机器学习---编程练习（四）：神经网络

最新推荐文章于 2022-10-22 16:28:08 发布

恪心

最新推荐文章于 2022-10-22 16:28:08 发布

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分类专栏：机器学习（吴恩达）编程练习文章标签：机器学习

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本文详细介绍如何实现神经网络的前向传播、成本函数计算、反向传播算法及梯度检查，涵盖sigmoid梯度、随机初始化、正则化处理等内容。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

机器学习—编程练习（四）：神经网络

文件列表

ex4.m - Octave/MATLAB script that steps you through the exercise
ex4data1.mat - Training set of hand-written digits
ex4weights.mat - Neural network parameters for exercise 4
submit.m - Submission script that sends your solutions to our servers
displayData.m - Function to help visualize the dataset
fmincg.m - Function minimization routine (similar to fminunc)
sigmoid.m - Sigmoid function
computeNumericalGradient.m - Numerically compute gradients
checkNNGradients.m - Function to help check your gradients
debugInitializeWeights.m - Function for initializing weights
predict.m - Neural network prediction function
[*] sigmoidGradient.m - Compute the gradient of the sigmoid function
[*]randInitializeWeights.m - Randomly initialize weights
[*] nnCostFunction.m - Neural network cost function
* 是需要完成的内容

1 神经网络

在之前的练习中，你实现了前向传播神经网络，并且使用它以及我们提供的权重预测了手写体。在这次的练习中，你将会实现反向传播算法学习神经网络中的参数。

第一部分是前向传播神经网络，这部分的第一节和第二节和（练习三）一致，就不过多赘述，从第三节开始。

1.3 前向传播和成本函数

现在你将会为神经网络实现成本函数和梯度，首先完成nnCostFunction.m中的代码返回cost。

神经网络的成本函数
在这里插入图片描述
h_θ(x⁽ⁱ⁾)计算如下图

另外，我们的原始标签是1-10，为了训练神经网络，我们需要将标签转换成只含1和0的向量

这里我做的时候不知道y是多大的向量，以及怎样去转换。

首先y 是 5000*1的矩阵

在这里插入图片描述
矩阵中的每个元素需要转换成

那么转换之后的y是

y中有5000个10*1的矩阵。

之后是y的转换代码

y = repmat([1:num_labels], m, 1) == repmat(y, 1, num_labels);

%我们把它拆分一下，方便我解释
a = repmat([1:num_labels], m, 1);
b = repmat(y, 1, num_labels);
y = a == b;

repmat函数的百度解释。
在这里插入图片描述

上面那段代码的意思是
创建一个5000 x 1的矩阵，矩阵中每个元素是[1 2 3 4 5 6 7 8 9 10]， a的大小是5000 x 10
再创建一个1 x 10的矩阵，矩阵中每个元素是y，y是5000 x 1的矩阵，所以b的大小是5000 x 10
(这里用*会变成斜体，用x代替)

再解释 y = a == b;我贴个图，应该就明白了。
在这里插入图片描述
这段代码的意思是创建一个a大小的矩阵（a b矩阵大小相等），比较ab当ab相等是值为1，其余为0.

之后比较ab中的元素，我们得到这样的矩阵y 大小 5000*10.
在这里插入图片描述

正则成本函数

神经网络的正则成本函数
在这里插入图片描述
这部分代码如下：


a_1 = [ones(m, 1) X];

z_2 = a_1*Theta1';
a_2 = sigmoid(z_2);

a_2 = [ones(m, 1) a_2];
z_3 = a_2*Theta2';

a_3 = sigmoid(z_3);
h = a_3;
y_vec = [y(:)];
h_vec = [h(:)];
%对Theta1 Theta2矢量化
regTheta1 =  Theta1(:,2:end);
regTheta2 =  Theta2(:,2:end);
Theta1_vec = [regTheta1(:)];
Theta2_vec = [regTheta2(:)];
J = 1/m.*(-y_vec' * log(h_vec) - (1 - y_vec)' * log(1 - h_vec))...
    + lambda/(2*m).*(Theta1_vec'*Theta1_vec + Theta2_vec'*Theta2_vec);

这部分有点绕，我看了程序答案又思考了好久才理解。不知道你们理解了没。如果有没懂的地方可以留言，我看到会回复的。参考答案上就比较简单了，不需要思考这么多东西，没用矩阵乘法求和，两个sum解决。实在看不懂也可以参考答案。

2 反向传播

在这部分的练习中，你将会实现反向传播算法计算神经网络成本函数的梯度。完成梯度的计算后，你就能使用一个像fmincg这样的高级优化器，通过最小化成本函数 J(Θ)训练神经网络。首先你将会求得一个非正则神经网络的梯度，完成以后，再实现正则神经网络的梯度。

2.1 Sigmopid gradient

为了帮助你完成这部分的练习，你将会先实现sigmoid梯度函数

在这里插入图片描述

将下列代码输入到 sigmoidGradient(z) 中

g = sigmoid(z).*(1 - sigmoid(z));

2.2 随机初始化

在训练神经网络的时候，随机初始化参数对于对称破坏（symmetry breaking 知网上查的）时非常重要的。一种非常有效的随机初始化方法是在 [−ϵ_init ,ϵ_init ]之间挑选Θ^(l) 的值。你应该使用,ϵ_init = 0.12.这个范围的值确保参数被保持的很小，并且使学习更有效。

将下列代码输入到 randInitializeWeights.m 中（讲义上有）

% Randomly initialize the weights to small values
epsilon init = 0.12;
W = rand(L out, 1 + L in)*2*epsilon_init − epsilon_init;

