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【学习笔记】机器学习(Machine Learning) | 第七章|神经网络(2)

news 来源：原创 2025/7/21 18:40:21

机器学习（Machine Learning）

简要声明

基于吴恩达教授(Andrew Ng)课程视频
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文章目录

机器学习（Machine Learning）
- 简要声明
神经网络在图像识别及手写数字识别中的应用
- 一、神经网络在图像识别中的应用
- - （一）人脸识别
  - （二）汽车分类
- 二、神经网络层的计算与符号表示
- - （一）神经网络层的计算
  - （二）符号表示
- 三、手写数字识别案例
- - （一）网络结构与参数设置
  - （二）前向传播过程
  - （三）预测判断

神经网络在图像识别及手写数字识别中的应用

一、神经网络在图像识别中的应用

（一）人脸识别

在人脸识别领域，图像数据的预处理是模型训练的基石。以一张 $1000 \times 1000$ 像素的 RGB 彩色图像为例，其原始数据可视为一个三维矩阵 $\text{Image} \in \mathbb{R}^{1000 \times 1000 \times 3}$ ，每个元素对应一个像素点的红、绿、蓝通道值。为适配神经网络输入，需将其展平为一维向量 $\vec{x} \in \mathbb{R}^{3000000}$ ，该向量包含了图像所有像素的色彩信息。实际应用中，还会进行归一化处理（如将像素值缩放到 0-1 区间），以加速模型收敛。
在这里插入图片描述

在网络架构设计上，人脸识别模型常采用多层卷积神经网络（CNN）。输入层接收展平图像向量后，隐藏层通过卷积、池化操作提取特征。以 VGG-16 为例，前几层卷积层用 3x3 卷积核检测边缘，池化层降维后，后续卷积层提取纹理等复杂特征。输出层输出概率分布向量，元素值接近 1 代表与对应人脸高度匹配。实际部署时结合余弦相似度计算，将概率转为相似度评分，增强识别鲁棒性。

（二）汽车分类

汽车分类任务的流程与人脸识别相似，但特征提取逻辑存在显著差异。输入图像同样需经过标准化处理，将其转化为适合网络计算的张量形式。除了常规的归一化，还会使用数据增强技术（如旋转、裁剪、亮度调整）扩充数据集，避免模型过拟合。
在这里插入图片描述

模型在隐藏层先识别汽车通用特征（如轮廓、车轮），再提取品牌专属特征（如宝马双肾格栅）。以 ResNet-50 为例，其残差结构克服梯度消失，支持深层特征学习。输出层以概率值表征分类置信度，如 0.85 表示 85% 概率为目标车型。实际应用中通过设置 0.7 阈值，筛除低置信预测，优化分类效果。

二、神经网络层的计算与符号表示

（一）神经网络层的计算

以全连接层为例，假设第 $l$ 层包含 $m$ 个神经元，输入向量为 $\vec{x} \in \mathbb{R}^{n}$ ，其计算过程可拆解为以下步骤：

线性变换：对每个神经元 $\in [1, m]$ ，计算加权和

$z_{j}^{[l]} = \sum_{i = 1}^{n} w_{ij}^{[l]} x_i + b_{j}^{[l]} = \vec{w}_{j}^{[l]} \cdot \vec{x} + b_{j}^{[l]}$

其中 $\vec{w}_{j}^{[l]} \in \mathbb{R}^{n}$ 为权重向量， $b_{j}^{[l]}$ 为偏置项。这里的权重矩阵 $\mathbf{W}^{[l]} \in \mathbb{R}^{m \times n}$ 存储了该层所有神经元的权重参数，其每一行对应一个神经元的权重向量。

非线性激活：通过激活函数 $g(\cdot)$ 引入非线性，典型的 sigmoid 函数定义为

$\frac{1}{1 + e^{-z}}$

得到神经元的激活值 $a_{j}^{[l]} = g(z_{j}^{[l]})$ ，所有神经元的激活值构成该层输出向量 $\vec{a}^{[l]} \in \mathbb{R}^{m}$ 。除了 sigmoid 函数，常用的激活函数还有 ReLU（Rectified Linear Unit）、tanh 等，它们各有优缺点，适用于不同场景。例如 ReLU 在解决梯度消失问题上表现优异，广泛应用于深层神经网络。

