《MATLAB Deep Learning》Ch4 & Ch5 学习笔记

Ch4 - Neural Network and Classification

Binary Classification

二分类问题只需要一个输出层结点，因为我们只需指定一个阈值 threshold 就可以把结果分为两类。

当我们使用 Sigmoid 激活函数 + 交叉熵损失函数时，输出层误差有着十分简洁的形式。详细推导可以参考 为什么sigmoid激活函数，使用交叉熵损失函数更好。

Multiclass Classification

在多分类问题中，我们通常使输出层的结点数目与分类数目相一致。

一个有效的策略是使用 one-hot 编码，这时每一个输出层结点都被映射到类向量的其中一个元素。

我们引入 Softmax 函数作为激活函数，它不仅考虑了输入数据的加权和，也考虑到了其他输出结点的值。也就是说，对比 Sigmoid 函数，Softmax 函数考虑到了输出结点之间的相对量级（relative magnitudes）。

Softmax 激活函数 + 交叉熵损失函数的误差推导可以参考 简单易懂的softmax交叉熵损失函数求导。注意这里的误差计算虽然看起来跟前面的 Sigmoid + 交叉熵 一样，但这里的 delta 和 e 是向量（之前的是标量），另外这样的简洁形式其实是 one-hot 编码带来的。

Ch5 - Deep Learning

在使用后向传播算法时，添加额外的隐藏层反而常常导致较差的表现，深度学习为我们提供了解决方案。实际上，深度学习并没有任何关键技术上的革新，它带来的是一系列细微的技术改良（technical improvements）的集合。

更深的网络反而表现更差的原因是网络没有得到很好地训练，后向传播算法在训练过程中存在着以下三个问题：Vanishing gradient, Over-fitting, Computational load.

解决梯度弥散/消失（Vanishing gradient ）的一项代表性技术是使用 Rectified Linear Unit (ReLU) 激活函数。

Sigmoid 激活函数将输出值限定在一定的范围内，而 Relu 激活函数没有此限制。另外，x > 0 时，导数为 1，可见此时它能将误差无衰减地向前传递。

解决过拟合问题的一项代表性技术是 Dropout（随机失活），此外，添加正则项和使用更大的数据集也可有效避免模型过拟合。

最后，由于高性能硬件产品（GPU）的发展和其他一些算法（Batch normalization，批归一化）的发现，深度学习的计算负荷（computational load）也被减轻到了一个可观的水平。