[Python人工智能] 一.白话神经网络和AI概念入门普及

从本篇文章开始，作者正式开始讲解Python深度学习、神经网络及人工智能相关知识，希望您喜欢。

第一篇文章主要讲解神经网络基础概念，主要结合作者之前的博客和"莫烦大神"的视频介绍，后面随着深入会讲解具体的项目及应用。基础性文章，希望对您有所帮助，如果文章中存在错误或不足之处，还请海涵。同时自己也是人工智能的菜鸟，希望大家能与我在这一笔一划的博客中成长起来。

文章目录：

• 一.白话神经网络
• 二.神经网络概念梳理

代码下载地址（欢迎大家关注点赞）：

• https://github.com/eastmountyxz/ AI-for-TensorFlow
• https://github.com/eastmountyxz/ AI-for-Keras

一.白话神经网络

第一部分将简单讲解"莫烦大神"网易云课程对神经网络的介绍，讲得清晰透彻，推荐大家阅读；第二部分将讲述我的理解。开始吧！让我们一起进入神经网络和TensorFlow的世界。

首先，什么是神经网络（Neural Networks）？ 计算机神经网络是一种模仿生物神经网络或动物神经中枢，特别是大脑的结构和功能，它是一种数学模型或计算机模型。神经网络由大量的神经元连接并进行计算，大多数情况下人工神经网络能在外界信息的基础上改变内部结构，是一种自适应的过程。

现代神经网络是一种基于传统统计学建模的工具，常用来对输入和输出间复杂的关系进行建模，或探索数据间的模式，神经网络是一种运算模型，有大量的节点或神经元及其联系构成。和人类的神经元一样，它们负责传递信息和加工信息，神经元也能被训练或强化，形成固定的神经形态，对特殊的信息有更强烈的反应。

神经网络是如何工作的呢？ 如上图所示，不管这是一只跳跃飞奔的猫，或是一只静静思考的猫，你都知道它是一只猫，因为你的大脑已经被告知过圆眼睛、毛茸茸、尖耳朵的就是猫，你通过成熟的视觉神经系统判断它是猫。

计算机也是一样，通过不断的训练，告诉哪些是猫、哪些是狗、哪些是猪，它们会通过数学模型来概括这些学习的判断，最终以数学的形式（0或1）来分类。目前，谷歌、百度图片搜索都能清晰识别事物，这些都归功于计算机神经系统的飞速发展。

神经网络系统由多层神经层构成，为了区分不同的神经层，我们分为：

• 输入层：直接接收信息的神经层，比如接收一张猫的图片。
• 输出层：信息在神经元中传递中转和分析权衡，形成输出结果，通过该层输出的结果可以看出计算机对事物的认知。
• 隐藏层：在输入和输出层之间的众多神经元连接组成的各个层面，可以有多层，负责对传入信息的加工处理，经过多层加工才能衍生出对认知的理解。

神经网络举例说明 如下图所示，通常来说，计算机处理的东西和人类有所不同，无论是声音、图片还是文字，它们都只能以数字0或1出现在计算机神经网络里。神经网络看到的图片其实都是一堆数字，对数字的加工处理最终生成另一堆数字，并且具有一定认知上的意义，通过一点点的处理能够得知计算机到底判断这张图片是猫还是狗。

计算机是怎么训练的呢？ 首先，需要很多的数据，比如需要计算机判断是猫还是狗，就需要准备上千万张有标记的图片，然后再进行上千万次的训练。计算机通过训练或强化学习判断猫，将获取的特征转换为数学的形式。

我们需要做的就是只给计算机看图片，然后让它给我们一个不成熟也不准确的答案，有可能100次答案中有10%是正确的。如果给计算机看图片是一张飞奔的猫（如下图），但计算机可能识别成一条狗，尽管它识别错误，但这个错误对计算机是非常有价值的，可以用这次错误的经验作为一名好老师，不断学习经验。

那么计算机是如何学习经验的呢？ 它是通过对比预测答案和真实答案的差别，然后把这种差别再反向传递回去，修改神经元的权重，让每个神经元向正确的方向改动一点点，这样到下次识别时，通过所有改进的神经网络，计算机识别的正确率会有所提高。最终每一次的一点点，累加上千万次的训练，就会朝正确的方向上迈出一大步。

