的头脑。由上图，每次神经网络研究的兴盛期持续10年左右，从最近2012年算起，或许10年后的2022年，神经网络的发展将再次遇到瓶颈。

神经网络作为机器学习的一种，其模型训练的目的，就是使得参数尽可能的与真实的模型逼近。理论证明，两层及以上的神经网络可以无限逼近真实的映射函数。因此，给定足够的训练数据和训练时间，总能通过神经网络找到无限逼近真实关系的模型。

具体做法：首先给所有权重参数赋上随机值，然后使用这些随机生成的参数值，来预测训练数据中的样本。假设样本的预测目标为yp ，真实目标为y，定义值loss，计算公式如下：

loss = (yp -y) ^2

这个值称之为 损失 （loss），我们的目标就是使对所有训练数据的损失和尽可能的小，这就转化为求loss函数极值的问题。

一个常用方法是高等数学中的求导，但由于参数不止一个，求导后计算导数等于0的运算量很大，所以常用梯度下降算法来解决这样的优化问题。梯度是一个向量，由函数的各自变量的偏导数组成。

比如对二元函数 f =(x,y)，则梯度∇f=(∂f/∂x,∂f/∂y)。梯度的方向是函数值上升最快的方向。梯度下降算法每次计算参数在当前的梯度，然后让参数向着梯度的反方向前进一段距离，不断重复，直到梯度接近零时截止。一般这个时候，所有的参数恰好达到使损失函数达到一个最低值的状态。下图为梯度下降的大致运行过程：

在神经网络模型中，由于结构复杂，每次计算梯度的代价很大。因此还需要使用 反向传播 （Back Propagation）算法。反向传播算法利用了神经网络的结构进行计算，不一次计算所有参数的梯度，而是从后往前。首先计算输出层的梯度，然后是第二个参数矩阵的梯度，接着是中间层的梯度，再然后是第一个参数矩阵的梯度，最后是输入层的梯度。计算结束以后，所要的两个参数矩阵的梯度就都有了。当然，梯度下降只是其中一个优化算法，其他的还有牛顿法、RMSprop等。

确定loss函数的最小值后，我们就确定了整个神经网络的权重，完成神经网络的训练。

在神经网络中一样的参数数量，可以用更深的层次去表达。

由上图，不算上偏置参数的话，共有三层神经元，33个权重参数。

由下图，保持权重参数不变，但增加了两层神经元。

在多层神经网络中，每一层的输入是前一层的输出，相当于在前一层的基础上学习，更深层次的神经网络意味着更深入的表示特征，以及更强的函数模拟能力。更深入的表示特征可以这样理解，随着网络的层数增加，每一层对于前一层次的抽象表示更深入。

如上图，第一个隐藏层学习到“边缘”的特征，第二个隐藏层学习到“边缘”组成的“形状”的特征，第三个隐藏层学习到由“形状”组成的“图案”的特征，最后的隐藏层学习到由“图案”组成的“目标”的特征。通过抽取更抽象的特征来对事物进行区分，从而获得更好的区分与分类能力。

前面提到， 明斯基认为Rosenblatt提出的感知器模型不能处理最简单的“异或”（XOR）非线性问题，所以神经网络的研究没有前途，但当增加一层神经元后，异或问题得到了很好地解决，原因何在？原来从输入层到隐藏层，数据发生了空间变换，坐标系发生了改变，因为矩阵运算本质上就是一种空间变换。

如下图，红色和蓝色的分界线是最终的分类结果，可以看到，该分界线是一条非常平滑的曲线。

但是，改变坐标系后，分界线却表现为直线，如下图：

同时，非线性激励函数的引入使得神经网络对非线性问题的表达能力大大加强。

对于传统的朴素贝叶斯、决策树、支持向量机SVM等分类器，提取特征是一个非常重要的前置工作。在正式训练之前，需要花费大量的时间在数据的清洗上，这样分类器才能清楚地知道数据的维度，要不然基于概率和空间距离的线性分类器是没办法进行工作的。然而在神经网络中，由于巨量的线性分类器的堆叠（并行和串行）以及卷积神经网络的使用，它对噪声的忍耐能力、对多通道数据上投射出来的不同特征偏向的敏感程度会自动重视或忽略，这样我们在处理的时候，就不需要使用太多的技巧用于数据的清洗了。有趣的是，业内大佬常感叹，“你可能知道SVM等机器学习的所有细节，但是效果并不好，而神经网络更像是一个黑盒，很难知道它究竟在做什么，但工作效果却很好”。

