关于javascript:加推实战之全栈JS神经网络

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脑机接口时代曾经到来？作为万能分类器，各类神经网络在近年有了长足的倒退

比方卷积神经网络，也在现在的图片辨认畛域获得最好的问题

明天的指标是 JS 手撕通用神经网络????，无任何库依赖

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神经网络概述

• 人工神经网络（Artificial Neural Networks，简写为 ANNs）也简称为神经网络（NNs）或称作连贯模型（Connectionist Model），是对人脑或天然神经网络（Natural Neural Network）「若干」 根本个性的形象和模仿。

• 俺们的神经元看上去很厉害
• 目前在神经网络钻研办法上已造成多个流派，最富有成果的钻研工作包含：多层网络 BP 算法，Hopfield 网络模型，自适应共振实践，自组织特色映射实践等。人工神经网络是在古代神经科学的根底上提出来的。它尽管反映了人脑性能的基本特征，但远不是天然神经网络的真切刻画，而只是它的某种简化形象和模仿。
• 明天大抵的学习流程，日常问题 => 感知机 => 向前流传 => 向后流传 => 多层 BP 神经网络 -> 案例 => 小结
• 为啥要学习？机器始终在学习，作为人类请放弃学习????

日常数据分类问题

简略感受一下

• 先看个动图

• 上图的过程，就是通过机器学习，最终确定一组参数，最初将 2 组数据尽可能离开????
• 通过一条直线进行分类，就是线性分类器

再来看一个经典分类例子

• 逻辑电路中咱们都学过与门，或门，与非门，或非门，异或门
• 「题外话」：门电路造成组合逻辑，触发器组合造成时序逻辑，2 者独特实现数字逻辑，最终造成俺们的 CPU????。。。
• 输出 => 输入 的真值表，如下图

• 除了 XOR，其余逻辑操作真值表 都能够被一条直线划分，如下图

• 1 条直线根本闯天下，但 XOR 呢，无奈用一条直线搞定，那应该如何？???? 一朵小乌云？

• 看一下 无奈线性分类的动图，机器一直学习，但陷入震荡????

相似 XOR 分类的解决方案

• 咱们能够用各种机器学习实现，类 XOR 数据集分类，如下图

• 明天要用的是上图中，左下模式 - 神经网络，实现非线性分类器????

人工神经网络

感知机

• 感知机（perceptron）是由美国学者 Frank Rosenblatt 在 1957 年提出来的，感知机是神经网络（深度学习）的起源算法
• 能够简略的认为一个感知机就是一个神经元，承受输出，解决后输入，也能够输出到下一个感知机????
• 一个感知机，由多个输出，其中，参数 w 叫做权值向量 (weight)，b 称为偏置 (bias)，activation function 是激活函数，最终得出 Oj
• 留神 b 在上图没有明确标注出, 能够认为是一个截距, 每个感知机对应 1 个 b
• 整个感知机，了解起来是很简略的，他模仿了生物神经元的特定性能????
• 下面的 f（x），你能够简略认为就是一条直线，所以对于除了 XOR 的逻辑门，咱们能够通过 1 个感知机进行分类
• 上面咱们会用 JS 建设一个感知单元类。
• 神经网络次要有三个基本要素：「权重、偏置和激活函数」，咱们的指标就是调整这 3 个参数

激活函数

• 起非线性映射的作用，其可将神经元的输入幅度限度在肯定范畴内，个别限度在（-1～1）或（0～1）之间。最罕用的激活函数是 Sigmoid 函数。
• Sigmoid 函数在之前文章中有提及

• 上面代码中咱们会实现，3 种激活函数，及其导数

多层感知机 - 神经网络

• 先看动图

• 上图有 1 层输出层，2 层暗藏层，1 层输入层
• 输出层有 2 个维度输出，输入层有 2 个维度输入
• 大部分的分类工作，用 2 层暗藏层网络足矣

正向流传

• 多层神经网络的正向流传大概是这样的:

• 输出的手写数字，通过 2 层，暗藏层后，取得了 0-9，10 个分类
• 为啥会失去 0 -9，那是由外面的 w 参数，b 参数，激活函数，确定的。你要做的只是乘起来求和
• 784 是什么鬼？28×28，每张图片的像素个数 ????，这里应用了 one-hot 独热编码
• 如何确定这些参数值呢？应用反向流传，也就是常说的学习（训练）

反向流传

• 如果正向流传是小学生，那反向流传一下就跳到了大学预备班????，可能这就是所谓后方高能吧
• 咱们尽可能简略的叙述这个过程

复合函数的偏导 链式法则

• 为啥要这么简单？
• 因为在 w，b 不确定的时候，咱们先通过正向流传得出一个值，这个值和实在的值的差，造成一个损失函数 Loss()
• 咱们要做的就是 调整 这些 w 和 b 值，求 Loss 函数的最小值
• 咱们通过几百上千次的微调 这些 w 和 b 来让残差（理论和预测的差）变小
• 而这些微调，咱们用数学语言就是求 L 函数的 w 偏导 b 偏导
• 整个过程如下：

