全连接神经网络 MLP
最近开始进行模型压缩相关课题，复习一下有关的基础知识。
1. MLP简介
上图是一个简单的MLP，这是典型的三层神经网络的基本构成，Layer L1是输入层，Layer L2是隐含层，Layer L3是隐含层。
为了方便下面的公式描述，引入一张带公式的图。
i是input层，h是hide层，o是output层。
2. MLP 正向传播
正向传播其实就是预测过程，就是由输入到输出的过程。
为之前的图片赋上初值，
上述变量中，存在着如下过程：原始输入-> 带权计算-> net_h1-> 激活函数-> out_h1
同理，可以计算另一个隐层net_h2, out_h2，以及输出层net_o1, net_o2, out_o1, out_o2
此时在输出端我们可以得到一个预测值，但是在随机初始化权值的情况下，这个值一定还有上升的空间，怎么才能使这个值变得更为准确呢？
3. MLP 反向传播
MLP的反向传播过就是对于神经网络的训练过程。在这里，我们训练的是之前各条边上的权值。
3.1 总误差 （square error）
target为该样本的正确值，output为这一轮预测的值。
这里存在两个输出，所以，对于所有输出求和，并最终计算E_total
推广至N个输出（分类），则是把N各分类中的输出（一般是分类概率）误差分别求出，最终求和。
在这里的总误差在下面的应用时，主要看的是接受到了几个误差的影响（如果只接受到一个误差的影响，那就只使用一个误差）。
3.2 输出层参数更新
以权重参数w5为例，如果我们想知道w5对整体误差产生了多少影响，可以用整体误差对w5求偏导求出：（链式求导法则）
现在我们来分别计算每个式子的值：
计算
：
计算
：
（这一步实际上就是对sigmoid函数求导，比较简单，可以自己推导一下）
计算
：
最后三者相乘：
这样我们就计算出整体误差E(total)对w5的偏导值。
回过头来再看看上面的公式，我们发现：
为了表达方便，用
来表示输出层的误差：
因此，整体误差E(total)对w5的偏导公式可以写成：
如果输出层误差计为负的话，也可以写成：
最后我们来更新w5的值：
（其中，
是learning rate，这里我们取0.5）
3.3 隐含层参数更新
计算
：
先计算
：
同理，计算出：
两者相加得到总值：
再计算
：
再计算
：
最后，三者相乘：
为了简化公式，用sigma(h1)表示隐含层单元h1的误差：
最后，更新w1的权值：
Python代码：
#coding:utf-8
import random
import math
#
# 参数解释：
# "pd_" ：偏导的前缀
# "d_" ：导数的前缀
# "w_ho" ：隐含层到输出层的权重系数索引
# "w_ih" ：输入层到隐含层的权重系数的索引
class NeuralNetwork:
LEARNING_RATE = 0.5
def __init__(self, num_inputs, num_hidden, num_outputs, hidden_layer_weights = None, hidden_layer_bias = None, output_layer_weights = None, output_layer_bias = None):
self.num_inputs = num_inputs
self.hidden_layer = NeuronLayer(num_hidden, hidden_layer_bias)
self.output_layer = NeuronLayer(num_outputs, output_layer_bias)
self.init_weights_from_inputs_to_hidden_layer_neurons(hidden_layer_weights)
self.init_weights_from_hidden_layer_neurons_to_output_layer_neurons(output_layer_weights)
def init_weights_from_inputs_to_hidden_layer_neurons(self, hidden_layer_weights):
weight_num = 0
for h in range(len(self.hidden_layer.neurons)):
for i in range(self.num_inputs):
if not hidden_layer_weights:
self.hidden_layer.neurons[h].weights.append(random.random())
else:
self.hidden_layer.neurons[h].weights.append(hidden_layer_weights[weight_num])
weight_num += 1
def init_weights_from_hidden_layer_neurons_to_output_layer_neurons(self, output_layer_weights):
weight_num = 0
for o in range(len(self.output_layer.neurons)):
for h in range(len(self.hidden_layer.neurons)):
if not output_layer_weights:
self.output_layer.neurons[o].weights.append(random.random())
else:
self.output_layer.neurons[o].weights.append(output_layer_weights[weight_num])
weight_num += 1
def inspect(self):
print(\'------\')
print(\'* Inputs: {}\'.format(self.num_inputs))
print(\'------\')
print(\'Hidden Layer\')
self.hidden_layer.inspect()
print(\'------\')
print(\'* Output Layer\')
self.output_layer.inspect()
print(\'------\')
def feed_forward(self, inputs):
hidden_layer_outputs = self.hidden_layer.feed_forward(inputs)
return self.output_layer.feed_forward(hidden_layer_outputs)
def train(self, training_inputs, training_outputs):
self.feed_forward(training_inputs)
# 1. 输出神经元的值
pd_errors_wrt_output_neuron_total_net_input = [0] * len(self.output_layer.neurons)
for o in range(len(self.output_layer.neurons)):
# ∂E/∂zⱼ
pd_errors_wrt_output_neuron_total_net_input[o] = self.output_layer.neurons[o].calculate_pd_error_wrt_total_net_input(training_outputs[o])
# 2. 隐含层神经元的值
pd_errors_wrt_hidden_neuron_total_net_input = [0] * len(self.hidden_layer.neurons)
for h in range(len(self.hidden_layer.neurons)):
# dE/dyⱼ = Σ ∂E/∂zⱼ * ∂z/∂yⱼ = Σ ∂E/∂zⱼ * wᵢⱼ
d_error_wrt_hidden_neuron_output = 0
for o in range(len(self.output_layer.neurons)):
d_error_wrt_hidden_neuron_output += pd_errors_wrt_output_neuron_total_net_input[o] * self.output_layer.neurons[o].weights[h]