人类对机器学习的环节干预越少，就意味着距离人工智能的方向越近。神经网络的这个特性非常有吸引力。

1) 谷歌的TensorFlow开发了一个非常有意思的神经网络 入门教程 ，用户可以非常方便地在网页上更改神经网络的参数，并且能看到实时的学习效率和结果，非常适合初学者掌握神经网络的基本概念及神经网络的原理。网页截图如下：

2) 深度学习领域大佬吴恩达不久前发布的《 神经网络和深度学习 》MOOC，现在可以在网易云课堂上免费观看了，并且还有中文字幕。

3) 《神经网络于深度学习》（Michael Nielsen着）、《白话深度学习与TensorFlow》也是不错的入门书籍。

❸ 卷积神经网络的 卷积层、激活层、池化层、全连接层

数据输入的是一张图片（输入层），CONV表示卷积层，RELU表示激励层，POOL表示池化层，Fc表示全连接层

全连接神经网络需要非常多的计算资源才能支撑它来做反向传播和前向传播，所以说全连接神经网络可以存储非常多的参数，如果你给它的样本如果没有达到它的量级的时候，它可以轻轻松松把你给他的样本全部都记下来，这会出现过拟合的情况。

所以我们应该把神经元和神经元之间的连接的权重个数降下来，但是降下来我们又不能保证它有较强的学习能力，所以这是一个纠结的地方，所以有一个方法就是 局部连接+权值共享 ，局部连接+权值共享不仅权重参数降下来了，而且学习能力并没有实质的降低，除此之外还有其它的好处，下来看一下，下面的这几张图片：

一个图像的不同表示方式

这几张图片描述的都是一个东西，但是有的大有的小，有的靠左边，有的靠右边，有的位置不同，但是我们构建的网络识别这些东西的时候应该是同一结果。为了能够达到这个目的，我们可以让图片的不同位置具有相同的权重（权值共享），也就是上面所有的图片，我们只需要在训练集中放一张，我们的神经网络就可以识别出上面所有的，这也是 权值共享 的好处。

而卷积神经网络就是局部连接+权值共享的神经网络。

现在我们对卷积神经网络有一个初步认识了，下面具体来讲解一下卷积神经网络，卷积神经网络依旧是层级结构，但层的功能和形式做了改变，卷积神经网络常用来处理图片数据，比如识别一辆汽车：

在图片输出到神经网络之前，常常先进行图像处理，有 三种 常见的图像的处理方式：

均值化和归一化

去相关和白化

图片有一个性质叫做局部关联性质，一个图片的像素点影响最大的是它周边的像素点，而距离这个像素点比较远的像素点二者之间关系不大。这个性质意味着每一个神经元我们不用处理全局的图片了（和上一层全连接），我们的每一个神经元只需要和上一层局部连接，相当于每一个神经元扫描一小区域，然后许多神经元（这些神经元权值共享）合起来就相当于扫描了全局，这样就构成一个特征图，n个特征图就提取了这个图片的n维特征，每个特征图是由很多神经元来完成的。

在卷积神经网络中，我们先选择一个局部区域（filter），用这个局部区域（filter）去扫描整张图片。 局部区域所圈起来的所有节点会被连接到下一层的 一个节点上 。我们拿灰度图（只有一维）来举例：

局部区域

图片是矩阵式的，将这些以矩阵排列的节点展成了向量。就能更好的看出来卷积层和输入层之间的连接，并不是全连接的，我们将上图中的红色方框称为filter，它是2*2的，这是它的尺寸，这不是固定的，我们可以指定它的尺寸。

我们可以看出来当前filter是2*2的小窗口，这个小窗口会将图片矩阵从左上角滑到右下角，每滑一次就会一下子圈起来四个，连接到下一层的一个神经元，然后产生四个权重，这四个权重(w1、w2、w3、w4)构成的矩阵就叫做卷积核。