• “正向流传”求损失，“反向流传”传误差。同时，神经网络每层的每个神经元都能够依据误差信号修改每层的 w 和 b 的值
• 上图的 δ 就是梯度，别搞错是一个向量哦????
• 了解这个过程，写出代码并不难????
• 而这个一直微调的过程咱们叫梯度降落法：

• 上图对 J 函数求，θ0 和 θ1 的偏导，每次对多个参数调一点点，摸索着，找到复合函数的最小值 ????
• 最初，依据这些梯度值，更新 w，b 参数调整后的新值，进入下一轮正向流传
• 多层神经网络好比丹炉，而咱们失去的参数好比金丹。于是 AI 工程师，又被成为炼丹师

干货，上代码

• 首先是辅助函数

 function 
activeFunc (
x, type = 
'relu') {
  
let lamb = 
1.0507009873554804934193349852946
  
let alpha = 
1.6732632423543772848170429916717
  
let temp = 
0
  
switch (type) {
    
case 
'sign':
      
return x >= 
0 ? 
1 : 
-1
    
case 
'sigmoid':
      
return 
1 / (
1 + 
Math.exp(-x))
    
case 
'tanh':
      
return (Math.exp(x) - 
Math.exp(-x)) / (Math.exp(x) + 
Math.exp(-x))
    
case 
'relu':
      
return x > 
0 ? lamb * x : lamb * alpha * (Math.exp(x) - 
1)
    
case 
'diffsigmoid':
      x = 
1 / (
1 + 
Math.exp(-x))
      
return x * (1 - x)
    
case 
'difftanh':
      x = 
Math.tanh(x)
      
return 
1 - x ** 
2
    
case 
'diffrelu':
      
return x > 
0 ? 
1 : alpha * 
Math.exp(x)
  }
}
 function 
mse (realArr = [], predArr = []) {
  
return (
    realArr.reduce(
(a, b, idx) => a + (b - predArr[idx] || 
0) ** 
2, 
0) /
    realArr.length
  )
}
// 穿插熵损失函数备选
 function 
crossEntropy (a, y) {
  
return -y * 
Math.log(a) - (1 - y) * 
Math.log(1 - a)
} 

• 3 个罕用激活函数及其导数函数，做了一个 6 合 1 的函数，目标为了处处可微，并是输入非线性化。你也能够离开写
• 这点很重要否则，线性组合还是线性的，模型无奈进行简单拟合
• mse 平方差求和，目标为了计算残差，更好的察看模型逐渐收敛的过程
• 感知机类

 class 
Perceptron {constructor (inputObj = {}) {this.config = inputObj}
  
set config (o) {
    
this.type = o.type || 
'hidden' 
// input hidden output 神经元的类型 cov pool
    
this.inputDimNum = o.inputDimNum || 
2 
// 输出维度
    
this.outputDimNum = o.outputDimNum || 
2 
// 输入维度
    
this.inputArr = []
    
this.beforeOutput = 
0
    
this.output = 
0
    
this.activeFunc = o.activeFunc || 
'sigmoid'
    
this.wb =
      o.wb ||
      $.math.genRange(
1, 
this.inputDimNum, 
0).map(
 x =>
        randMinMax(
          -
Math.sqrt(
1 / 
this.inputDimNum), 
// 传统的初始化种子
          
Math.sqrt(
1 / 
this.inputDimNum)
        )
      ) 
//w 向量 0.5
    
if (!o.wb) 
this.wb.push(1) 
//b 设置成 1
    
this.wbT = $.math.mat.transpose([this.wb]) 
// w+ b 转置矩阵
    
this.derivative = 
0 
// 导数值
  }
  setWb (a) {
    
this.wb = a
    
this.wbT = $.math.mat.transpose([this.wb]) 
// w+ b 转置矩阵
  }
  predict (inputArr) {
    
if (inputArr.length < 
this.inputDimNum) 
throw 
new 
Error('输出维度太少')
    
this.inputArr = inputArr
    
this.beforeOutput = $.math.mat.mul([[...inputArr, 
1]], 
this.wbT)[0][0]
    
this.output = activeFunc(
this.beforeOutput, 
this.activeFunc)
    
return 
this.output
  }
} 

• 感知机类，次要实现 向前流传，就是属性多，其余很简略????
• 这里应用 predict 来实现 向前流传
• 向后流传，须要乘以误差矩阵，与偏导的乘积，作为上一层的误差矩阵，从尾部想神经网的头部传输

 function 
backPropagation (realArr) {
    
if (
typeof realArr === 
'number') {realArr = [realArr]
    }
    
// 第 L 行
    
let L = networkArr.length - 
1
    
let deltaArr = []
    
