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《我的超級黑科技帝國》第六百三十章
對於一個給定的感知器來說,它的權重和閾值也是給定的,代表一種決策策略。因此,我們可以通過調整權重和閾值來改變這個策略。

關於閾值threshold,這裏需要指出的一點是,為了表達更方便,一般用它的相反數來表達:b=-threshold,這裏的b被稱為偏置(bias)。

這樣,前面計算輸出的規則就修改為:如果w1x1+w2x2+w3x3+...+b>0,則輸出output=1,否則輸出output=0。

而權重w1=w2=-2,則b=3。

很明顯,只有當x1=x2=1的時候,output=0,因為(?2)*1+(?2)*1+3=?1,小於0。而其它輸入的情況下,都是output=1。

所以在實際情況下,這其實是一個「與非門」!

在計算機科學中,與非門是所有門部件中比較特殊的一個,它可以通過組合的方式表達任何其它的門部件。這被稱為與非門的普適性(GateUniversality)。

既然感知器能夠通過設置恰當的權重和偏置參數,來表達一個與非門,那麼理論上它也就能表達任意其它的門部件。

因此,感知器也能夠像前面三體中的例子一樣,通過彼此連接從而組成一個計算機系統。

但這似乎沒有什麼值得驚喜的,我們已經有現成的計算機了,這只不過是讓事情複雜化了而已。

單個感知器能做的事情很有限。要做複雜的決策,所以則是需要將多個感知器連接起來。

而實際中的網絡可能會有上萬個,甚至數十萬個參數,如果手工一個一個地去配置這些參數,恐怕這項任務永遠也完成不了了。

而神經網絡最有特色的地方就在於這裏。

我們不是為網絡指定所有參數,而是提供訓練數據,讓網絡自己在訓練中去學習,在學習過程中為所有參數找到最恰當的值。

大體的運轉思路是這樣:我們告訴網絡當輸入是某個值的時候,我們期望的輸出是什麼,這樣的每一份訓練數據,稱為訓練樣本(trainingexample)。

這個過程相當於老師在教學生某個抽象的知識的時候,舉一個具體例子:

一般來說,我們舉的例子越多,就越能表達那個抽象的知識。這在神經網絡的訓練中同樣成立。

我們可以向網絡灌入成千上萬個訓練樣本,然後網絡就自動從這些樣本中總結出那份隱藏在背後的抽象的知識。

這份知識的體現,就在於網絡的所有權重和偏置參數的取值。

假設各個參數有一個初始值,當我們輸入一個訓練樣本的時候,它會根據當前參數值計算出唯一的一個實際輸出值。

這個值可能跟我們期望的輸出值不一樣。想像一下,這時候,我們可以試著調整某些參數的值,讓實際輸出值和期望輸出值盡量接近。

當所有的訓練樣本輸入完畢之後,網絡參數也調整到了最佳值,這時每一次的實際輸出值和期望輸出值已經無限接近,這樣訓練過程就結束了。

假設在訓練過程中,網絡已經對數萬個樣本能夠給出正確(或接近正確)的反應了,那麼再給它輸入一個它沒見過的數據,它也應該有很大概率給出我們預期的決策。這就是一個神經網絡工作的原理。

但這裏還有一個問題,在訓練過程中,當實際輸出值和期望輸出值產生差異的時候,要如何去調整各個參數呢?

當然,在思考怎麼做之前,也應該先弄清楚:通過調整參數的方式獲得期望的輸出,這個方法行得通嗎?

實際上,對於感知器網絡來說,這個方法基本不可行。

比如在上圖有39個參數的感知器網絡中,如果維持輸入不變,我們改變某個參數的值,那麼最終的輸出基本完全不可預測。

它或者從0變到1(或從1變到0),當然也可能維持不變。這個問題的關鍵在於:輸入和輸出都是二進位的,只能是0或者1。

如果把整個網絡看成一個函數(有輸入,有輸出),那麼這個函數不是連續的。

因此,為了讓訓練成為可能,我們需要一個輸入和輸出能夠在實數上保持連續的神經網絡。於是,這就出現了sigmoid神經元。

sigmoid神經元(sigmoidneuron)是現代神經網絡經常使用的基本結構(當然不是唯一的結構)。它與感知器的結構類似,但有兩個重要的區別。

第一,它的輸入不再限制為0和1,而可以是任意0~1之間的實數。

第二,它的輸出也不再限制為0和1,而是將各個輸入的加權求和再加上偏置參數,經過一個稱為sigmoid函數的計算作為輸出。

具體來說,假設z=w1x1+w2x2+w3x3+...+b,那麼輸出output=σ(z),其中:σ(z)=1/(1+e-z)。

σ(z)是一個平滑、連續的函數。而且,它的輸出也是0~1之間的實數,這個輸出值可以直接作為下一層神經元的輸入,保持在0~1之間。

可以想像,在採用sigmoid神經元組裝神經網絡之後,網絡的輸入和輸出都變為連續的了,也就是說,當我們對某個參數的值進行微小的改變的時候,它的輸出也只是產生微小的改變。這樣就使得逐步調整參數值的訓練成為可能。

在歷史上,很多研究人員曾經也做過嘗試,MichaelNielsen的書《NeuralNetworksandDeepLearning》這本書中也曾經提到過這個例子。

這個神經網絡只有一層隱藏層,屬於淺層的神經網絡(shallowneuralnetworks)。而真正的深度神經網絡(deepnerualnetworks),則會有多層隱藏層。

神經元系統採用了左右腦半球的設計方式進行設計和製造。

最右側則是輸出層(outputlayer),有10個神經元節點,分別代表識別結果是0,1,2,...,9。當然,受sigmoid函數σ(z)的限制,每個輸出也肯定是0~1之間的數。

那我們在得到一組輸出值之後,哪個輸出的值最大,最終的識別結果就是它。

而在訓練的時候,輸出的形式則是:正確的那個數字輸出為1,其它輸出為0,隱藏層和輸出層之間也是全連接。

神經網絡共的權重參數有784*15+15*10=11910個,偏置參數有15+10=25個,總共參數個數為:11910+25=11935個。

這可是一個非常驚人的數字。
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