卷积核是算法自己学习得到的，它会和上一层计算，比如，第二层的0节点的数值就是局部区域的线性组合（w1 0+w2 1+w3 4+w4 5），即被圈中节点的数值乘以对应的权重后相加。

卷积核计算

卷积操作

我们前面说过图片不用向量表示是为了保留图片平面结构的信息。 同样的，卷积后的输出若用上图的向量排列方式则丢失了平面结构信息。 所以我们依然用矩阵的方式排列它们，就得到了下图所展示的连接，每一个蓝色结点连接四个黄色的结点。

卷积层的连接方式

图片是一个矩阵然后卷积神经网络的下一层也是一个矩阵，我们用一个卷积核从图片矩阵左上角到右下角滑动，每滑动一次，当然被圈起来的神经元们就会连接下一层的一个神经元，形成参数矩阵这个就是卷积核，每次滑动虽然圈起来的神经元不同，连接下一层的神经元也不同，但是产生的参数矩阵确是一样的，这就是 权值共享 。

卷积核会和扫描的图片的那个局部矩阵作用产生一个值，比如第一次的时候，（w1 0+w2 1+w3 4+w4 5），所以，filter从左上到右下的这个过程中会得到一个矩阵（这就是下一层也是一个矩阵的原因），具体过程如下所示：

卷积计算过程

上图中左边是图矩阵，我们使用的filter的大小是3 3的，第一次滑动的时候，卷积核和图片矩阵作用（1 1+1 0+1 1+0 0+1 1+1 0+0 1+0 0+1 1）=4，会产生一个值，这个值就是右边矩阵的第一个值，filter滑动9次之后，会产生9个值，也就是说下一层有9个神经元，这9个神经元产生的值就构成了一个矩阵，这矩阵叫做特征图，表示image的某一维度的特征，当然具体哪一维度可能并不知道，可能是这个图像的颜色，也有可能是这个图像的轮廓等等。

单通道图片总结 ：以上就是单通道的图片的卷积处理，图片是一个矩阵，我们用指定大小的卷积核从左上角到右下角来滑动，每次滑动所圈起来的结点会和下一层的一个结点相连，连接之后就会形成局部连接，每一条连接都会产生权重，这些权重就是卷积核，所以每次滑动都会产生一个卷积核，因为权值共享，所以这些卷积核都是一样的。卷积核会不断和当时卷积核所圈起来的局部矩阵作用，每次产生的值就是下一层结点的值了，这样多次产生的值组合起来就是一个特征图，表示某一维度的特征。也就是从左上滑动到右下这一过程中会形成一个特征图矩阵（共享一个卷积核），再从左上滑动到右下又会形成另一个特征图矩阵（共享另一个卷积核），这些特征图都是表示特征的某一维度。

三个通道的图片如何进行卷积操作？

至此我们应该已经知道了单通道的灰度图是如何处理的，实际上我们的图片都是RGB的图像，有三个通道，那么此时图像是如何卷积的呢？

彩色图像

filter窗口滑的时候，我们只是从width和height的角度来滑动的，并没有考虑depth，所以每滑动一次实际上是产生一个卷积核，共享这一个卷积核，而现在depth=3了，所以每滑动一次实际上产生了具有三个通道的卷积核（它们分别作用于输入图片的蓝色、绿色、红色通道），卷积核的一个通道核蓝色的矩阵作用产生一个值，另一个和绿色的矩阵作用产生一个值，最后一个和红色的矩阵作用产生一个值，然后这些值加起来就是下一层结点的值，结果也是一个矩阵，也就是一张特征图。

三通道的计算过程

要想有多张特征图的话，我们可以再用新的卷积核来进行左上到右下的滑动，这样就会形成 新的特征图 。

三通道图片的卷积过程

也就是说增加一个卷积核，就会产生一个特征图，总的来说就是输入图片有多少通道，我们的卷积核就需要对应多少通道，而本层中卷积核有多少个，就会产生多少个特征图。这样卷积后输出可以作为新的输入送入另一个卷积层中处理，有几个特征图那么depth就是几，那么下一层的每一个特征图就得用相应的通道的卷积核来对应处理，这个逻辑要清楚，我们需要先了解一下 基本的概念：

