A. 神经网络算法是什么
Introction
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神经网络是新技术领域中的一个时尚词汇。很多人听过这个词，但很少人真正明白它是什么。本文的目的是介绍所有关于神经网络的基本包括它的功能、一般结构、相关术语、类型及其应用。
“神经网络”这个词实际是来自于生物学，而我们所指的神经网络正确的名称应该是“人工神经网络（ANNs）”。在本文，我会同时使用这两个互换的术语。
一个真正的神经网络是由数个至数十亿个被称为神经元的细胞（组成我们大脑的微小细胞）所组成，它们以不同方式连接而型成网络。人工神经网络就是尝试模拟这种生物学上的体系结构及其操作。在这里有一个难题：我们对生物学上的神经网络知道的不多！因此，不同类型之间的神经网络体系结构有很大的不同，我们所知道的只是神经元基本的结构。
The neuron
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虽然已经确认在我们的大脑中有大约50至500种不同的神经元，但它们大部份都是基于基本神经元的特别细胞。基本神经元包含有synapses、soma、axon及dendrites。Synapses负责神经元之间的连接，它们不是直接物理上连接的，而是它们之间有一个很小的空隙允许电子讯号从一个神经元跳到另一个神经元。然后这些电子讯号会交给soma处理及以其内部电子讯号将处理结果传递给axon。而axon会将这些讯号分发给dendrites。最后，dendrites带着这些讯号再交给其它的synapses，再继续下一个循环。
如同生物学上的基本神经元，人工的神经网络也有基本的神经元。每个神经元有特定数量的输入，也会为每个神经元设定权重（weight）。权重是对所输入的资料的重要性的一个指标。然后，神经元会计算出权重合计值（net value），而权重合计值就是将所有输入乘以它们的权重的合计。每个神经元都有它们各自的临界值（threshold），而当权重合计值大于临界值时，神经元会输出1。相反，则输出0。最后，输出会被传送给与该神经元连接的其它神经元继续剩余的计算。
Learning
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正如上述所写，问题的核心是权重及临界值是该如何设定的呢？世界上有很多不同的训练方式，就如网络类型一样多。但有些比较出名的包括back-propagation, delta rule及Kohonen训练模式。
由于结构体系的不同，训练的规则也不相同，但大部份的规则可以被分为二大类别 - 监管的及非监管的。监管方式的训练规则需要“教师”告诉他们特定的输入应该作出怎样的输出。然后训练规则会调整所有需要的权重值（这是网络中是非常复杂的），而整个过程会重头开始直至数据可以被网络正确的分析出来。监管方式的训练模式包括有back-propagation及delta rule。非监管方式的规则无需教师，因为他们所产生的输出会被进一步评估。
Architecture
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在神经网络中，遵守明确的规则一词是最“模糊不清”的。因为有太多不同种类的网络，由简单的布尔网络（Perceptrons），至复杂的自我调整网络（Kohonen），至热动态性网络模型（Boltzmann machines）！而这些，都遵守一个网络体系结构的标准。
一个网络包括有多个神经元“层”，输入层、隐蔽层及输出层。输入层负责接收输入及分发到隐蔽层（因为用户看不见这些层，所以见做隐蔽层）。这些隐蔽层负责所需的计算及输出结果给输出层，而用户则可以看到最终结果。现在，为免混淆，不会在这里更深入的探讨体系结构这一话题。对于不同神经网络的更多详细资料可以看Generation5 essays
尽管我们讨论过神经元、训练及体系结构，但我们还不清楚神经网络实际做些什么。
The Function of ANNs
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神经网络被设计为与图案一起工作 - 它们可以被分为分类式或联想式。分类式网络可以接受一组数，然后将其分类。例如ONR程序接受一个数字的影象而输出这个数字。或者PPDA32程序接受一个坐标而将它分类成A类或B类（类别是由所提供的训练决定的）。更多实际用途可以看Applications in the Military中的军事雷达，该雷达可以分别出车辆或树。
联想模式接受一组数而输出另一组。例如HIR程序接受一个‘脏’图像而输出一个它所学过而最接近的一个图像。联想模式更可应用于复杂的应用程序，如签名、面部、指纹识别等。
The Ups and Downs of Neural Networks
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神经网络在这个领域中有很多优点，使得它越来越流行。它在类型分类/识别方面非常出色。神经网络可以处理例外及不正常的输入数据，这对于很多系统都很重要（例如雷达及声波定位系统）。很多神经网络都是模仿生物神经网络的，即是他们仿照大脑的运作方式工作。神经网络也得助于神经系统科学的发展，使它可以像人类一样准确地辨别物件而有电脑的速度！前途是光明的，但现在...
