深度学习的数学-神经单元、激活函数、Sigmoid
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Contents
前言
阅读《深度学习的数学》书中第一部分提到了关于 神经元、神经单元、激活函数以及一个非常具有代表性的 Sigmoid 函数，本博客的目的既是对此做一个总结
正文
生物学中的神经元
生物中的神经元可归纳为如下几个知识点
- 每个神经元由胞体、轴突和树突组成
- 轴突上的突触可以用来接受其他神经元的信号
- 树突用来发送信号
- 很多个神经元形成神经网络
- 如果一个神经元收到的其他神经元传递的 带权重信号之和 不超过某个固定大小的值，则不做出任何反应
- 如果一个神经元收到其他神经元传递的 带权重信号之和 超过某个固定大小的值，则向其他相连的神经元传递 固定强度 的信号，俗称 “点火”
深度学习中的神经单元
根据生物学上的神经元规律来看，一个神经单元拥有带权值的一个或多个输入，输出分为『有输出/无输出』，带权值之和大于某个固定值则输出信号
y ，固定值为
θ ，输入信号的权值和输入信号的强度为
wn 和
xn
可得到如下表达式：
w1*x1 + w2*x2 + ... wn*xn < θ => y=0
w1*x1 + w2*x2 + ... wn*xn > θ => y=1
数学上的表达
数学上有一个 单位阶跃函数 的定义，自变量大于0时，函数值为1；自变量小于0时，函数值为0，自变量为0时函数值为不确定或不定义
单位阶跃函数的数学定义如下：
结合神经单元的表达式，可得到
z = w1*x1 + w2*x2 + ... + wn*xn - θ
点火的数学表达式即可确定为
y = u(w1*x1 + w2*x2 + ... + wn*xn - θ)
激活函数
上述 点火 的数学表达式其实就是一个激活函数，但是 u 一般表示单位阶跃函数， - θ 也不够一般化，所以式子换成了这个样子：
y = a(w1*x1 + w2*x2 + ... + wn*xn + b)
输出也不限于 0/1，也可能是其他变量，书中提到可类比 “兴奋度”、“反应度”
其中 a 就是激活函数，是建模者定义的函数，有一个代表就是 Sigmoid 函数
其中 b 被称作 偏置 ，相当于 -θ ， θ 表示一个神经元的感受能力， θ 越高越不容易被点火（迟钝）， θ 越低越容易被点火（敏感）
至此 一个神经元可以如下图表示
Sigmoid
激活函数的代表就是 Sigmoid 函数，书中介绍其，定义如下：
其函数图像可由下图所示，对应的输入和权重映射到 y 的输出，y越接近1兴奋度越高，越接近0兴奋度越低
总结
由生物学中的神经元特性推导出深度学习中的神经单元模型
在生物学中，对每一组输入的权值求和，超过阈值即输出1（激发态，点火），否则输出0（静息态）
深度学习中的神经单元，使用激活函数来表示一个神经元在一定的输入下的激活状态，表达式如下y = a(x1*w1 + x2*w2 + ... xn*wn + b)
上述表达式中的 a 即为激活函数， b 为偏置，越高则神经元越敏感
Sigmoid 是激活函数的代表，输出接近1表示兴奋度越高，接近0表示兴奋度越低
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