AI-深度神经网络（前向传播算法和滑动平均模型）以及激活函数实例

深度神经网络

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神经网络广泛应用于监督学习和强化学习。这些网络基于一组彼此连接的层。 在深度学习中，大多数非线性隐藏层的数量可能很大；大约1000层。 DL模型比普通ML网络产生更好的结果。 我们主要使用梯度下降法来优化网络并最小化损失函数。 Imagenet是数百万数字图像的存储库，可用于将数据集分类为猫和狗等类别。除了静态图像、时间序列和文本分析之外，DL网络越来越多地用于动态图像。 训练数据集是深度学习模型的重要组成部分。此外，反向传播是训练DL模型的主要算法。 DL处理训练具有复杂输入和输出变换的大型神经网络。

深度网络

我们必须决定是否构建分类器，或者是否尝试在数据中找到模式，以及是否应该使用无监督学习。为了从一组未标记的数据中提取模式，使用了受限的玻尔兹曼机器或自动编码器。 选择深度网络时，请考虑以下几点：

• 对于文本处理、情感分析、解析和名称实体识别，我们使用循环网络或递归神经张量网络或RNTN；递归网络可以用于在字符级运行的任何语言模型。
• 对于图像识别，可以使用深度信念网络DBN或卷积网络。
• 对于对象识别，可以使用RNTN或卷积网络。对于语音识别，可以使用递归网络。通常，具有整数线性单元或RELU和多层感知器的深度信念网络是分类的好选择。
• 对于时间序列分析，始终建议使用递归网络。 神经网络已经存在了50多年，但直到现在，它们已经上升到了一个突出的位置。原因是他们很难训练；当我们试图用一种叫做反向传播的方法训练它们时，我们遇到了一个叫做消失或爆炸梯度的问题。当这种情况发生时，训练需要很长时间，而准确度则需要退居次要地位。当训练数据集时，我们连续计算成本函数，即一组标记的训练数据的预测输出和实际输出之间的差异。然后调整权重和偏差值，直到获得最小值。训练过程使用梯度，这是成本将随着权重或偏差值的变化而变化的速率。

前向传播算法和滑动平均模型

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我们使用我们的几个权重系数矩阵W和偏置向量b对输入值向量x进行一系列线性运算和激活运算。从输入层开始，我们逐层向后计算，直到运算到达输出层，输出结果是一个值。

①滑动平均模型的作用是提高测试值上的健壮性，一个参数变化很大，那势必会影响到测试准确度问题，从他的公式看shadow_var = decay * shadow_var + (1 - decay) * var_new，decay控制着该shadow变量的更新速度，decay越大，那么很明显其值就会越倾向接近于旧值，而decay越小，那么var_new产生的叠加作用就会越强，其结果就会越倾向于远离旧值，那这样波动就很大，通常认为稳定性就不够好当然就不够健壮了 ②通俗的理解就是“让参数有滑动效果，目的是让参数不是一个常数，而是一个可以变的参数，提高模型的稳定性”

代码实例：

激活函数的一般性质 （1） 通常，我们使用梯度下降算法来更新神经网络中的参数，因此激活函数必须是可微的。如果函数是单调递增的，则导数函数必须大于零（便于计算），因此要求激活函数是单调的。 （2） 限制输出值的范围输入数据通过神经元上的激活函数控制输出值。输出值为非线性值。激活函数获得的值决定了神经元是否需要根据极限值激活。换句话说，我们可以通过激活函数来确定我们是否对神经元的输出感兴趣。 （3） 非线性是因为线性模型的表达能力不够（从数据输入到与权重值相加和偏移，这是一个在线性函数中对权重和输入数据进行加权和的过程，例如( )因此，激活函数的出现也为神经网络模型增加了非线性因素。激活函数具有上述特征，其核心意义在于，没有激活函数的神经网络只是一个线性回归模型，无法表达复杂的数据分布。神经网络中加入了激活函数，这相当于引入了非线性因素，从而解决了线性模型无法解决的问题。 不同激活函数的选择对神经网络的训练和预测有不同程度的影响。接下来，我们将分析神经网络中常用的激活函数及其优缺点。 激活函数与损失函数如下：

def activity_func(a):
    # simgoid函数
    yp = 1 / (1 + np.exp(-1 * a))
    return yp


def dA_dZ(Z):
    # 返回simgoid函数的dA/dZ
    return np.multiply((1 / (1 + np.exp(-1 * Z))), (1 - (1 / (1 + np.exp(-1 * Z)))))


def loss_func(YP, Y, error):
    size = YP.shape[1]  # 得到YP的数量
    Y_arr = Y.tolist()
    YP_arr = YP.tolist()
    # 避免后续求dA时出现除0现象
    temp = np.where(YP == 1)
    for index, item in enumerate(temp[0]):
        YP[item, temp[1][index]] = 0.999999999999
    dA = -(np.true_divide(Y, YP) + np.true_divide((Y - 1), (1 - YP)))
    loss_part1 = np.dot(Y, np.log(YP).T)
    loss_part2 = np.dot(1 - Y, np.log(1 - YP).T)
    loss = -(loss_part1 + loss_part2)
    count = 0
    for index, item in enumerate(Y_arr[0]):
        if abs(item - YP_arr[0][index]) < error:
            count += 1
    accuracy = count / size
    return dA, float(loss) / size if not np.isnan(float(loss) / size) else 0, accuracy


def relu(z):
    return np.multiply(z, z > 0)


def rele_dA_dZ(z):
    return z > 0