干货|吴恩达 DeepLearning.ai 课程提炼笔记（1-3）神经网络和深度学习 --- 浅层神经网络

以下为在Coursera上吴恩达老师的DeepLearning.ai课程项目中，第一部分《神经网络和深度学习》第三周课程部分关键点的笔记。

笔记并不包含全部小视频课程的记录，如需学习笔记中舍弃的内容请至Coursera 或者 网易云课堂。同时在阅读以下笔记之前，强烈建议先学习吴恩达老师的视频课程。

1神经网络表示

简单神经网络示意图：

神经网络基本的结构和符号可以从上面的图中看出，这里不再复述。

主要需要注意的一点，是层与层之间参数矩阵的规格大小：

2计算神经网络的输出

除输入层之外每层的计算输出可由下图总结出：

其中，每个结点都对应这两个部分的运算，z运算和a运算。 在编程中，我们使用向量化去计算神经网络的输出：

在对应图中的神经网络结构，我们只用Python代码去实现右边的四个公式即可实现神经网络的输出计算。

3向量化实现

假定在m个训练样本的神经网络中，计算神经网络的输出，用向量化的方法去实现可以避免在程序中使用for循环，提高计算的速度。

下面是实现向量化的解释：

通过向量化，可以更加便捷快速地实现神经网络的计算。

4激活函数的选择

几种不同的激活函数 g(x) ：

激活函数的选择：

sigmoid函数和tanh函数比较：

然而sigmoid和tanh函数在当 |z| 很大的时候，梯度会很小，在依据梯度的算法中，更新在后期会变得很慢。在实际应用中，要使 |z| 尽可能的落在0值附近。

ReLU弥补了前两者的缺陷，当 z>0 时，梯度始终为1，从而提高神经网络基于梯度算法的运算速度。然而当 z<0 时，梯度一直为0，但是实际的运用中，该缺陷的影响不是很大。

Leaky ReLU保证在 z<0 的时候，梯度仍然不为0。

在选择激活函数的时候，如果在不知道该选什么的时候就选择ReLU，当然也没有固定答案，要依据实际问题在交叉验证集合中进行验证分析。

5神经网络的梯度下降法

以本节中的浅层神经网络为例，我们给出神经网络的梯度下降法的公式。

下面为该例子的神经网络反向梯度下降公式（左）和其代码向量化（右）：

6随机初始化

如果在初始时，两个隐藏神经元的参数设置为相同的大小，那么两个隐藏神经元对输出单元的影响也是相同的，通过反向梯度下降去进行计算的时候，会得到同样的梯度大小，所以在经过多次迭代后，两个隐藏层单位仍然是对称的。无论设置多少个隐藏单元，其最终的影响都是相同的，那么多个隐藏神经元就没有了意义。

在初始化的时候， W 参数要进行随机初始化， b 则不存在对称性的问题它可以设置为0。 以2个输入，2个隐藏神经元为例：

W = np.random.rand((2,2))* 0.01
b = np.zero((2,1))

这里我们将W的值乘以0.01是为了尽可能使得权重W初始化为较小的值，这是因为如果使用sigmoid函数或者tanh函数作为激活函数时，W比较小，则 Z = WX+b 所得的值也比较小，处在0的附近，0点区域的附近梯度较大，能够大大提高算法的更新速度。而如果W设置的太大的话，得到的梯度较小，训练过程因此会变得很慢。

ReLU和Leaky ReLU作为激活函数时，不存在这种问题，因为在大于0的时候，梯度均为1。

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