卷积计算的公式

4x4的图片在边缘Zero padding一圈后，再用3x3的filter卷积后，得到的Feature Map尺寸依然是4x4不变。

填充

当然也可以使用5x5的filte和2的zero padding可以保持图片的原始尺寸，3x3的filter考虑到了像素与其距离为1以内的所有其他像素的关系，而5x5则是考虑像素与其距离为2以内的所有其他像素的关系。

规律： Feature Map的尺寸等于

(input_size + 2 * padding_size − filter_size)/stride+1

我们可以把卷积层的作用 总结一点： 卷积层其实就是在提取特征，卷积层中最重要的是卷积核（训练出来的），不同的卷积核可以探测特定的形状、颜色、对比度等，然后特征图保持了抓取后的空间结构，所以不同卷积核对应的特征图表示某一维度的特征，具体什么特征可能我们并不知道。特征图作为输入再被卷积的话，可以则可以由此探测到"更大"的形状概念，也就是说随着卷积神经网络层数的增加，特征提取的越来越具体化。

激励层的作用可以理解为把卷积层的结果做 非线性映射 。

激励层

上图中的f表示激励函数，常用的激励函数几下几种：

常用的激励函数

我们先来看一下激励函数Sigmoid导数最小为0，最大为1/4，

激励函数Sigmoid

Tanh激活函数：和sigmoid相似，它会关于x轴上下对应，不至于朝某一方面偏向

Tanh激活函数

ReLU激活函数（修正线性单元)：收敛快，求梯度快，但较脆弱，左边的梯度为0

ReLU激活函数

Leaky ReLU激活函数：不会饱和或者挂掉，计算也很快，但是计算量比较大

Leaky ReLU激活函数

一些激励函数的使用技巧 ：一般不要用sigmoid，首先试RELU，因为快，但要小心点，如果RELU失效，请用Leaky ReLU，某些情况下tanh倒是有不错的结果。

这就是卷积神经网络的激励层，它就是将卷积层的线性计算的结果进行了非线性映射。可以从下面的图中理解。它展示的是将非线性操作应用到一个特征图中。这里的输出特征图也可以看作是"修正"过的特征图。如下所示：

非线性操作

池化层：降低了各个特征图的维度，但可以保持大分重要的信息。池化层夹在连续的卷积层中间，压缩数据和参数的量，减小过拟合，池化层并没有参数，它只不过是把上层给它的结果做了一个下采样（数据压缩）。下采样有 两种 常用的方式：

Max pooling ：选取最大的，我们定义一个空间邻域（比如，2x2 的窗口），并从窗口内的修正特征图中取出最大的元素，最大池化被证明效果更好一些。

Average pooling ：平均的，我们定义一个空间邻域（比如，2x2 的窗口），并从窗口内的修正特征图算出平均值

Max pooling

我们要注意一点的是：pooling在不同的depth上是分开执行的，也就是depth=5的话，pooling进行5次，产生5个池化后的矩阵，池化不需要参数控制。池化操作是分开应用到各个特征图的，我们可以从五个输入图中得到五个输出图。

池化操作

无论是max pool还是average pool都有分信息被舍弃，那么部分信息被舍弃后会损坏识别结果吗？

因为卷积后的Feature Map中有对于识别物体不必要的冗余信息，我们下采样就是为了去掉这些冗余信息，所以并不会损坏识别结果。

我们来看一下卷积之后的冗余信息是怎么产生的？

我们知道卷积核就是为了找到特定维度的信息，比如说某个形状，但是图像中并不会任何地方都出现这个形状，但卷积核在卷积过程中没有出现特定形状的图片位置卷积也会产生一个值，但是这个值的意义就不是很大了，所以我们使用池化层的作用，将这个值去掉的话，自然也不会损害识别结果了。

比如下图中，假如卷积核探测"横折"这个形状。 卷积后得到3x3的Feature Map中，真正有用的就是数字为3的那个节点，其余数值对于这个任务而言都是无关的。 所以用3x3的Max pooling后，并没有对"横折"的探测产生影响。 试想在这里例子中如果不使用Max pooling，而让网络自己去学习。 网络也会去学习与Max pooling近似效果的权重。因为是近似效果，增加了更多的参数的代价，却还不如直接进行最大池化处理。

