深入神經(jīng)元

概述

從上一節(jié)(什么是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))中我們得知:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個函數(shù)济榨,它由神經(jīng)元組成,而神經(jīng)元也是一個函數(shù)顷帖。

神經(jīng)元可以繼續(xù)拆分成2個子函數(shù):

  • n元線性函數(shù): g(x_1, ..., x_n)
  • 1元非線性函數(shù): h(x)

神經(jīng)元所代表的函數(shù)為:
f(x_1, ..., x_n) = h(g(x_1, ..., x_n))

線性函數(shù)g(x_1, ..., x_n)

線性函數(shù)有如下形式:
g(x_1, ..., x_n) = w_1x_1 + ..., w_nx_n + b
其中w_1, ..., w_n, b都是參數(shù),不同的線性函數(shù)有不同的參數(shù)穷躁。

一元線性函數(shù)

n=1時忍抽,g(x_1)=w_1x_1 + b,其函數(shù)圖像為一條直線:

二元線性函數(shù)

n=2時插掂,g(x_1, x_2)=w_1x_1 + w_2x_2+ b灰瞻,其函數(shù)圖像為一個平面:

n元線性函數(shù)

n>2時,其函數(shù)圖像為一個超平面辅甥。超過了三維酝润,就不方便可視化了。不過大家可以想象璃弄,其特點就是直的要销。

非線性函數(shù)h(x)

從名字上就很容易理解,非線性函數(shù)就是跟線性函數(shù)不一樣的函數(shù)夏块。線性函數(shù)是直的疏咐,非線性函數(shù)就是彎的。如最常見的Sigmoid函數(shù):

激活函數(shù)

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中脐供,我們把這個非線性一元函數(shù)叫做激活函數(shù)浑塞。一些常見的激活函數(shù)可參考知識庫中的激活函數(shù),其中:

  • Linear: f(x)=x是一個線性函數(shù)政己,代表不使用非線性函數(shù)的情況
  • Softmax 是個特例酌壕。嚴格來講,它不算激活函數(shù)

必要性

為什么要在線性函數(shù)后面跟一個非線性的激活函數(shù)呢?

這是因為:

  1. 如果神經(jīng)元都是線性函數(shù)仅孩,那么由神經(jīng)元構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也是一個線性函數(shù)托猩。

如下面這個例子:

  • f_1(x, y) = w_1x + w_2y + b_1
  • f_2(x, y) = w_3x + w_4y + b_2
  • f_3(x, y) = w_5x + w_6y + b_3

那么整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所代表的函數(shù)為:
f_3(f_1(x_1, x_2, x_3), f_2(x_1, x_2, x_3))
= w_5(w_1x_1 + w_2x_2 + b_1) + w_6(w_3x_2 + w_4x_3 + b_2) + b_3
= (w_1w_5)x_1 + (w_2w_5 + w_3w_6)x_2 + (w_4w_6)x_3 + (w_5b_1 + w_6b_2 + b_3)
這是一個三元的線性函數(shù)。

  1. 我們需要構(gòu)造的目標函數(shù)包含各式各樣的函數(shù)辽慕,線性函數(shù)只是其中一種京腥。

我們希望神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠模擬任意函數(shù),而不只是線性函數(shù)溅蛉。因此我們增加了一個非線性的激活函數(shù)公浪,對線性函數(shù)進行了"彎曲"。

完整的神經(jīng)元

完整的神經(jīng)元融合了線性函數(shù)與非線性的激活函數(shù)船侧,變得更有趣欠气、更強大了。

一元函數(shù)

n=1時镜撩,g(x_1)=w_1x_1 + b预柒,使用Sigmoid激活函數(shù),神經(jīng)元對應(yīng)的函數(shù)為:
h(g(x))=\text{sigmoid}(wx + b)
其函數(shù)圖像為:

二元函數(shù)

n=2時袁梗,g(x_1, x_2)=w_1x_1 + w_2x_2+ b宜鸯,使用Sigmoid激活函數(shù),神經(jīng)元對應(yīng)的函數(shù)為:
h(g(x))=\text{sigmoid}(w_1x_1 + w_2x_2 + b)
其函數(shù)圖像為:

n元函數(shù)

由于可視化問題遮怜,此處完全靠自己想象淋袖!??

問題

為什么神經(jīng)元的組合可以模擬復(fù)雜函數(shù)?

可以直觀地想象一下锯梁,如何通過簡單的神經(jīng)元模擬稍微復(fù)雜一點的函數(shù)即碗。

參考軟件

可交互版,請參考App:
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學習
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