最后到验收结果的时候，给计算机再次显示猫的图片时，它就能正确预测这是一只猫。

激励函数是什么东东？ 接着再进一步看看神经网络是怎么训练的。原来在计算机里每一个神经元都有属于它的激励函数（Active Function），我们可以利用这些激励函数给计算机一个刺激行为。当我们第一次给计算机看一只飞奔的猫时，神经网络中只有部分神经元被激活或激励，被激活传递下去的信息是计算机最为重视的信息，也是对输出结果最有价值的信息。

如果预测的结果是一只狗，所有神经元的参数就会被调整，这时有一些容易被激活的神经元就会变得迟钝，而另一些会变得敏感起来，这就说明了所有神经元参数正在被修改，变得对图片真正重要的信息敏感，从而被改动的参数就能渐渐预测出正确的答案，它就是一只猫。这就是神经网络的加工过程。

至此，神经网络简单的普及就介绍结束。

二.神经网络概念梳理

前面通过白话文讲述了神经网络之后，接下来我们对神经网络的概念从头再梳理一遍，这也是为后续深入学习奠定基础。

神经网络(也称人工神经网络，ANN)算法是80年代机器学习界非常流行的算法，不过在90年代中途衰落。现在，携着“深度学习”之势，神经网络重装归来，重新成为最强大的机器学习算法之一。

人工神经网络（Artificial Neural Network，缩写ANN），是一种模仿生物神经网络的结构和功能的数学模型或计算模型。神经网络由大量的人工神经元联结进行计算。其来源于生物，故吴老先先讲述了生物神经网络的基础知识，从而进行引入。

神经细胞通过轴突将信号传递给其他的神经细胞，通过树突向各个方向接受信号。

神经细胞利用电-化学过程交换信号。输入信号来自另一些神经细胞。这些神经细胞的轴突末梢（也就是终端）和本神经细胞的树突相遇形成突触（synapse），信号就从树突上的突触进入本细胞。

信号在大脑中实际怎样传输是一个相当复杂的过程，但就我们而言，重要的是把它看成和现代的计算机一样，利用一系列的0和1来进行操作。就是说，大脑的神经细胞也只有两种状态：兴奋（fire）和不兴奋（即抑制）。

神经细胞利用一种我们还不知道的方法，把所有从树突突触上进来的信号进行相加，如果全部信号的总和超过某个阈值，就会激发神经细胞进入兴奋（fire）状态，这时就会有一个电信号通过轴突发送出去给其他神经细胞。如果信号总和没有达到阈值，神经细胞就不会兴奋起来。这样的解释有点过分简单化，但已能满足我们的目的。

由于人脑具有以下几个特点：

• 能实现无监督的学习 大脑能够自己进行学习，而不需要导师的监督教导。如果一个神经细胞在一段时间内受到高频率的刺激，则它和输入信号的神经细胞之间的连接强度就会按某种过程改变，使得该神经细胞下一次受到激励时更容易兴奋。
• 对损伤有冗余性(tolerance) 大脑即使有很大一部分受到了损伤, 它仍然能够执行复杂的工作。
• 处理信息的效率极高 神经细胞之间电-化学信号的传递，与一台数字计算机中CPU的数据传输相比，速度是非常慢的，但因神经细胞采用了并行的工作方式，使得大脑能够同时处理大量的数据。例如，大脑视觉皮层在处理通过我们的视网膜输入的一幅图像信号时，大约只要100ms的时间就能完成，眼睛并发执行。
• 善于归纳推广 大脑和数字计算机不同，它极擅长的事情之一就是模式识别，并能根据已熟悉信息进行归纳推广(generlize)。例如，我们能够阅读他人所写的手稿上的文字，即使我们以前从来没见过他所写的东西。
• 它是有意识的

如下图所示，它表示的是一个人工神经细胞。其中：

• 输入(Input)
• 权重(Weight)：左边五个灰色圆底字母w代表浮点数
• 激励函数(Activation Function)：大圆，所有经过权重调整后的输入加起来，形成单个的激励值
• 输出(Output)：神经细胞的输出

进入人工神经细胞的每一个input(输入)都与一个权重w相联系，正是这些权重将决定神经网络的整体活跃性。假设权重为-1和1之间的一个随机数，权重可正可负（激发和抑制作用）。