最大池化处理

在全连接层中所有神经元都有权重连接，通常全连接层在卷积神经网络尾部。当前面卷积层抓取到足以用来识别图片的特征后，接下来的就是如何进行分类。 通常卷积网络的最后会将末端得到的长方体平摊成一个长长的向量，并送入全连接层配合输出层进行分类。比如，在下面图中我们进行的图像分类为四分类问题，所以卷积神经网络的输出层就会有四个神经元。

四分类问题

我们从卷积神经网络的输入层、卷积层、激活层、池化层以及全连接层来讲解卷积神经网络，我们可以认为全连接层之间的在做特征提取，而全连接层在做分类，这就是卷积神经网络的核心。

❹ 什么是全连接神经网络怎么理解“全连接”

1、全连接神经网络解析：对n-1层和n层而言，n-1层的任意一个节点，都和第n层所有节点有连接。即第n层的每个节点在进行计算的时候，激活函数的输入是n-1层所有节点的加权。

2、全连接的神经网络示意图：

3、“全连接”是一种不错的模式，但是网络很大的时候，训练速度回很慢。部分连接就是认为的切断某两个节点直接的连接，这样训练时计算量大大减小。

❺ 为什么说Transformer的注意力机制是相对廉价的注意力机制相对更对于RNN系列及CNN系列算法有何优势

QA形式对自然语言处理中注意力机制（Attention）进行总结，并对Transformer进行深入解析。

二、Transformer（Attention Is All You Need）详解
1、Transformer的整体架构是怎样的？由哪些部分组成？
2、Transformer Encoder 与 Transformer Decoder 有哪些不同？
3、Encoder-Decoder attention 与self-attention mechanism有哪些不同？
4、multi-head self-attention mechanism具体的计算过程是怎样的？
5、Transformer在GPT和Bert等词向量预训练模型中具体是怎么应用的？有什么变化？

一、Attention机制剖析

1、为什么要引入Attention机制？

根据通用近似定理，前馈网络和循环网络都有很强的能力。但为什么还要引入注意力机制呢？

• 计算能力的限制：当要记住很多“信息“，模型就要变得更复杂，然而目前计算能力依然是限制神经网络发展的瓶颈。

• 优化算法的限制：虽然局部连接、权重共享以及pooling等优化操作可以让神经网络变得简单一些，有效缓解模型复杂度和表达能力之间的矛盾；但是，如循环神经网络中的长距离以来问题，信息“记忆”能力并不高。

可以借助人脑处理信息过载的方式，例如Attention机制可以提高神经网络处理信息的能力。

2、Attention机制有哪些？（怎么分类？）

当用神经网络来处理大量的输入信息时，也可以借鉴人脑的注意力机制，只 选择一些关键的信息输入进行处理，来提高神经网络的效率。按照认知神经学中的注意力，可以总体上分为两类：

• 聚焦式（focus）注意力：自上而下的有意识的注意力，主动注意——是指有预定目的、依赖任务的、主动有意识地聚焦于某一对象的注意力；

• 显着性（saliency-based）注意力：自下而上的有意识的注意力，被动注意——基于显着性的注意力是由外界刺激驱动的注意，不需要主动干预，也和任务无关；可以将max-pooling和门控（gating）机制来近似地看作是自下而上的基于显着性的注意力机制。

在人工神经网络中，注意力机制一般就特指聚焦式注意力。

3、Attention机制的计算流程是怎样的？



• Attention机制的实质：寻址（addressing）

Attention机制的实质其实就是一个寻址（addressing）的过程，如上图所示：给定一个和任务相关的查询Query向量q，通过计算与Key的注意力分布并附加在Value上，从而计算Attention Value，这个过程实际上是Attention机制缓解神经网络模型复杂度的体现：不需要将所有的N个输入信息都输入到神经网络进行计算，只需要从X中选择一些和任务相关的信息输入给神经网络。