# ∂E/∂zⱼ = dE/dyⱼ * ∂zⱼ/∂
pd_errors_wrt_hidden_neuron_total_net_input[h] = d_error_wrt_hidden_neuron_output * self.hidden_layer.neurons[h].calculate_pd_total_net_input_wrt_input()
# 3. 更新输出层权重系数
for o in range(len(self.output_layer.neurons)):
for w_ho in range(len(self.output_layer.neurons[o].weights)):
# ∂Eⱼ/∂wᵢⱼ = ∂E/∂zⱼ * ∂zⱼ/∂wᵢⱼ
pd_error_wrt_weight = pd_errors_wrt_output_neuron_total_net_input[o] * self.output_layer.neurons[o].calculate_pd_total_net_input_wrt_weight(w_ho)
# Δw = α * ∂Eⱼ/∂wᵢ
self.output_layer.neurons[o].weights[w_ho] -= self.LEARNING_RATE * pd_error_wrt_weight
# 4. 更新隐含层的权重系数
for h in range(len(self.hidden_layer.neurons)):
for w_ih in range(len(self.hidden_layer.neurons[h].weights)):
# ∂Eⱼ/∂wᵢ = ∂E/∂zⱼ * ∂zⱼ/∂wᵢ
pd_error_wrt_weight = pd_errors_wrt_hidden_neuron_total_net_input[h] * self.hidden_layer.neurons[h].calculate_pd_total_net_input_wrt_weight(w_ih)
# Δw = α * ∂Eⱼ/∂wᵢ
self.hidden_layer.neurons[h].weights[w_ih] -= self.LEARNING_RATE * pd_error_wrt_weight
def calculate_total_error(self, training_sets):
total_error = 0
for t in range(len(training_sets)):
training_inputs, training_outputs = training_sets[t]
self.feed_forward(training_inputs)
for o in range(len(training_outputs)):
total_error += self.output_layer.neurons[o].calculate_error(training_outputs[o])
return total_error
class NeuronLayer:
def __init__(self, num_neurons, bias):
# 同一层的神经元共享一个截距项b
self.bias = bias if bias else random.random()
self.neurons = []
for i in range(num_neurons):
self.neurons.append(Neuron(self.bias))
def inspect(self):
print(\'Neurons:\', len(self.neurons))
for n in range(len(self.neurons)):
print(\' Neuron\', n)
for w in range(len(self.neurons[n].weights)):
print(\' Weight:\', self.neurons[n].weights[w])
print(\' Bias:\', self.bias)
def feed_forward(self, inputs):
outputs = []
for neuron in self.neurons:
outputs.append(neuron.calculate_output(inputs))
return outputs
def get_outputs(self):
outputs = []
for neuron in self.neurons:
outputs.append(neuron.output)
return outputs
class Neuron:
def __init__(self, bias):
self.bias = bias
self.weights = []
def calculate_output(self, inputs):
self.inputs = inputs
self.output = self.squash(self.calculate_total_net_input())
return self.output
def calculate_total_net_input(self):
total = 0
for i in range(len(self.inputs)):
total += self.inputs[i] * self.weights[i]
return total + self.bias
# 激活函数sigmoid
def squash(self, total_net_input):
return 1 / (1 + math.exp(-total_net_input))
def calculate_pd_error_wrt_total_net_input(self, target_output):
return self.calculate_pd_error_wrt_output(target_output) * self.calculate_pd_total_net_input_wrt_input();
# 每一个神经元的误差是由平方差公式计算的
def calculate_error(self, target_output):
return 0.5 * (target_output - self.output) ** 2
def calculate_pd_error_wrt_output(self, target_output):
return -(target_output - self.output)
def calculate_pd_total_net_input_wrt_input(self):
return self.output * (1 - self.output)
def calculate_pd_total_net_input_wrt_weight(self, index):
return self.inputs[index]
# 文中的例子:
nn = NeuralNetwork(2, 2, 2, hidden_layer_weights=[0.15, 0.2, 0.25, 0.3], hidden_layer_bias=0.35, output_layer_weights=[0.4, 0.45, 0.5, 0.55], output_layer_bias=0.6)
for i in range(10000):
nn.train([0.05, 0.1], [0.01, 0.09])
print(i, round(nn.calculate_total_error([[[0.05, 0.1], [0.01, 0.09]]]), 9))
#另外一个例子，可以把上面的例子注释掉再运行一下:
# training_sets = [
# [[0, 0], [0]],
# [[0, 1], [1]],
# [[1, 0], [1]],
# [[1, 1], [0]]
# ]
# nn = NeuralNetwork(len(training_sets[0][0]), 5, len(training_sets[0][1]))
# for i in range(10000):
# training_inputs, training_outputs = random.choice(training_sets)
# nn.train(training_inputs, training_outputs)
# print(i, nn.calculate_total_error(training_sets))