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直观理解神经网络最后一层全连接+Softmax

标签:
深度学习

写在前面

这篇文章将从3个角度:加权模版匹配几何来理解最后一层全连接+Softmax。掌握了这3种视角,可以更好地理解深度学习中的正则项、参数可视化以及一些损失函数背后的设计思想。

全连接层与Softmax回顾

深度神经网络的最后一层往往是全连接层+Softmax(分类网络),如下图所示,图片来自StackExchange

https://img1.sycdn.imooc.com//5c239cb300016bc707770419.jpg

先看一下计算方式全连接层将权重矩阵与输入向量相乘再加上偏置,将nn个(−∞,+∞)(−∞,+∞)的实数映射为KK个(−∞,+∞)(−∞,+∞)的实数(分数);Softmax将KK个(−∞,+∞)(−∞,+∞)的实数映射为KK个(0,1)(0,1)的实数(概率),同时保证它们之和为1。具体如下:

y^=softmax(z)=softmax(WTx+b)y^=softmax(z)=softmax(WTx+b)


其中,xx为全连接层的输入,Wn×KWn×K为权重,bb为偏置项,y^y^为Softmax输出的概率,Softmax的计算方式如下:

softmax(zj)=ezj∑Kezjsoftmax(zj)=ezj∑Kezj


若拆成每个类别的概率如下:

yj^=softmax(zj)=softmax(wj⋅x+bj)yj^=softmax(zj)=softmax(wj⋅x+bj)


其中,wjwj为图中全连接层同一颜色权重组成的向量。

该如何理解?

下面提供3个理解角度:加权角度模版匹配角度几何角度

加权角度

加权角度可能是最直接的理解角度。

通常将网络最后一个全连接层的输入,即上面的xx,视为网络从输入数据提取到的特征

zj=wj⋅x+bj=wj1x1+wj2x2+⋯+wjnxn+bjzj=wj⋅x+bj=wj1x1+wj2x2+⋯+wjnxn+bj


将wjwj视为第jj类下特征的权重,即每维特征的重要程度、对最终分数的影响程度,通过对特征加权求和得到每个类别的分数,再经过Softmax映射为概率。

模板匹配

也可以将wjwj视为第jj类的特征模板,特征与每个类别的模板进行模版匹配,得到与每个类别的相似程度,然后通过Softmax将相似程度映射为概率。如下图所示,图片素材来自CS231n

https://img1.sycdn.imooc.com//5c239ce50001abbb11790423.jpg

如果是只有一个全连接层的神经网络(相当于线性分类器),将每个类别的模板可以直接可视化如下,图片素材来自CS231n。

https://img1.sycdn.imooc.com//5c239cd900014c1d11700127.jpg

如果是多层神经网络,最后一个全连接层的模板是特征空间的模板,可视化需要映射回输入空间。

几何角度

仍将全连接层的输入xx视为网络从输入数据提取到的特征,一个特征对应多维空间中的一个点。

如果是二分类问题,使用线性分类器y^=w⋅x+by^=w⋅x+b,若y^>0y^>0即位于超平面的上方,则为正类,y^<0y^<0则为负类。

多分类怎么办?为每个类别设置一个超平面,通过多个超平面对特征空间进行划分,一个区域对应一个类别。wjwj为每个超平面的法向量,指向正值的方向,超平面上分数为0,如果求特征与每个超平面间的距离(带正负)为

dj=wj⋅x+bj||wj||dj=wj⋅x+bj||wj||


而分数zj=||wj||djzj=||wj||dj,再进一步通过Softmax映射为概率。

如下图所示:

https://img1.sycdn.imooc.com//5c239d300001182506860479.jpg

Softmax的作用

相比(−∞,+∞)(−∞,+∞)范围内的分数,概率天然具有更好的可解释性,让后续取阈值等操作顺理成章。

经过全连接层,我们获得了KK个类别(−∞,+∞)(−∞,+∞)范围内的分数zjzj,为了得到属于每个类别的概率,先通过ezjezj将分数映射到(0,+∞)(0,+∞),然后再归一化到(0,1)(0,1),这便是Softmax的思想:

yj^=softmax(zj)=ezj∑Kezjyj^=softmax(zj)=ezj∑Kezj


总结

本文介绍了3种角度来更直观地理解全连接层+Softmax,

  • 加权角度,将权重视为每维特征的重要程度,可以帮助理解L1、L2等正则项

  • 模板匹配角度,可以帮助理解参数的可视化

  • 几何角度,将特征视为多维空间中的点,可以帮助理解一些损失函数背后的设计思想(希望不同类的点具有何种性质)

视角不同,看到的画面就不同,就会萌生不同的idea。有些时候,换换视角问题就迎刃而解了。

以上。

参考

原文出处:https://www.cnblogs.com/shine-lee/p/10077961.html  

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