是的，神经网络也有些不好的地方。这通常都是因为缺乏足够强大的硬件。神经网络的力量源自于以并行方式处理资讯，即是同时处理多项数据。因此，要一个串行的机器模拟并行处理是非常耗时的。
神经网络的另一个问题是对某一个问题构建网络所定义的条件不足 - 有太多因素需要考虑：训练的算法、体系结构、每层的神经元个数、有多少层、数据的表现等，还有其它更多因素。因此，随着时间越来越重要，大部份公司不可能负担重复的开发神经网络去有效地解决问题。
NN 神经网络，Neural Network
ANNs 人工神经网络，Artificial Neural Networks
neurons 神经元
synapses 神经键
self-organizing networks 自我调整网络
networks modelling thermodynamic properties 热动态性网络模型
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网格算法我没听说过
好像只有网格计算这个词
网格计算是伴随着互联网技术而迅速发展起来的，专门针对复杂科学计算的新型计算模式。这种计算模式是利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一个“虚拟的超级计算机”，其中每一台参与计算的计算机就是一个“节点”，而整个计算是由成千上万个“节点”组成的“一张网格”， 所以这种计算方式叫网格计算。这样组织起来的“虚拟的超级计算机”有两个优势，一个是数据处理能力超强；另一个是能充分利用网上的闲置处理能力。简单地讲，网格是把整个网络整合成一台巨大的超级计算机，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享。
B. 神经网络算法
20 世纪五、六⼗年代，科学家 Frank Rosenblatt其受到 Warren McCulloch 和 Walter Pitts早期的⼯作的影响，发明了感知机（Perceptrons）。
⼀个感知器接受⼏个⼆进制输⼊， ，并产⽣⼀个⼆进制输出：
如上图所示的感知机有三个输⼊： 。通常可以有更多或更少输⼊。 我们再引⼊权重： ，衡量输入对输出的重要性。感知机的输出为0 或者 1，则由分配权重后的总和 ⼩于等于或者⼤于阈值决定。和权重⼀样，阈值（threshold）是⼀个实数，⼀个神经元的参数。⽤更精确的代数形式如下：
给三个因素设置权重来作出决定：
可以把这三个因素对应地⽤⼆进制变量 来表⽰。例如，如果天⽓好，我们把
，如果不好， 。类似地，如果你的朋友陪你去， ，否则 。 也类似。
这三个对于可能对你来说，“电影好不好看”对你来说最重要，而天气显得不是那么的重要。所以你会这样分配权值： ，然后定义阈值threshold=5。
现在，你可以使⽤感知器来给这种决策建⽴数学模型。
例如：
随着权重和阈值的变化，你可以得到不同的决策模型。很明显，感知机不是⼈做出决策使⽤的全部模型。但是这个例⼦说明了⼀个感知机如何能权衡不同的依据来决策。这看上去也可以⼤致解释⼀个感知机⽹络有时确实能够做出一些不错的决定。
现在我们队上面的结构做一点变化，令b=-threshold，即把阈值移到不等号左边，变成偏置， 那么感知器的规则可以重写为:
引⼊偏置只是我们描述感知器的⼀个很⼩的变动，但是我们后⾯会看到它引导更进⼀步的符号简化。因此，我们不再⽤阈值，⽽总是使⽤偏置。
