python神級網路與深度學習,python深度神經網路演算法

本文目錄一覽：

• 1、從零開始用Python構建神經網路
• 2、Python要學習到什麼地步，可以更好的去學習深度學習？
• 3、怎樣用python實現深度學習

從零開始用Python構建神經網路

從零開始用Python構建神經網路

動機：為了更加深入的理解深度學習，我們將使用 python 語言從頭搭建一個神經網路，而不是使用像 Tensorflow 那樣的封裝好的框架。我認為理解神經網路的內部工作原理，對數據科學家來說至關重要。

這篇文章的內容是我的所學，希望也能對你有所幫助。

神經網路是什麼?

介紹神經網路的文章大多數都會將它和大腦進行類比。如果你沒有深入研究過大腦與神經網路的類比，那麼將神經網路解釋為一種將給定輸入映射為期望輸出的數學關係會更容易理解。

神經網路包括以下組成部分

? 一個輸入層，x

? 任意數量的隱藏層

? 一個輸出層，?

? 每層之間有一組權值和偏置，W and b

? 為隱藏層選擇一種激活函數，σ。在教程中我們使用 Sigmoid 激活函數

下圖展示了 2 層神經網路的結構(注意：我們在計算網路層數時通常排除輸入層)

2 層神經網路的結構

用 Python 可以很容易的構建神經網路類

訓練神經網路

這個網路的輸出 ? 為：

你可能會注意到，在上面的等式中，輸出 ? 是 W 和 b 函數。

因此 W 和 b 的值影響預測的準確率. 所以根據輸入數據對 W 和 b 調優的過程就被成為訓練神經網路。

每步訓練迭代包含以下兩個部分:

? 計算預測結果 ?，這一步稱為前向傳播

? 更新 W 和 b,，這一步成為反向傳播

下面的順序圖展示了這個過程：

前向傳播

正如我們在上圖中看到的，前向傳播只是簡單的計算。對於一個基本的 2 層網路來說，它的輸出是這樣的：

我們在 NeuralNetwork 類中增加一個計算前向傳播的函數。為了簡單起見我們假設偏置 b 為0：

但是我們還需要一個方法來評估預測結果的好壞(即預測值和真實值的誤差)。這就要用到損失函數。

損失函數

常用的損失函數有很多種，根據模型的需求來選擇。在本教程中，我們使用誤差平方和作為損失函數。

誤差平方和是求每個預測值和真實值之間的誤差再求和，這個誤差是他們的差值求平方以便我們觀察誤差的絕對值。

訓練的目標是找到一組 W 和 b，使得損失函數最好小，也即預測值和真實值之間的距離最小。

反向傳播

我們已經度量出了預測的誤差(損失)，現在需要找到一種方法來傳播誤差，並以此更新權值和偏置。

為了知道如何適當的調整權值和偏置，我們需要知道損失函數對權值 W 和偏置 b 的導數。

回想微積分中的概念，函數的導數就是函數的斜率。

梯度下降法

如果我們已經求出了導數，我們就可以通過增加或減少導數值來更新權值 W 和偏置 b(參考上圖)。這種方式被稱為梯度下降法。

但是我們不能直接計算損失函數對權值和偏置的導數，因為在損失函數的等式中並沒有顯式的包含他們。因此，我們需要運用鏈式求導發在來幫助計算導數。

鏈式法則用於計算損失函數對 W 和 b 的導數。注意，為了簡單起見。我們只展示了假設網路只有 1 層的偏導數。

這雖然很簡陋，但是我們依然能得到想要的結果—損失函數對權值 W 的導數(斜率)，因此我們可以相應的調整權值。

現在我們將反向傳播演算法的函數添加到 Python 代碼中

為了更深入的理解微積分原理和反向傳播中的鏈式求導法則，我強烈推薦 3Blue1Brown 的如下教程：

Youtube：

整合併完成一個實例

既然我們已經有了包括前向傳播和反向傳播的完整 Python 代碼，那麼就將其應用到一個例子上看看它是如何工作的吧。

神經網路可以通過學習得到函數的權重。而我們僅靠觀察是不太可能得到函數的權重的。

讓我們訓練神經網路進行 1500 次迭代，看看會發生什麼。 注意觀察下面每次迭代的損失函數，我們可以清楚地看到損失函數單調遞減到最小值。這與我們之前介紹的梯度下降法一致。

