Deep Learning Specialization (Coursera) 自習記録 (C1W3)

はじめに

Deep Learning Specialization の Course 1, Week 3 (C1W3) の内容です。

(C1W3L01) Newral Network Overview

内容

• Week 3 は neural network の実装に関する説明
• Newral Network の 1 層目について
  • $W^{[1]}$, $b^{[1]}$ ; パラメタ
  • $z^{[1]} = W^{[1]} x + b^{[1]}$
  • $a^{[1]} = \sigma(z^{[1]})$
• Neural Network の 2 層目について
  • $z^{[2]} = W^{[2]} a^{[1]} + b^{[2]}$
  • $a^{[2]} = \sigma(z^{[2]})$
  • $L(a^{[2]}, y)$ を計算
• back propagation は
  • $da^{[2]}$ → $dz^{[2]}$ → $dW^{[2]}$, $db^{[2]}$ → …

(C1W3L02) Neural Network Representation

内容

• single hidden layer (= 2 layer neural network，layer を数えるときは，input layer はカウントせず，hidden layer と output layer をカウントする) の説明
• input layer ; $x = a^{[0]}$
• hidden layer
  • パラメタは $w^{[1]}$ ((4, 3) 行列) と $b^{[1]}$ ((4, 1) 行列)
  • $a^{[1]}$ は 4 ノードとする
• output layer
  • パラメタは $w^{[2]}$ ((1, 4) 行列) と $b^{[1]}$ ((1, 1) 行列)
  • $\hat{y} = a^{[2]}$

(C1W3L03) Computing a Neural Network Output

内容

• neural network の計算方法の説明
• $a_i^{[l]}$ ; $l$ layer の，$i$ 番目のノード
• vectorizing (ベクトル化) して計算する

z^{[1]} = W^{[1]} x + b^{[1]} \\
a^{[1]} = \sigma(z^{[1]}) \\
z^{[2]} = W^{[2]} a^{[1]} + b^{[2]} \\
a^{[2]} = \sigma(z^{[2]}) \\

(C1W3L04) Vectorizing Across Multiple Examples

内容

• 複数の training example の計算方法
• $X = [x^{(1)} , x^{(2)} , \cdots x^{(m)}]$ とする ($(n_x, m)$ 行列，$m$ は training example の数)

Z^{[1]} = W^{[1]} X + b^{[1]} \\
A^{[1]} = \sigma\left(Z^{[1]}\right) \\
Z^{[2]} = W^{[2]} Z^{[1]} + b^{[2]} \\
A^{[2]} = \sigma\left(Z^{[2]}\right)

• $Z^{[1]}$ ， $A^{[1]}$ は
  • 行 ; hidden unit の数
  • 列 ; $m$

Z^{[1]} = \left[ z^{[1](1)} \, z^{[1](2)} \, \cdots z^{[1](m)} \right] \\
A^{[1]} = \left[ a^{[1](1)} \, a^{[1](2)} \, \cdots a^{[1](m)} \right]

感想

• 非常にゆっくり，丁寧に説明している。ここが大事だし，躓くと後々大変困るのだろう

(C1W3L05) Explanation For Vectorized Implementation

内容

X = \left[x^{(1)} \, x^{(2)} \, \cdots x^{(m)}\right] \\
Z^{[1]} = \left[z^{[1](1)} \, z^{[1](2)}\, \cdots z^{[1](m)}\right] \\
Z^{[1]} = W^{[1]} X + b^{[1]}

• $b^{[1]}$ は Python のブロードキャストを使ってマトリックスになる

(C1W3L06) Activation functions

内容

• sigmoid 関数

  • $a = \frac{1}{1+e^{-z}}$
  • バイナリ分類のときくらいしか使わない

• tanh 関数

  • $a = \tanh z = \frac{e^z - e^{-z}}{e^z + e^{-z}}$
  • sigmoid 関数よりベター。平均値がゼロになるから。
  • ただし，sigmoid 関数と tanh 関数の共通の欠点は，$z$ が大きいところで傾きが 0 に近づくため，最急降下法の収束が遅くなる

• ReLU 関数

  • $a = \max(0, z)$
  • $z=0$ で微分を定義できないが，計算時に厳密に $z=0$ になることはないので，問題ない。
  • ReLU が neural netwok　ではデフォルトで使われる (たまに tanh)
  • $z \lt 0$ で傾きが 0 になるのが欠点

• Leaky ReLU

  • $a = \max(0.01z, z)$
  • $z \lt 0$ でもわずかに傾きを持たせる
  • 0.01 を学習パラメタの 1 つと見なすこともできるが，それを実装する人はほとんどいない

• layer によって activation function を変えることもある (hidden layer を tanh，output layer を sigmoid など)

• Neural network には選択するものが多い (activation function の種類，パラメタの初期化方法，など) が，そのガイドラインを示すことは難しい

