Perceptron 的改良版 : 了解什麼是 Sigmoid Neuron

前言

在前一篇文章中，我們認識了最古老的人造神經元 (Artificial Neuron) —— 感知器 Perceptron，對於 Perceptron 的數學算式、與 NAND Gate 的關係，有了基本的了解。然而，Perceptron 並不是現代神經網路 (Modern Neural Network) 所使用的神經元。在本篇文章中，我們將會介紹一種「更接近」現代神經網路所使用的神經元 —— Sigmoid Neuron。

神經網路如何學習

在前一篇文章中，我們提到因為「學習演算法」(Learning Algorithm) 的存在，使得 Perceptron 不單單只是 NAND Gate 的化身，而是能夠自動學習參數 (weight 與 bias)。在設計 Learning Algorithm 之前，我們可以先用更直觀的方式了解神經網路 (Neural Network) 如何學習輸出正確的結果。

假設我們有一個 Neural Network 能夠接收「手寫數字照片」，並輸出這張照片所代表的數字。

如上方的示意圖，Neural Network 會接收一張圖片，圖片中有一個手寫的數字，Neural Network 必須輸出這張圖片所代表的實際數字是什麼。

假設 Neural Network 的參數一開始是隨機產生的，因此剛開始的輸出結果可能非常糟。例如，輸入一張數字 4 的手寫圖片，但是卻將該圖片辨識為 6。Neural Network 為了輸出正確的結果，就必須不斷的調整自己的參數 (weight 與 bias)。理想的狀況是，Neural Network 每次對參數進行「些微」的調整，也能夠讓輸出的結果「微幅」的變動。

如上圖所示，我們希望將 Neural Network 中的某一個參數 w 進行「微幅」調整 (加上 ∆w)，Neural Network 的輸出也能夠「微幅」的變動 (加上 ∆output)。假設我們所希望的這件事情真的能夠成真，那麽讓 Neural Network 學習輸出正確的結果將會變得更簡單。舉例來說，假設一開始我們輸入「手寫數字 9」的照片到 Neural Network 中，得到的輸出為「8」。我們只需要找到每一個參數應該調整的方向 (變大 or 變小)，然後對該參數進行「微幅」的調整，就能夠預期 Neural Network 的輸出也會「微幅」的調整。不斷的進行微幅的調整，直到 Neural Network 的輸出調整到正確的結果為止。

Perceptron 所產生的問題

然而，事情總是沒有那麼順利。在了解什麼是 Perceptron 一文中，我們介紹到 Perceptron 的基本概念：

如上圖所示，Perceptron 會接收多個二元數值作為輸入，並輸出一個二元數值作為輸出。所謂的「二元數值」就是該數值不是 0 就是 1。因此，假設我們在一個由很多 Perceptron 組成的 Neural Netowrk 中，「微幅」調整其中一個 Perceptron 的 weight，可能會導致這一個 Perceptron 的輸出「完全顛倒」，也就是由原來的 0 變為 1。這一個 Perceptron 的輸出又會其他 Perceptron 的輸入，如此一來將會導致整個 Neural Network 的輸出結果變的難以捉摸。

舉例來說，如果我們將「手寫數字 9」照片輸入到 Neural Network 中，得到的輸出為「8」。Neural Network 將參數經過多次的微幅調整後，能夠正確的輸出「8」。然而，因為 Neural Netowork 中許多 Perceptron 的 output 已經大幅改變 (由 0 變為 1 或由 1 變為 0)，使得當我們輸入其他原先被分類正確的手寫數字照片到 Neural Network 時，得到的輸出可能變得和原來不一樣。

Sigmoid Neuron 登場

為了使得 Perceptron 的 output 能夠被「微幅」變動，一種新的人造神經元 (Artificial Neuron) 被發明出來，稱為 Sigmoid Neuron。實際上，Sigmoid Neuron 是在原先的 Perceptron 進行一些修改而形成的。

如上圖所示，Sigmoid Neuron 的輸入與輸出與 Perceptron 一樣，接收多個輸入 (x₁、x₂、x₃) 並產生一個輸出 (output)。與 Perceptron 不同之處，在於輸入與輸出的數值。

在 Perceptron 中，輸入 (x₁、x₂、x₃) 僅是不連續分佈的二元數值，也就是 0 或 1。但是，在 Sigmoid Neuron 中，輸入是一個 0 到 1 連續分佈的任意數字。例如：0.2556 或 0.6398。每一個輸入的數值同樣會與一個 weight 相乘並總和，再加上一個 bias，得到最終的數值。

如上圖所示，根據最終的數值，Perceptron 的 output 可能為 0 或 1。然而，在 Sigmoid Neuron 中，output 與輸入 (x₁、x₂、x₃) 類似，會是一個 0 到 1 連續分佈的任意數字。更精確的說，Sigmoid Neuron 會將最終的數值 (w·x + b) 通過一個 Sigmoid 函數才輸出。因此，Sigmoid Neuron 的輸出為：σ(w·x + b)。

「σ」 的名字為「Sigmoid Function」，其完整的數學算式為：

簡而言之，Sigmoid Neuron 會將所有的輸入 x 與 weight 相乘並總和再加上一個 bias，得到 z = w·x₁ + w·x₂ + w·x₃ + ··· + bias。再將 z 輸入到 Sigmoid Function 中，最後才輸出 σ(z)。