讓我們看看經過 1500 次迭代後的神經網路的最終預測結果：

經過 1500 次迭代訓練後的預測結果

我們成功了!我們應用前向和方向傳播演算法成功的訓練了神經網路並且預測結果收斂於真實值。

注意預測值和真實值之間存在細微的誤差是允許的。這樣可以防止模型過擬合併且使得神經網路對於未知數據有著更強的泛化能力。

下一步是什麼?

幸運的是我們的學習之旅還沒有結束，仍然有很多關於神經網路和深度學習的內容需要學習。例如：

? 除了 Sigmoid 以外，還可以用哪些激活函數

? 在訓練網路的時候應用學習率

? 在面對圖像分類任務的時候使用卷積神經網路

我很快會寫更多關於這個主題的內容，敬請期待!

最後的想法

我自己也從零開始寫了很多神經網路的代碼

雖然可以使用諸如 Tensorflow 和 Keras 這樣的深度學習框架方便的搭建深層網路而不需要完全理解其內部工作原理。但是我覺得對於有追求的數據科學家來說，理解內部原理是非常有益的。

這種練習對我自己來說已成成為重要的時間投入，希望也能對你有所幫助

Python要學習到什麼地步，可以更好的去學習深度學習？

深度學習本質上是深層的Python人工神經網路，它不是一項孤立的技術，而是數學、統計機器學習、計算機科學和人工神經網路等多個領域的綜合。

想做好深度學習開發，在編程方面除了掌握python自身語法外，還應該著重掌握下面這些庫：

pandas：超級excel，表格式操作數據，數據清洗和預處理的強大工具。

numpy：數值計算庫，快的不要不要的。

matplotlib：模仿MATLAB的數據可視化工具。

scikit-learn：封裝超級好的機器學習庫，一些簡便的演算法用起來不要太順手。

ipython notebook：數據科學家和演算法工程師的筆記本。

深度學習看似難度大，掌握了正確的學習方法，入門還是很輕鬆的。

為了幫助行業人才更快地掌握人工智慧技術，中公優就業聯合中科院自動化研究所專家，開設人工智慧《深度學習》課程，通過深度剖析人工智慧領域深度學習技術，培養人工智慧核心人才。可通過搜索知乎賬號：陝西中公優就業IT培訓

怎樣用python實現深度學習

基於Python的深度學習庫、深度學習方向、機器學習方向、自然語言處理方向的一些網站基本都是通過Python來實現的。

機器學習，尤其是現在火爆的深度學習，其工具框架大都提供了Python介面。Python在科學計算領域一直有著較好的聲譽，其簡潔清晰的語法以及豐富的計算工具，深受此領域開發者喜愛。

早在深度學習以及Tensorflow等框架流行之前，Python中即有scikit-learn，能夠很方便地完成幾乎所有機器學習模型，從經典數據集下載到構建模型只需要簡單的幾行代碼。配合Pandas、matplotlib等工具，能很簡單地進行調整。

而Tensorflow、PyTorch、MXNet、Keras等深度學習框架更是極大地拓展了機器學習的可能。使用Keras編寫一個手寫數字識別的深度學習網路僅僅需要寥寥數十行代碼，即可藉助底層實現，方便地調用包括GPU在內的大量資源完成工作。

值得一提的是，無論什麼框架，Python只是作為前端描述用的語言，實際計算則是通過底層的C/C++實現。由於Python能很方便地引入和使用C/C++項目和庫，從而實現功能和性能上的擴展，這樣的大規模計算中，讓開發者更關注邏輯於數據本身，而從內存分配等繁雜工作中解放出來，是Python被廣泛應用到機器學習領域的重要原因。