向 量 化 实 现 的 解 释 ( Justification for vectorized implementation)

该内容解释了神经网络前向传播的向量化实现原理,通过矩阵运算和Python的广播机制,展示了如何将多个样本的计算整合到一起,避免显式循环。强调了使用矩阵表示输入和输出在神经网络计算中的效率和简洁性,并指出这种向量化方法适用于神经网络的每一层。最后,提及了激活函数的选择,并预告了后续将探讨更多类型的激活函数。

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3.5 向 量 化 实 现 的 解 释 ( Justification for vectorized
implementation)

  在上一个视频中,我们学习到如何将多个训练样本横向堆叠成一个矩阵𝑋,然后就可以推导出神经网络中前向传播(forward propagation)部分的向量化实现。
  在这个视频中,我们将会继续了解到,为什么上一节中写下的公式就是将多个样本向量化的正确实现。
  我们先手动对几个样本计算一下前向传播,看看有什么规律:
  公式 3.16: z[1](1){{z}^{[1](1)}}z[1](1) = W[1]{{W}^{[1]}}W[1]x(1){{x}^{(1)}}x(1) +b[1]{{b}^{[1]}}b[]
  
  z[1](2){{z}^{[1](2)}}z[1](2) = W[1]{{W}^{[1]}}W[1]x(2){{x}^{(2)}}x(2) +b[1]{{b}^{[1]}}b[]
  z[1](3){{z}^{[1](3)}}z[1](3) = W[1]{{W}^{[1]}}W[1]x(3){{x}^{(3)}}x(3) +b[1]{{b}^{[1]}}b[]
  这里,为了描述的简便,我们先忽略掉 b[1]{{b}^{[1]}}b[1]后面你将会看到利用 Python 的广播机制,可以很容易的将 b[1]{{b}^{[1]}}b[1]加进来。
  现在 W[1]{{W}^{[1]}}W[1]是一个矩阵,x(1){{x}^{(1)}}x(1), x(2){{x}^{(2)}}x(2),x(3){{x}^{(3)}}x(3)都是列向量,矩阵乘以列向量得到列向量,下面将它们用图形直观的表示出来: 公式 3.17:
在这里插入图片描述

视频中,吴恩达老师很细心的用不同的颜色表示不同的样本向量,及其对应的输出。所以从图中可以看出,当加入更多样本时,只需向矩阵𝑋中加入更多列。
  所以从这里我们也可以了解到,为什么之前我们对单个样本的计算要写成z[1](i){{z}^{[1](i)}}z[1](i) = W[1]{{W}^{[1]}}W[1]x(i){{x}^{(i)}}x(i) +b[1]{{b}^{[1]}}b[1]这种形式,因为当有不同的训练样本时,将它们堆到矩阵𝑋的各列中,那么它们的输出也就会相应的堆叠到矩阵z[1]{{z}^{[1]}}z[1] 的各列中。现在我们就可以直接计算矩阵 z[1]{{z}^{[1]}}z[1]加上b[1]{{b}^{[1]}}b[1],因为列向量 b[1]{{b}^{[1]}}b[1] 和矩阵z[1]{{z}^{[1]}}z[1]的列向量有着相同的尺寸,而 Python 的广播机制对于这种矩阵与向量直接相加的处理方式是,将向量与矩阵的每一列相加。 所以这一节只是说明了为什么公式 z[1]{{z}^{[1]}}z[1]= W[1]{{W}^{[1]}}W[1]𝑋 +b[1]{{b}^{[1]}}b[1]是前向传播的第一步计算的正确向量化实现,但事实证明,类似的分析可以发现,前向传播的其它步也可以使用非常相似的逻辑,即如果将输入按列向量横向堆叠进矩阵,那么通过公式计算之后,也能得到成列堆叠的输出。
  最后,对这一段视频的内容做一个总结:
  由公式 3.12、公式 3.13、公式 3.14、公式 3.15 可以看出,使用向量化的方法,可以不需要显示循环,而直接通过矩阵运算从𝑋就可以计算出 A[1]{{A}^{[1]}}A[1],实际上𝑋可以记为 A[0]{{A}^{[0]}}A[0],使用同样的方法就可以由神经网络中的每一层的输入 A[i−1]{{A}^{[i-1]}}A[i1]计算输出 A[i]{{A}^{[i]}}A[i]。其实这些方程有一定对称性,其中第一个方程也可以写成z[1]{{z}^{[1]}}z[1]= W[1]{{W}^{[1]}}W[1]A[0]{{A}^{[0]}}A[0] + b[1]{{b}^{[1]}}b[1],你看这对方程,还有这对方程形式其实很类似,只不过这里所有指标加了 1。所以这样就显示出神经网络的不同层次,你知道大概每一步做的都是一样的,或者只不过同样的计算不断重复而已。这里我们有一个双层神经网络,我们在下周视频里会讲深得多的神经网络,你看到随着网络的深度变大,基本上也还是重复这两步运算,只不过是比这里你看到的重复次数更多。在下周的视频中将会讲解更深层次的神经网络,随着层数的加深,基本上也还是重复同样的运算。
  以上就是对神经网络向量化实现的正确性的解释,到目前为止,我们仅使用 sigmoid 函数作为激活函数,事实上这并非最好的选择,在下一个视频中,将会继续深入的讲解如何使用更多不同种类的激活函数。

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