神经网络的数学基础

神经网络就是由一系列的张量运算组成

张量点积：

import numpy as np
z=np.dot(x,y)

• 两个向量x,y的点积

def naive_vector_dot(x,y):assert len(x.shape)==1assert len(y.shape)==1assert x.shape[0]==y.shape[0] #x的第0维和y的第0维要相同z=0.  #浮点数for i in range(x.shape[0]):z+=x[i]*y[i]return z

• 一个矩阵x和一个向量y的点积

import numpy as npdef naive_matrix_vector_dot(x,y):assert len(x.shape)==2assert len(y.shape)==1assert x.shape[1]==y.shape[0]z=np.zero(x.shape[0])for i in range(x.shape[0]):for j in range(x.shape[1]):z[i]+=x[i,j]*y[j]return z

同样也可以复用前面的代码：

def naive_matrix_vector_dot(x,y):z=np.zeros(x.shape[0])for i in range(x.shape[0]):z[i]=naive_vector_dot(x[i, :],y)return z

• 两个矩阵之间的点积

def naive_matrix_dot(x,y):assert len(x.shape)==2assert len(y.shape)==2assert x.shape[1]==y.shape[0] #x的1维和y的0维z=np.zeros((x.shape[0],y.shape[1]))for i in range(x.shape[0]):for j in range(y.shape[1]):row_x=x[i, :]column_y=y[:, j]z[i,j]=naive_vector_dot(row_x,column_y)return z

张量点积同样可以适用于更高维的张量！！！

但是形状得遵循与前面2D张量相同的原则：
(a,b,c,d) . (d,) -> (a,b,c)
(a,b,c,d) . (d,e) ->(a,b,c,e)
以此类推！！

张量变形

变形后的张量元素总个数与初始张量相同。一种特殊的张量变形是转置。

张量运算的导数——梯度(多元函数导数，输入可能有多个权重)

• 例如输入的是一个矩阵W（同时还有输入的向量x）以此计算预测值y_pred，计算损失（或者说预测值y_pred和目标y之间的距离）
  保持x和y不变，那么就可以看作预测值y_pred和目标y之间的距离
  loss_value=f(W)
• 若当前W的值为w0,f在W0点的导数是一个张量gradient(f)(W0),其形状与W相同
• 训练循环trianing loop：
  1. 抽取训练样本x和对应目标的y组成的数据批量
  2. 在x上运行网络【这一步叫前向传播（forward pass)】，得到预测值y_pred。
  3. 计算网络在这批数据上的损失，用于衡量y_pred和y之间的距离。
  4. 更新网络的所有权重，使网络在这批数据上的损失略微下降
     • 可以采用随机梯度下降（小批量随机梯度下降SGD）：
       计算损失相对于网络参数的梯度【一次反向传播（backward pass)】
       将参数沿着梯度的反方向移动一点，比如W -= step*gradient，从而使这批数据的损失减小一点