Sigmoid Neuron 與 Perceptron 的相似之處

剛開始認識 Sigmoid Neuron 時，可能會覺得它多了 Sigmoid Function，使得它的輸出與 Perceptron 很不一樣。然而，實際上剛好相反，Sigmoid Neuron 的輸出與 Perceptron 仍然非常相似，舉例來說，假設目前 Sigmoid Neuron 計算得到 z = w·x + b 是一個大的正數，則 e^-z 會趨近於 0，得 σ(z) 為 1。也就是說，當 z = w·x + b 是一個大的正數時，Sigmoid Neuron 的輸出為 1 (與 Perceptron 一致)。

相反的，當 z = w·x + b 是一個小的負數，則 e^-z 會趨近於 ∞，得 σ(z) 為 0。也就是說，當 z = w·x + b 是一個小的負數時，Sigmoid Neuron 的輸出為 0 (與 Perceptron 一致)。只有當 z = w·x + b 不大也不小時，Sigmoid Neuron 的輸出才會與 Perceptron 不一樣。

Sigmoid 函數的重要特性 —— 平滑

到目前為止，我們已經對 Sigmoid 函數的算式有了一點印象；在本篇文章中，我們不會深入探討 Sigmoid 算式的細節，我們會著重在探討 Sigmoid 函數重要的特型 —— 平滑。

上圖是 Sigmoid 函數繪製在二維平面上的樣子，我們可以發現其實 Sigmoid 函數就是 Step 函數的「平滑版」：

實際上，如果我們將 Sigmoid Neuron 的 σ 換成 Step 函數，那麼 Sigmoid Neuron 其實就變成了 Perceptron。因為最終的輸出會是 w·x + b 再通過 Step 函數，最後得到 0 或是 1。

Sigmoid Function 的平滑性是一個重要的特徵，因爲這個特性使得「參數」(weight 與 bias) 經過微幅的調整後，「輸出」(output) 真的也可以微幅的變動。

上圖呈現的是一個 Sigmoid Neuron 的輸出的變動 (Δoutput) 來自於參數的變動 (Δw 與 Δb) 。其中，Δw 表示 weight 的變動，Δb 表示 bias 的變動，並不是單純將 Δw 與 Δb 相加，而是分別再乘以一個偏微分。

第一次看到偏微分可能會讓人覺得難以理解，我們可以簡單地將偏微分視為：一個多變數函數對於某一個獨立變數的「改變率」。也就是說，當 w 加上 5 時 (Δw = 5)，對 output 的影響不一定是直接加上 5 (Δoutput 不一定等於 5)，而是需要再乘以 output 對於 w 的改變率 (當 w 變動 1 時，output 變動多少)。

我們也可以更簡單的將上述的算式當作一個簡單的線性函數，也就是 Δw 乘以一個常數加上 Δb 乘以另外一個常數得到 Δoutput。如此一來，當 Δw 與 Δb 做一些微幅的變動時，Δoutput 也會產生微幅的改變。

到目前為止，我們已經了解到 Sigmoid Neuron 不僅與 Perceptron 非常像，而且還解決了 Perceptron 所產生的問題。

解讀 Sigmoid Neuron 的輸出

來到最後一個小節，相信你已經很清楚 Sigmoid Neuron 的輸出不僅僅是 0 或 1，而是 0 到 1 之間的任一個數字。Sigmoid Neuron 的輸出可以是 0.2123、0.5698 或是 0.9652。

假如我們現在希望透過 Sigmoid Neuron 分類手寫數字的圖像，輸入「圖像 9」到 Sigmoid Neuron 中，Sigmoid Neuron 的輸出表示這張圖像「是數字 9」或「不是數字 9」。因為 Sigmoid Neuron 的輸出已經不像 Perceptron 是 0 或 1，分別代表 True 或 False，那我們應該如何解讀 Sigmoid Neuron 的輸出呢？

我們可以將 Sigmoid Neuron 的輸出視為「機率」。因為 Sigmoid Neuron 輸出的數值一定是介於 0 到 1 之間，滿足機率的特性。因此，我們可以很直覺的使用 0.5 作為分類的依據。在上述的情境上，假如 Sigmoid Neuron 的輸出為 0.6，0.6 大於 0.5，表示 Sigmoid Neuron 認為這一個數字「是數字 9」；反之，當 Sigmoid Neuron 的輸出為 0.4，表示 Sigmoid Neuron 認為這一個數字「不是數字 9」。

結語

在本篇文章中，我們介紹了一種「更接近」現代神經網路所使用的神經元 —— Sigmoid Neuron，說明了其與 Perceptron 的相似與不同之處，也提到了 Sigmoid 函數最重要的特性「平滑」。本篇文章與上一篇文章，著重於介紹人工神經元 (Artificial Neuron)，下一篇文章將會進入人工神經網路 (Artificial Neural Network) 的介紹。

參考

• Neural networks and deep learning
• Sigmoid function – Wikipedia
• Partial Differentiation Tutorial 1
• Partial Differentiation Tutorial 2

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