感知机是首个可以学习的人工神经网络，它的出现引起的神经网络的第一层高潮。需要指出的是，感知机只能做简单的线性分类任务，而且Minsky在1969年出版的《Perceptron》书中，证明了感知机对XOR（异或）这样的问题都无法解决。但是感知机的提出，对神经网络的发展是具有重要意义的。
通过上面的感知机的观察我们发现一个问题，每个感知机的输出只有0和1，这就意味着有时我们只是在单个感知机上稍微修改了一点点权值w或者偏置b，就可能造成最终输出完全的反转。也就是说，感知机的输出是一个阶跃函数。如下图所示，在0附近的时候，输出的变化是非常明显的，而在远离0的地方，我们可能调整好久参数也不会发生输出的变化。
这样阶跃的跳变并不是我们想要的，我们需要的是当我们队权值w或者偏置b做出微小的调整后，输出也相应的发生微小的改变芹则禅。这同时也意味值我们的输出不再只是0和1，还可以输出小数。由此我们引入了S型神经元。
S型神经元使用 S 型函数，也叫Sigmoid function函数，我们用它作为激活函数。其表达式如下：
图像如下图所示：
利⽤实际的 σ 函数，我们得到⼀个，就像上⾯说明的，平滑的感知器。 σ 函数的平滑特性，正是关键因素，⽽不是其细部形式盯明。 σ 的平滑意味着权重和偏置的微⼩变化，即 ∆w 和 ∆b，会从神经元产⽣⼀个微⼩的输出变化 ∆output。实际上，微积分告诉我们
∆output 可以很好地近似表⽰为：
上面的式子是⼀个反映权重、偏置变化嫌尘和输出变化的线性函数。这⼀线性使得我们可以通过选择权重和偏置的微⼩变化来达到输出的微⼩变化。所以当 S 型神经元和感知器本质上是相同的，但S型神经元在计算处理如何变化权重和偏置来使输出变化的时候会更加容易。
有了对S型神经元的了解，我们就可以介绍神经网络的基本结构了。具体如下：
在⽹络中最左边的称为输⼊层，其中的神经元称为输⼊神经元。最右边的，即输出层包含有输出神经元，在图中，输出层只有⼀个神经元。中间层，既然这层中的神经元既不是输⼊也不是输出，则被称为隐藏层。
这就是神经网络的基本结构，随着后面的发展神经网络的层数也随之不断增加和复杂。
我们回顾一下神经网络发展的历程。神经网络的发展历史曲折荡漾，既有被人捧上天的时刻，也有摔落在街头无人问津的时段，中间经历了数次大起大落。
从单层神经网络（感知机）开始，到包含一个隐藏层的两层神经网络，再到多层的深度神经网络，一共有三次兴起过程。详见下图。
我们希望有⼀个算法，能让我们找到权重和偏置，以⾄于⽹络的输出 y(x) 能够拟合所有的 训练输⼊ x。为了量化我们如何实现这个⽬标，我们定义⼀个代价函数：
这⾥ w 表⽰所有的⽹络中权重的集合， b 是所有的偏置， n 是训练输⼊数据的个数，
a 是表⽰当输⼊为 x 时输出的向量，求和则是在总的训练输⼊ x 上进⾏的。当然，输出 a 取决于 x, w和 b，但是为了保持符号的简洁性，我没有明确地指出这种依赖关系。符号 ∥v∥ 是指向量 v 的模。我们把 C 称为⼆次代价函数；有时也称被称为均⽅误差或者 MSE。观察⼆次代价函数的形式我们可以看到 C(w, b) 是⾮负的，因为求和公式中的每⼀项都是⾮负的。此外，代价函数 C(w,b)的值相当⼩，即 C(w; b) ≈ 0，精确地说，是当对于所有的训练输⼊ x， y(x) 接近于输出 a 时。因