• 注意力机制可以分为三步：一是信息输入；二是计算注意力分布α；三是根据注意力分布α 来计算输入信息的加权平均。

step1-信息输入：用X= [x1, · · · , xN ]表示N 个输入信息；

step2-注意力分布计算：令Key=Value=X，则可以给出注意力分布

我们将称之为注意力分布（概率分布），为注意力打分机制，有几种打分机制：




step3-信息加权平均：注意力分布可以解释为在上下文查询q时，第i个信息受关注的程度，采用一种“软性”的信息选择机制对输入信息X进行编码为：

这种编码方式为软性注意力机制（soft Attention），软性注意力机制有两种：普通模式（Key=Value=X）和键值对模式（Key！=Value）。



• 软性注意力机制（soft Attention）

4、Attention机制的变种有哪些？

与普通的Attention机制（上图左）相比，Attention机制有哪些变种呢？

• 变种1-硬性注意力：之前提到的注意力是软性注意力，其选择的信息是所有输入信息在注意力 分布下的期望。还有一种注意力是只关注到某一个位置上的信息，叫做硬性注意力（hard attention）。硬性注意力有两种实现方式：（1）一种是选取最高概率的输入信息；（2）另一种硬性注意力可以通过在注意力分布式上随机采样的方式实现。硬性注意力模型的缺点：

• 硬性注意力的一个缺点是基于最大采样或随机采样的方式来选择信息。因此最终的损失函数与注意力分布之间的函数关系不可导，因此无法使用在反向传播算法进行训练。为了使用反向传播算法，一般使用软性注意力来代替硬性注意力。硬性注意力需要通过强化学习来进行训练。——《神经网络与深度学习》

• 变种2-键值对注意力：即上图右边的键值对模式，此时Key！=Value，注意力函数变为：




• 变种3-多头注意力：多头注意力（multi-head attention）是利用多个查询Q = [q1, · · · , qM]，来平行地计算从输入信息中选取多个信息。每个注意力关注输入信息的不同部分，然后再进行拼接：




5、一种强大的Attention机制：为什么自注意力模型（self-Attention model）在长距离序列中如此强大？

（1）卷积或循环神经网络难道不能处理长距离序列吗？

当使用神经网络来处理一个变长的向量序列时，我们通常可以使用卷积网络或循环网络进行编码来得到一个相同长度的输出向量序列，如图所示：



• 基于卷积网络和循环网络的变长序列编码

从上图可以看出，无论卷积还是循环神经网络其实都是对变长序列的一种“局部编码”：卷积神经网络显然是基于N-gram的局部编码；而对于循环神经网络，由于梯度消失等问题也只能建立短距离依赖。

（2）要解决这种短距离依赖的“局部编码”问题，从而对输入序列建立长距离依赖关系，有哪些办法呢？

• 如果要建立输入序列之间的长距离依赖关系，可以使用以下两种方法：一 种方法是增加网络的层数，通过一个深层网络来获取远距离的信息交互，另一种方法是使用全连接网络。 ——《神经网络与深度学习》
• 全连接模型和自注意力模型：实线表示为可学习的权重，虚线表示动态生成的权重。

由上图可以看出，全连接网络虽然是一种非常直接的建模远距离依赖的模型， 但是无法处理变长的输入序列。不同的输入长度，其连接权重的大小也是不同的。

这时我们就可以利用注意力机制来“动态”地生成不同连接的权重，这就是自注意力模型（self-attention model）。由于自注意力模型的权重是动态生成的，因此可以处理变长的信息序列。

总体来说，为什么自注意力模型（self-Attention model）如此强大：利用注意力机制来“动态”地生成不同连接的权重，从而处理变长的信息序列。

（3）自注意力模型（self-Attention model）具体的计算流程是怎样的呢?

同样，给出信息输入：用X = [x1, · · · , xN ]表示N 个输入信息；通过线性变换得到为查询向量序列，键向量序列和值向量序列：




上面的公式可以看出，self-Attention中的Q是对自身（self）输入的变换，而在传统的Attention中，Q来自于外部。



• self-Attention计算过程剖解（来自《细讲 | Attention Is All You Need 》）

注意力计算公式为：




自注意力模型（self-Attention model）中，通常使用缩放点积来作为注意力打分函数，输出向量序列可以写为：




二、Transformer（Attention Is All You Need）详解

从Transformer这篇论文的题目可以看出，Transformer的核心就是Attention，这也就是为什么本文会在剖析玩Attention机制之后会引出Transformer，如果对上面的Attention机制特别是自注意力模型（self-Attention model）理解后，Transformer就很容易理解了。