当输入信号进入神经细胞时，它们的值将与它们对应的权重相乘，作为图中大圆的输入。如果激励值超过某个阀值（假设阀值为1.0），就会产生一个值为1的信号输出；如果激励值小于阀值1.0，则输出一个0。这是人工神经细胞激励函数的一种最简单的类型。涉及的数学知识如下图所示：

如果最后计算的结果激励值大于阈值1.0，则神经细胞就输出1；如果激励值小于阈值则输出0。这和一个生物神经细胞的兴奋状态或抑制状态是等价的。下面图是通过神经网络实现逻辑表达式与运算：（参考NG斯坦福机器学习讲义）

可以看到x1和x2变量作为神经网络的输入，当它们取不同的0或1值时，其结果通过sigmod函数计算的值是不同的。它模拟了整个AND运算。

该图中神经网络共有三层 ( 注意，输入层不是神经细胞，神经细胞只有两层 )：

• 输入层中的每个输入都馈送到了隐藏层，作为该层每一个神经细胞的输入；然后，从隐藏层的每个神经细胞的输出都连到了它下一层（即输出层）的每一个神经细胞。

注意：

• 图中仅仅画了一个隐藏层，作为前馈网络，一般地可以有任意多个隐藏层。但在对付你将处理的大多数问题时一层通常是足够的。
• 事实上，有一些问题甚至根本不需要任何隐藏单元，你只要把那些输入直接连接到输出神经细胞就行了。
• 每一层实际都可以有任何数目的神经细胞，这完全取决于要解决的问题的复杂性。但神经细胞数目愈多，网络的工作速度也就愈低，网络的规模总是要求保持尽可能的小。

神经网络体系创建成功后，它必须接受训练来认出数字4，方法：

• 先把神经网络的所有权重初始化为任意值；
• 再给它一系列输入代表面板不同配置的输入，对每种输入配置，检查它的输出是什么，并调整相应权重；
• 如果我们送给网络的输入模式不是4，则我们知道网络应该输出一个0。因此每个非4字符时，网络权重应进行调整，使得它的输出趋向于0；当代表4的模式输送给网络时，则应把权重调整到使其输出趋向于1；
• 可以进一步识别0到9的所有数字或字母，其本质是手写识别的工作原理;
• 最后，网络不单能认识已经训练的笔迹，还显示了它有显著的归纳和推广能力。

正是这种归纳推广能力，使得神经网络已经成为能够用于无数应用的一种无价的工具，从人脸识别、医学诊断，直到跑马赛的预测，另外还有电脑游戏中的bot（作为游戏角色的机器人）的导航，或者硬件的robot（真正的机器人）的导航。

上图会演示神经网络在图像识别领域的一个著名应用，这个程序叫做LeNet，是一个基于多个隐层构建的神经网络。通过LeNet可以识别多种手写数字，并且达到很高的识别精度与拥有较好的鲁棒性。LeNet的发明人是机器学习的大牛Yann LeCun（目前google）。

右下方的方形中显示的是输入计算机的图像，方形上方的红色字样“answer”后面显示的是计算机的输出。左边的三条竖直的图像列显示的是神经网络中三个隐藏层的输出，可以看出，随着层次的不断深入，越深的层次处理的细节越低，例如层3基本处理的都已经是线的细节了。

这种类型的训练称作有监督的学习（supervised learnig），用来训练的数据称为训练集（training set）。调整权重可以采用许多不同的方法。对本类问题最常用的方法就是反向传播（backpropagation，简称backprop或BP）方法，即BP神经网络。

你自己可以去学习另外的一种训练方式，即根本不需要任何导师来监督的训练，或称无监督学习（unsupervised learnig）。

下图是神经网络的简单回顾与总结：

最后给大家看一个利用神经网络对图片进行分类的例子：过程就不详细论述了，图片很清晰，对人、汽车、摩托车、卡车进行图片识别，而具体的隐藏层函数需要大家去深入研究，加油！

参考文献如下，感谢这些大佬！

• 神经网络和机器学习基础入门分享 - Eastmount
• Stanford机器学习—第五讲. 神经网络的学习 Neural Networks learning
• 吴祖增前辈：神经网络入门(连载之一)
• 吴祖增前辈：神经网络入门(连载之二)
• 斯坦福机器学习视频NG教授：
• https://class.coursera.org/ml/class/index
• 网易云莫烦老师视频（强推） https://study.163.com/course/courseLearn.htm?courseId=1003209007
• https://zhuanlan.zhihu.com/p/148312957 - DrugAI好友