ϵ_init 的计算方法
在这里插入图片描述
L_in = s_l , L_out = s_l+1 ,是Θ^(l)相邻层中的单元数。

2.3 反向回归

在这里插入图片描述
我把那两页算法思路全都翻译下来，没保存，在那调试代码。电脑死机( fuck )。。。。。。

这部分算法思路我刚理解的时候有些困难，就将他们翻译下来，方便以后察看。不想看的可以跳过。

现在你将会实现反向传播算法。反向传播算法的思路是这样的。
给出一个训练样本（x^(t), y^(t)），我们首先运行一个“前向传播”计算整个网络的所有激活值
（ activations），包括输出值h_Θ(x)，之后，对于l层中每个节点j，我们想要计算一个“误差值”
σ ^(l)_j ,这个误差值表示节点对于输出错误的“责任度”。
对于一个输出节点，我们可以直接测量网络激活值与真实值的差，并且使用这个定义σ ⁽³⁾_j
（因为输出层是3）.对于隐藏单元，你将会基于（l+1）层节点的误差项的加权平均值计算
σ ^(l)_j 。
详细的说，这就是反向传播算法。你应该在一个循环中实现步骤1-4，这个循环一次处理一个样本数据。更具体点，你应该实现一个for循环 for t = 1:m 并且将下面的步骤1-4放到for循环中，t次循环执行t次训练样本（x^(t), y^(t)）的计算。步骤5将累加梯度值除以m得到神经网络成本函数的梯度。

设输入层的值（a⁽¹⁾）为t个训练样本x^(t) 。运行一个前向传播，计算2，3层的激活值
（z⁽²⁾, a⁽²⁾, z⁽³⁾, a⁽³⁾）注意你需要添加一个a+1项确保a⁽¹⁾，a⁽²⁾ 层也包括偏差单元（bias unit）。在Octave/Matlab中，如果a_1是一个列向量，则添加代码为
a_1 = [1 ; a_1].。
对于每一个第三层的输出单元k，设

y_k∈｛0，1｝表示现在的训练样本是否属于k类（y_k = 1），或者它是否属于一个不同的类
（y_k = 0）。你可能发现逻辑数组对这个工作很有帮助。
对于隐藏层 l = 2 ,设
使用下面的公式从这个样本中累加梯度，注意你应该跳过或者移除σ ⁽²⁾₀ .
在Octave/Matlab中，移除σ ⁽²⁾₀ 的代码是 delta_2 = delta_2(2:end)。
将累加梯度除以m就得到满足神经网络成本函数的梯度值了

这个没有正则化梯度值，结果会出现错误。我将正则化的那一节提前写一下，最后给出完整代码。

2.4 神经网络正则化

在你已经成功实现反向传播算法后，你应该加上对梯度的正则话。为了计算正则化，这很明显你可以将这里作为一个添加项加到反向传播梯度之后。

正则化公式：
在这里插入图片描述
注意不要对Θ^(l) 的第一项偏差单元正则化。此外，参数Θ^(l) _ij i从1开始，j从0开始。因此：

有点令人困惑的是，在Octave/Matlab中，输入从1开始，因此Theta1(2, 1)实际对应Θ^(l) ₂₀

这部分完整代码如下：

%在这部分的代码中，调试时我将变量对应的大小添加到了后面。
%以后会养成习惯，每个都在后面加变量大小，方便检察。
a_1 = [ones(m, 1) X]; %5000*401

z_2 = a_1*Theta1';    % 5000*401 25*401 5000*25
a_2 = sigmoid(z_2);   %5000*25

a_2 = [ones(m, 1) a_2]; %5000*26
z_3 = a_2*Theta2';    %5000*26 10*26 5000*10

a_3 = sigmoid(z_3);
h = a_3;

y = repmat([1:num_labels], m, 1) == repmat(y, 1, num_labels);

% 1-10复制5000*1份   == 5000*1 复制1*10份
y_vec = [y(:)];
h_vec = [h(:)];
%对Theta1 Theta2矢量化
regTheta1 =  Theta1(:,2:end);
regTheta2 =  Theta2(:,2:end);

Theta1_vec = [regTheta1(:)];
Theta2_vec = [regTheta2(:)];
J = 1/m.*(-y_vec' * log(h_vec) - (1 - y_vec)' * log(1 - h_vec))...
    + lambda/(2*m).*(Theta1_vec'*Theta1_vec + Theta2_vec'*Theta2_vec);

Delta_2 = zeros(size(Theta2));
Delta_1 = zeros(size(Theta1));



for i = 1:m

  delta_3 = a_3(i,:) - y(i,:); %1*10
  delta_2 = delta_3*Theta2 .* sigmoidGradient([1 z_2(i,:)]);  
  %10*26 1*10 1*26 1*26

  delta_2 = delta_2(2:end); %1*25

  Delta_1 = Delta_1 + delta_2'*a_1(i,:); %25*401  1*25 1*401
  Delta_2 = Delta_2 + delta_3'*a_2(i,:); %10*26  1*10 1*26

  
endfor

%+号后面的部分就是正则化，将偏差单元置零，补齐矩阵。
Theta1_grad = 1/m * Delta_1 + (lambda/m)*[zeros(size(Theta1, 1), 1) regTheta1];
Theta2_grad = 1/m * Delta_2 + (lambda/m)*[zeros(size(Theta2, 1), 1) regTheta2];

2.5梯度检测

你有一个函数f_i(Θ)，它由成本函数J(Θ)对Θ求偏导得到。现在你想检测f_i是否输出正确的梯度值
在这里插入图片描述
验证公式：

但是假设 ε = 10^-4，你经常会发现上式左边和右边会至少有四个有效数字。

原文：
But assuming ε = 10 −4 , you’ll usually find that the left- and right-hand sides of the above will agree to at least 4 significant digits （没看懂想说什么）.