此如果我们的学习算法能找到合适的权重和偏置，使得 C(w; b) ≈ 0，它就能很好地⼯作。相反，当 C(w; b) 很⼤时就不怎么好了，那意味着对于⼤量地输⼊， y(x) 与输出 a 相差很⼤。因此我们的训练算法的⽬的，是最⼩化权重和偏置的代价函数 C(w; b)。换句话说，我们想要找到⼀系列能让代价尽可能⼩的权重和偏置。我们将采⽤称为梯度下降的算法来达到这个⽬的。
下面我们将代价函数简化为C(v)。它可以是任意的多元实值函数， 。
注意我们⽤ v 代替了 w 和 b 以强调它可能是任意的函数，我们现在先不局限于神经⽹络的环境。
为了使问题更加简单我们先考虑两个变量的情况，想象 C 是⼀个只有两个变量 和 的函数，我们的目的是找到 和 使得C最小。
如上图所示，我们的目的就是找到局部最小值。对于这样的一个问题，一种方法就是通过微积分的方法来解决，我们可以通过计算导数来求解C的极值点。但是对于神经网络来说，我们往往面对的是非常道的权值和偏置，也就是说v的维数不只是两维，有可能是亿万维的。对于一个高维的函数C(v)求导数几乎是不可能的。
在这种情况下，有人提出了一个有趣的算法。想象一下一个小球从山顶滚下山谷的过程， 我们的⽇常经验告诉我们这个球最终会滚到⾕底。我们先暂时忽略相关的物理定理， 对球体的⾁眼观察是为了激发我们的想象⽽不是束缚我们的思维。因此与其陷进物理学⾥凌乱的细节，不如我们就这样问⾃⼰：如果我们扮演⼀天的上帝，能够构造⾃⼰的物理定律，能够⽀配球体可以如何滚动，那么我们将会采取什么样的运动学定律来让球体能够总是滚落到⾕底呢？
为了更精确地描述这个问题，让我们思考⼀下，当我们在 和 ⽅向分别将球体移动⼀个很⼩的量，即 ∆ 和 ∆ 时，球体将会发⽣什么情况。微积分告诉我们 C 将会有如下变化：
也可以用向量表示为
现在我们的问题就转换为不断寻找一个小于0的∆C，使得C+∆C不断变小。
假设我们选取：
这⾥的 η 是个很⼩的正数（称为学习速率），于是
由于 ∥∇C∥2 ≥ 0，这保证了 ∆C ≤ 0，即，如果我们按照上述⽅程的规则去改变 v，那么 C
会⼀直减⼩，不会增加。
所以我们可以通过不断改变v来C的值不断下降，是小球滚到最低点。
总结⼀下，梯度下降算法⼯作的⽅式就是重复计算梯度 ∇C，然后沿着相反的⽅向移动，沿着⼭⾕“滚落”。我们可以想象它像这样：
为了使梯度下降能够正确地运⾏，我们需要选择合适的学习速率η，确保C不断减少，直到找到最小值。
知道了两个变量的函数 C 的梯度下降方法，我们可以很容易的把它推广到多维。我们假设 C 是⼀个有 m 个变量 的多元函数。 ∆C 将会变为：
其中， ∇C为
∆v为：
更新规则为：
在回到神经网络中，w和b的更新规则为：
前面提到神经⽹络如何使⽤梯度下降算法来学习他们⾃⾝的权重和偏置。但是，这⾥还留下了⼀个问题：我们并没有讨论如何计算代价函数的梯度。这里就需要用到一个非常重要的算法：反向传播算法（backpropagation）。
反向传播算法的启示是数学中的链式法则。
四个方程：
输出层误差方程：
当前层误差方程：
误差方程关于偏置的关系：
误差方程关于权值的关系
算法描述：
检视这个算法，你可以看到为何它被称作反向传播。我们从最后⼀层开始向后计算误差向量δ。这看起来有点奇怪，为何要从后⾯开始。但是如果你认真思考反向传播的证明，这种反向移动其实是代价函数是⽹络输出的函数的结果。为了理解代价随前⾯层的权重和偏置变化的规律，我们需要重复作⽤链式法则，反向地获得需要的表达式。
参考链接： http://neuralnetworksanddeeplearning.com/