1、Transformer的整体架构是怎样的？由哪些部分组成？



• Transformer模型架构

Transformer其实这就是一个Seq2Seq模型，左边一个encoder把输入读进去，右边一个decoder得到输出：



• Seq2Seq模型

Transformer=Transformer Encoder+Transformer Decoder

（1）Transformer Encoder（N=6层，每层包括2个sub-layers）：



• Transformer Encoder

• sub-layer-1：multi-head self-attention mechanism，用来进行self-attention。

• sub-layer-2：Position-wise Feed-forward Networks，简单的全连接网络，对每个position的向量分别进行相同的操作，包括两个线性变换和一个ReLU激活输出（输入输出层的维度都为512，中间层为2048）：



每个sub-layer都使用了残差网络：

（2）Transformer Decoder（N=6层，每层包括3个sub-layers）：



• Transformer Decoder

• sub-layer-1：Masked multi-head self-attention mechanism，用来进行self-attention，与Encoder不同：由于是序列生成过程，所以在时刻 i 的时候，大于 i 的时刻都没有结果，只有小于 i 的时刻有结果，因此需要做Mask。

• sub-layer-2：Position-wise Feed-forward Networks，同Encoder。

• sub-layer-3：Encoder-Decoder attention计算。

2、Transformer Encoder 与 Transformer Decoder 有哪些不同？

（1）multi-head self-attention mechanism不同，Encoder中不需要使用Masked，而Decoder中需要使用Masked；

（2）Decoder中多了一层Encoder-Decoder attention，这与 self-attention mechanism不同。

3、Encoder-Decoder attention 与self-attention mechanism有哪些不同？

它们都是用了 multi-head计算，不过Encoder-Decoder attention采用传统的attention机制，其中的Query是self-attention mechanism已经计算出的上一时间i处的编码值，Key和Value都是Encoder的输出，这与self-attention mechanism不同。代码中具体体现：

• ## Multihead Attention ( self-attention)


• self.dec = multihead_attention(queries=self.dec,


• keys=self.dec,


• num_units=hp.hidden_units,


• num_heads=hp.num_heads,


• dropout_rate=hp.dropout_rate,


• is_training=is_training,


• causality=True,


• scope="self_attention")



• ## Multihead Attention ( Encoder-Decoder attention)


• self.dec = multihead_attention(queries=self.dec,


• keys=self.enc,


• num_units=hp.hidden_units,


• num_heads=hp.num_heads,


• dropout_rate=hp.dropout_rate,


• is_training=is_training,


• causality=False,


• scope="vanilla_attention")



4、multi-head self-attention mechanism具体的计算过程是怎样的？



• multi-head self-attention mechanism计算过程

Transformer中的Attention机制由Scaled Dot-Proct Attention和Multi-Head Attention组成，上图给出了整体流程。下面具体介绍各个环节：

• Expand：实际上是经过线性变换，生成Q、K、V三个向量；

• Split heads: 进行分头操作，在原文中将原来每个位置512维度分成8个head，每个head维度变为64；

• Self Attention：对每个head进行Self Attention，具体过程和第一部分介绍的一致；

• Concat heads：对进行完Self Attention每个head进行拼接；

上述过程公式为：




5、Transformer在GPT和Bert等词向量预训练模型中具体是怎么应用的？有什么变化？

• GPT中训练的是单向语言模型，其实就是直接应用Transformer Decoder；

• Bert中训练的是双向语言模型，应用了Transformer Encoder部分，不过在Encoder基础上还做了Masked操作；

BERT Transformer 使用双向self-attention，而GPT Transformer 使用受限制的self-attention，其中每个token只能处理其左侧的上下文。双向 Transformer 通常被称为“Transformer encoder”，而左侧上下文被称为“Transformer decoder”，decoder是不能获要预测的信息的。

❻ 为什么当神经元结点和层数增加时,全连接深度神经网络训练权值很困难

节点越多参数量越大
层数越多模型越复杂
困难倒没多困难，就是计算量大点