一、什么是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

我們這里講解的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，就是在Logistic regression的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)或幾個(gè)隱層（hidden layer），下面展示的是一個(gè)最最最簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，只有兩層：

兩層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò):

需要注意的是，上面的圖是“兩層”，而不是三層或者四層，輸入和輸出不算層!

這里，我們先規(guī)定一下記號(hào)（Notation）：

• z是x和w、b線性運(yùn)算的結(jié)果，z=wx+b；a是z的激活值；下標(biāo)的1,2,3,4代表該層的第i個(gè)神經(jīng)元（unit）；上標(biāo)的[1],[2]等代表當(dāng)前是第幾層。y^代表模型的輸出，y才是真實(shí)值，也就是標(biāo)簽

另外，有一點(diǎn)經(jīng)常搞混：

- 上圖中的x1，x2，x3，x4不是代表4個(gè)樣本！而是一個(gè)樣本的四個(gè)特征（4個(gè)維度的值）！

你如果有m個(gè)樣本，代表要把上圖的過程重復(fù)m次：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的“兩個(gè)傳播”：

• 前向傳播（Forward Propagation）前向傳播就是從input，經(jīng)過一層層的layer，不斷計(jì)算每一層的z和a，最后得到輸出y^ 的過程，計(jì)算出了y^，就可以根據(jù)它和真實(shí)值y的差別來計(jì)算損失（loss）。反向傳播（Backward Propagation）反向傳播就是根據(jù)損失函數(shù)L(y^,y)來反方向地計(jì)算每一層的z、a、w、b的偏導(dǎo)數(shù)（梯度），從而更新參數(shù)。
• 前向傳播和反向傳播：

每經(jīng)過一次前向傳播和反向傳播之后，參數(shù)就更新一次，然后用新的參數(shù)再次循環(huán)上面的過程。這就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的整個(gè)過程。

二、前向傳播

如果用for循環(huán)一個(gè)樣本一個(gè)樣本的計(jì)算，顯然太慢，看過我的前幾個(gè)筆記的朋友應(yīng)該知道，我們是使用Vectorization，把m個(gè)樣本壓縮成一個(gè)向量X來計(jì)算，同樣的把z、a都進(jìn)行向量化處理得到Z、A，這樣就可以對(duì)m的樣本同時(shí)進(jìn)行表示和計(jì)算了。

這樣，我們用公式在表示一下我們的兩層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前向傳播過程：

Layer 1: Z[1] = W[1]·X + b[1]A[1] = σ(Z[1])

Layer 2: Z[2] = W[2]·A[1] + b[2]A[2] = σ(Z[2])

而我們知道，X其實(shí)就是A[0]，所以不難看出:每一層的計(jì)算都是一樣的：

Layer i: Z[i] = W[i]·A[i-1] + b[i]A[i] = σ(Z[i])

（注：σ是sigmoid函數(shù)）

因此，其實(shí)不管我們神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有幾層，都是將上面過程的重復(fù)。

對(duì)于 損失函數(shù)，就跟Logistic regression中的一樣，使用 “交叉熵（cross-entropy）”，公式就是二分類問題：L(y^,y) = -[y·log(y^ )+(1-y)·log(1-y^ )]- 多分類問題：L=-Σy(j)·y^(j)

這個(gè)是每個(gè)樣本的loss，我們一般還要計(jì)算整個(gè)樣本集的loss，也稱為cost，用J表示，J就是L的平均：

J(W,b) = 1/m·ΣL(y^(i),y(i))

上面的求Z、A、L、J的過程就是正向傳播。

三、反向傳播

反向傳播說白了根據(jù)根據(jù)J的公式對(duì)W和b求偏導(dǎo)，也就是求梯度。因?yàn)槲覀冃枰锰荻认陆捣▉韺?duì)參數(shù)進(jìn)行更新，而更新就需要梯度。

但是，根據(jù)求偏導(dǎo)的鏈?zhǔn)椒▌t我們知道，第l層的參數(shù)的梯度，需要通過l+1層的梯度來求得，因此我們求導(dǎo)的過程是“反向”的，這也就是為什么叫“反向傳播”。

具體求導(dǎo)的過程，這里就不贅述了，有興趣的可以自己推導(dǎo)，雖然我覺得多數(shù)人看到這種東西都不想推導(dǎo)了。。。（主要還是我懶的打公式了T_T'）

而且，像各種 深度學(xué)習(xí)框架TensorFlow、Keras，它們都是 只需要我們自己構(gòu)建正向傳播過程， 反向傳播的過程是自動(dòng)完成的，所以大家也確實(shí)不用操這個(gè)心。

進(jìn)行了反向傳播之后，我們就可以根據(jù)每一層的參數(shù)的梯度來更新參數(shù)了，更新了之后，重復(fù)正向、反向傳播的過程，就可以不斷訓(xùn)練學(xué)習(xí)更好的參數(shù)了。

四、深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Deep Neural Network）

前面的講解都是拿一個(gè)兩層的很淺的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例的。

深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也沒什么神秘，就是多了幾個(gè)/幾十個(gè)/上百個(gè)hidden layers罷了。

可以用一個(gè)簡單的示意圖表示：

深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò):

注意，在深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，我們?cè)谥虚g層使用了 “ReLU”激活函數(shù)，而不是sigmoid函數(shù)了，只有在最后的輸出層才使用了sigmoid函數(shù)，這是因?yàn)?ReLU函數(shù)在求梯度的時(shí)候更快，還可以一定程度上防止梯度消失現(xiàn)象，因此在深層的網(wǎng)絡(luò)中常常采用。關(guān)于激活函數(shù)的問題，可以參閱：【DL碎片3】神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的激活函數(shù)及其對(duì)比

關(guān)于深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，我們有必要再詳細(xì)的觀察一下它的結(jié)構(gòu)，尤其是 每一層的各個(gè)變量的維度，畢竟我們?cè)诖罱Ｐ偷臅r(shí)候，維度至關(guān)重要。

我們?cè)O(shè):

總共有m個(gè)樣本，問題為二分類問題（即y為0,1）；

網(wǎng)絡(luò)總共有L層，當(dāng)前層為l層（l=1,2,...,L）；

第l層的單元數(shù)為n[l]；那么下面參數(shù)或變量的維度為：

• W[l]:(n[l],n[l-1])（該層的單元數(shù)，上層的單元數(shù)）b[l]:(n[l],1)z[l]:(n[l],1)Z[l]:(n[l],m)a[l]:(n[l],1)A[l]:(n[l],m)X:(n[0],m)Y:(1,m)

可能有人問，為什么 W和b的維度里面沒有m？

因?yàn)?W和b對(duì)每個(gè)樣本都是一樣的，所有樣本采用同一套參數(shù)（W，b），

而Z和A就不一樣了，雖然計(jì)算時(shí)的參數(shù)一樣，但是樣本不一樣的話，計(jì)算結(jié)果也不一樣，所以維度中有m。

深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的正向傳播、反向傳播和前面寫的2層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類似，就是多了幾層，然后中間的激活函數(shù)由sigmoid變?yōu)镽eLU了。