(C1W3L07) Why do you need non-linear activation function

内容

• なぜ，activation function に非線形関数を使うのか? → 線形関数にすると，hidden layer を増やしても，結局のところ線形関数にしかならないので，役に立たない

(C1W3L08) Derivatives of activation functions

内容

• sigmoid activation function

g(z) = \frac{1}{1+e^{-z}} \\
g^\prime(z) = g(z) \left( 1-g(z) \right)

• Tanh activation function

g(z) = \tanh (z) \\
g^\prime(z) = 1-\left( \tanh(z) \right)^2

• ReLU

g(z) = \max\left(0, z\right) \\
g^\prime(z) = 0 \ (\text{if}\  z \lt 0) \\
g^\prime(z) = 1 \ (\text{if}\  z \ge 0)

• Leaky ReLU

g(z) = \max\left(0.01z, z\right) \\
g^\prime(z) = 0.01 \ (\textrm{if}\  z \lt 0) \\
g^\prime(z) = 1 \ (\textrm{if}\  z \ge 0)

• ReLU や Leaky ReLU の $z=0$ の微分については，0 でも 1 でも不定でも構わない (計算中に厳密に $z=0$ になる確率は低いため)

(C1W3L09) Gradient descent for neural network

内容

• $n^{[0]} = n_x, n^{[1]}, n^{[2]} (=1)$ とする
• パラメタは $W^{[1]}$ ($(n^{[1]}, n^{[0]})$ 行列)，$b^{[1]}$ ($(n^{[1]}, 1)$ 行列)，$W^{[2]}$ ($(n^{[2]}, n^{[1]})$ 行列)，$b^{[2]}$ ($(n^{[2]}, 1)$ 行列)
• cost function ; $J(W^{[1]}, b^{[1]}, W^{[2]}, b^{[2]}) = \frac{1}{m}\Sigma_{i=1}^{m}L(\hat{y}, y)$
• Forword propagation (output layer はバイナリ分類 → シグモイド関数)

Z^{[1]} = W^{[1]} X + b^{[1]} \\
A^{[1]} = g^{[1]}\left( Z^{[1]} \right) \\
Z^{[2]} = W^{[2]} A^{[1]} + b^{[2]} \\
A^{[2]} = g^{[2]}\left( Z^{[2]} \right) = \sigma \left( Z^{[2]} \right) 

-backpropagation

dZ^{[2]} = A^{[2]} - Y \ \ \left( Y = \left[ y^{(1)} \, y^{(2)} \, \cdots y^{(m)} \right] \right) \\
dW^{[2]} = \frac{1}{m} dZ^{[2]} A^{[1]\textrm{T}}\\
db^{[2]} = \frac{1}{m} \textrm{np.sum} \left( dZ^{[2]} \textrm{, axis=1, keepdims=True} \right)\\

dZ^{[1]} = W^{[2]\textrm{T}}dZ^{[2]} \ast g^{[1]\prime} \left(Z^{[1]}\right) \\
dW^{[1]} = \frac{1}{m}dZ^{[1]} X^{\text{T}} \\
db^{[1]} = \frac{1}{m} \textrm{np.sum} \left( dZ^{[1]} \textrm{, axis=1, keepdims=True} \right)\\

• np.sum の keepdims=True を付けないと，$(n^{[i]}, )$ ベクトルになる。keepdims=True を付けると $(n^{[i]}, 1)$ ベクトルになる。
• keepdims=True を付けないなら，reshape する
• $dZ^{[1]}$ の式の $\ast$ は，要素ごとの積

感想

• さりげなく np.sum の Tips を織り交ぜている (dimension を意識するのは大事)

(C1W3L10) Backpropagation Intuition (optional)

内容

• logistic regression の backpropagation の vectorized implementation の直感的な説明
• 「neural network のもっとも数学的に難しいところ」とのこと

(C1W3L11) Random Initialization

内容

• logistic regression のときは重みを 0 で初期化しても OK
• neural network では重み W を 0 で初期化するのは NG
• 仮に $W^{[1]}$ の要素が全て 0，$b^{[1]}$ の要素も全て 0 とすると，hidden layer のユニットがいくつあっても，すべて同じ計算をすることになる。そうなると複数のユニットを持つ意味がなく，単一のユニットしかない場合と同じになってしまう
• 初期化方法

W^{[1]} = \textrm{np.random.randn(2, 2)} \ast 0.01 \\
b^{[1]} = \textrm{np.zero((2, 1))}

• $W^{[1]}$ がランダムに初期化されれば対称性が崩れるので，$b^{[1]}$ は 0 でも良い
• $W$ の初期値は小さいほうが良い。$W$ が大きいと，$Z = Wx + b$ が大きくなるが，sigmoid や $\tanh$ は値が大きいと傾きが小さくなり，最急降下法の学習速度が遅くなる
• hidden layer が 1 つなど浅い neural network では，0.01 で OK。深い neural network のときは，0.01 以外の値の場合もある

参考

• Deep Learning Specialization (Coursera) 自習記録 (目次)