// 计算偏导
    
for (
let i = L; i > 
0; i--) {deltaArr[i] = []
      
if (i === L) {
        
for (
let d = 
0; d < networkArr[i]; d++) {deltaArr[i].push((networkObj[i][d].output - realArr[d]) *
              activeFunc(networkObj[i][d].beforeOutput, 
'diffsigmoid') 
// 最初一层的误差
          )
        }
      } 
else {let weightArr = []
        
for (
let k = 
0; k < networkArr[i + 
1]; k++) {
          weightArr.push(networkObj[i + 
1][k].wb)
        }
        
let weightArrT = $.math.mat.transpose(weightArr)
        
for (
let d = 
0; d < weightArrT.length - 
1; d++) {deltaArr[i][d] = 
0
          weightArrT[d].map(
(x, idx) => {deltaArr[i][d] +=
              deltaArr[i + 
1][idx] *
              x *
              activeFunc(networkObj[i][d].beforeOutput, 
'diffsigmoid') 
// 矩阵点乘
          })
        }
      }
    }
    
// 更新每一层的每个 wb 值
    
for (
let i = L; i > 
0; i--) {
      
for (
let k = 
0; k < networkArr[i]; k++) {let wbArr = networkObj[i][k].inputArr.map(
(x, idx) => {return x * deltaArr[i][k]
        })
        wbArr.push(deltaArr[i][k])
        networkObj[i][k].wb.map(
(x, idx) => {wbArr[idx] = x - learnRate * wbArr[idx]
        })
        networkObj[i][k].setWb(wbArr)
      }
    }
  } 

• 学习 Train 的过程，非常简单暴力

 let epoch = 
1e5 
// 世代 你也能够认为是迭代次数
 
for (i = 
0; i < epoch; i++) {let mseArr = []
    
for (
let k = 
0; k < data.length; k++) { 
// 数据行数
      forwardPropagation(data[k]) 
// 每个数据的维度
      backPropagation(dataTag[k]) 
// 每个数据的分类标记
    }
  } 

• 其次你须要一个 createNetwork 函数循环产生多个，感知机实例。代码太简略就列举了
• 对，这就完了，你的丹炉曾经搞定，能够开始炼丹了。????
• 以上矩阵基本操作，封装在 meeko 的代数外围库中。

实例执行

XOR 分类

• xor 无奈通过一般回归进行宰割，咱们看看本人的丹炉成果
• 2,2,2 1 个隐层网络

• 在 14485 次迭代后，误差忽然减小，这也是大部分神经网络学习的，特色，要急躁炼丹
• 最初输入的 就是金丹了，间接，拿这些 w 和 b 的参数，就能够间接断言 XOR 操作了
• 有了丹药，输入是霎时的。这也是大部分同学在网上下载他人训练好的模型的用法????

鸢尾花分类

• 咱们应用之前的 150 个 鸢尾花数据集，对花的种类进行分类
• 咱们把 3 类花，进行 one-hot 编码 [1,0,0] [0,1,0] [0,0,1] 代表 3 类，输出 4 维
• 在之前的《特色工程文章中》，咱们应用 PCA 将鸢尾花的维度从 4 维升高到了 2 维
• 本次，咱们先不降维，间接暴力应用神经网络分类????
• 咱们创立一个 10 个神经元的暗藏层

let networkArr = [
4, 
10, 
3]
networkObj = createNetwork(networkArr)
// 循环产生多层多个感知机

• 139 秒后，咱们在 87170 次迭代后，失去了满足阀值 eps 的丹药

• 咱们调整参数创立新的神经网络，2 个暗藏层，1 个有 10 个神经元的，1 个有 3 个神经元

let networkArr = [
4, 
10, 
3, 
3] 
// 这个构造是看到 matlab 鸢尾花例子用了这个参数
networkObj = createNetwork(networkArr) 

• 因为随机参数造成的差别，广泛来说 4,10,3,3 构造会比 4,10,3 好一些，训练工夫随网络变大而迅速减少。
• 但同样的 epoch，多层能够用更多的 参数可调，当然对于不同的数据集 状况有所不同。

• 几次运行下来，会发现常常有 1 个点 [6, 2.7, 5.1, 1.6]  没有被正确辨认

• 咱们作图看一下

• 这个点是在 2 个花种类之间，人工筛选也会呈现谬误。太高的网络层数 一样会造成过拟合，这个丹药（参数），最终是十分称心的。
• 用 784,100,10 这样的网络模型，能够训练手写 MINST 数据集 到 97%+ 的精准率，这是十分好玩的事件。
• 至此自建的多层神经网络，还是有肯定的精准性的????

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浏览器中运行也是妥妥的????

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进一步学习

• 支流神经网络退出了更多不同性能的节点，但万变不离其宗
• 比方罕用的卷积神经网，就退出了，卷积层和池化层????
• 参数的优化，次要有动静学习率，参数初始化办法，归一，动量，扭转降落形式等
• 对于神经网络咱们曾经现龙在田了
• 其余类型的神经网络

总结

• 理解通用人工神经网络的正、反向流传
• 理解多层神经网络，神经网络就是丹炉，取得的参数就是金丹
• 通过 JS 实现之，将算法用到理论业务场景，自动化所有，缩小人工
• 逐渐把握多层神经分类的技巧
• 理解其余支流神经网络