【机器学习-周志华】学习笔记-第五章

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        第四章决策树，都是比较基础的概率论的东西，主要就是结合例子去理解概念。

        第五章是神经网络模型的介绍， 比较难理解的算是5.3 误差逆传播算法。它其实是对梯度计算结果的一个解释，用的其实还是梯度下降法。

也就是说，主要还是微积分多元函数的计算。头疼.jpg

        可以看到这里是多输出问题，但只关注一个输出的推导即可，其他都是一样的。
        首先看均方误差求偏导，其中公式(5.4)是三层复合函数，第一层是损失函数对输出求导($E_k\to {\bar{y}}_j^k$)，第二层是输出对节点的输入求导(${\bar{y}}_j^k\to {\beta }_j$)，最后是输入对连接权求导(${\beta }_j\to w_{hj}$)。

        也就是：

        结合公式和定义，${\beta }_j={\sum }_{h=1}^q{w}_{hj}{b}_h$其实是一个线性的累加，对于每一个h来说，其他项都是常数，导数为0，那么${\beta }_j$求导也就是$b_h$。
        而激活函数$Sigmoid(x)=\frac{1}{1+e^{-x}}$。这个的导数是一个固定公式，推导过程简言之：$$(\frac{1}{1+e^{-x}}{)}^{\prime }=-\frac{1}{(1+e^{-x}{)}^2}(-1)e^{-x}=\frac{e^{-x}+1-1}{(1+e^{-x}{)}^2}=f(x)-f^2(x)$$

Sigmoid函数求导推导公式更详细的解释可以参考：sigmoid函数求导-只要四步

        剩下的$E_k$对${\bar{y}}_j^k$的求导其实就是一个平方项的求导。
         为了使结果只和下标j有关，把前两层单独提出来，并把梯度下降的负号提过来，得到公式(5.10)。


         公式(5.14)中关于$\Delta v_{ih}$的计算，其中$\eta$表示步长，$e_h{x}_i$表示下降方向。同样，损失函数对输出$y_j$求导，输出$y_j$对节点的输入${\beta }_j$求导，输入对上一层节点的输出$b_h$求导，然后上一层节点的输出$b_h$对上一层节点的输入${\alpha }_h$求导，最后${\alpha }_h$再对$\Delta v_{ih}$求导。
         需要注意的是，此时$\Delta v_{ih}$的每一项会对每一个$y_j$产生影响，所以还是需要${\sum }_j$的。
         所幸，损失函数对${\beta }_j$的求导在$g_j$中已经完成了。而${\beta }_j$对$b_h$求偏导类似于上一个${\beta }_j$对$w_{hj}$求偏导，也是线性的，结果就为$w_{hj}$。接着下一项，是输出对输入的求导，同样是套用Sigmoid函数的公式，也就是$b_h(1-b_h)$；最后就是$x_i$。
Δ v i h = − η ∑ j ∂ E k ∂ β j ∂ β j ∂ b h ∂ b h ∂ α h ∂ α h ∂ v i h = η ∑ j g j w h j b h ( 1 − b h ) x i

Δvih​​=−ηj∑​∂βj​∂Ek​​∂bh​∂βj​​∂αh​∂bh​​∂vih​∂αh​​=ηj∑​gj​whj​bh​(1−bh​)xi​​

        可以看出，每次都用了上一层的结论(比如这个$e_h$用了$g_j$，那么，如果有更多层，也是可以直接套用这个结果，也就是直接用$e_h$。也就是说，无论多深，都是类似形式。
        BP算法工作流程如下：

        5.5节的网络其实不算常见了，主要是他们的改进思路。