（二）符号表示

为统一描述神经网络计算过程，常用符号体系如下：

符号	含义	补充说明
$\vec{x}$	输入向量	通常表示原始数据或上一层的输出
$\vec{a}^{[l]}$	第 $l$ 层的激活值向量	所有神经元激活值组成的向量
$\vec{w}_{j}^{[l]}$	第 $l$ 层第 $j$ 个神经元的权重向量	与输入向量做内积计算加权和
$b_{j}^{[l]}$	第 $l$ 层第 $j$ 个神经元的偏置项	调整激活函数的位置
$a_{j}^{[l]}$	第 $l$ 层第 $j$ 个神经元的激活值	非线性变换后的输出

对于多层神经网络，层间计算遵循递推关系：

$a_{j}^{[l]} = g\left(\sum_{i = 1}^{m_{l - 1}} w_{ij}^{[l]} a_{i}^{[l - 1]} + b_{j}^{[l]}\right)$

其中 $m_{l - 1}$ 为第 $l - 1$ 层的神经元数量。这个公式清晰展示了每一层如何基于上一层的输出进行计算，是理解神经网络前向传播的核心。

三、手写数字识别案例

（一）网络结构与参数设置

构建一个三层全连接神经网络用于 MNIST 数据集的手写数字识别：

输入层：接收 $28 \times 28$ 像素的灰度图像，展平后为 784 维向量。由于 MNIST 数据集中图像已经过预处理，我们直接使用原始数据，但在实际应用中，可通过添加高斯噪声等方式进行数据增强。

隐藏层 1：包含 25 个神经元，引入 ReLU 激活函数。ReLU 函数的计算简单高效，其公式为 $\max(0, x)$ ，有效避免了梯度消失问题。

隐藏层 2：包含 15 个神经元，同样使用 ReLU 激活。这一层进一步对特征进行抽象，提取更具判别性的信息。

输出层：10 个神经元对应 0-9 十个数字类别，采用 softmax 激活函数输出概率分布。softmax 函数将输出值转化为概率分布，其公式为 $\sigma(z)_j = \frac{e^{z_j}}{\sum_{k = 1}^{K} e^{z_k}}$ ，其中 $K$ 为类别数，在本案例中 $K = 10$ 。

（二）前向传播过程

第一层计算：

$\begin{align*} z_{j}^{[1]} &= \sum_{i = 1}^{784} w_{ij}^{[1]} x_i + b_{j}^{[1]} \\ a_{j}^{[1]} &= \max(0, z_{j}^{[1]}) \quad (j = 1, \cdots, 25) \end{align*}$

在这一步，输入图像的 784 维向量与权重矩阵 $\mathbf{W}^{[1]} \in \mathbb{R}^{25 \times 784}$ 相乘，再加上偏置向量 $\vec{b}^{[1]} \in \mathbb{R}^{25}$ ，得到 25 个神经元的加权和，经过 ReLU 激活后得到第一层的输出。

第二层计算：

$\begin{align*} z_{k}^{[2]} &= \sum_{j = 1}^{25} w_{kj}^{[2]} a_{j}^{[1]} + b_{k}^{[2]} \\ a_{k}^{[2]} &= \max(0, z_{k}^{[2]}) \quad (k = 1, \cdots, 15) \end{align*}$

第一层的输出作为第二层的输入，重复上述计算过程，进一步提取特征。

输出层计算：

$\begin{align*} z_{s}^{[3]} &= \sum_{k = 1}^{15} w_{sk}^{[3]} a_{k}^{[2]} + b_{s}^{[3]} \\ a_{s}^{[3]} &= \frac{e^{z_{s}^{[3]}}}{\sum_{t = 1}^{10} e^{z_{t}^{[3]}}} \quad (s = 1, \cdots, 10) \end{align*}$

第二层的输出经过加权求和后，通过 softmax 函数转化为 10 个数字类别的概率分布。

（三）预测判断

输出层的概率分布向量 $\vec{a}^{[3]}$ 中，索引值对应数字类别。通过选择概率最大值的索引实现分类：

$\hat{y} = \arg\max_{s \in \{1, \cdots, 10\}} a_{s}^{[3]}$

例如，若 $\vec{a}^{[3]} = [0.02, 0.01, 0.95, 0.01, \cdots, 0.01]$ ，则模型预测数字为 2。在实际评估模型性能时，会使用准确率、精确率、召回率、F1 值等指标，通过交叉验证等方法全面评估模型的泛化能力。

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