深度学习——第4.1章 深度学习的数学基础

第4章 深度学习的数学基础

目录

4.1 向量

4.2 求和符号

4.3 累乘符号

4.4 导数

4.5 偏导数

4.6 矩阵

4.7 指数函数和对数函数

注意：4.6和4.7位于4.2章

第4章 深度学习的数学基础

本章总结一下机器学习所需的数学知识，同时介绍如何在Python中使用这些知识。

4.1 向量

4.1.1 什么是向量

向量由几个数横向或纵向排列而成。

数纵向排列的向量叫作列向量，如下式4-1所示的变量就是列向量：
$$\mathbf{a}=\left[\begin{array}{l}1\\ 3\end{array}\right],\mathbf{b}=\left[\begin{array}{l}2\\ 1\end{array}\right]\text{\hspace{1em}(4-1)}$$

数横向排列的向量叫作行向量，如下式4-2所示的变量就是行向量：
$$\mathbf{c}=\left[\begin{array}{ll}1& 2\end{array}\right],\mathbf{d}=\left[\begin{array}{llll}1& 3& 5& 4\end{array}\right]\text{\hspace{1em}(4-2)}$$

构成向量的一个一个数叫作元素。向量中的元素个数叫作向量的维度。如上例所示，$\mathbf{a}$为二维列向量，$\mathbf{d}$为四维行向量。如$\mathbf{a}$和$\mathbf{b}$所示，向量一般用小写粗斜体表示。

与向量不同的普通的单个数叫作标量。标量一般用小写斜体表示为如$a、b$。

向量右上角的$T$是转置符号，表示将列向量转换为行向量，或者将行向量转换为列向量，如下式4-3所示：
$${\mathbf{a}}^{\mathrm{T}}={\left[\begin{array}{l}1\\ 3\end{array}\right]}^{\mathrm{T}}=\left[\begin{array}{ll}1& 3\end{array}\right],{\mathbf{d}}^{\mathrm{T}}={\left[\begin{array}{llll}1& 3& 5& 4\end{array}\right]}^{\mathrm{T}}=\left[\begin{array}{l}1\\ 3\\ 5\\ 4\end{array}\right]\text{\hspace{1em}(4-3)}$$

机器学习类教材中，除了从数学上来说必须使用转置符号的情况外，考虑到行距，有时也会把
$a=\left[\begin{array}{l}1\\ 3\end{array}\right]$
写成$\mathbf{a}={\left[\begin{array}{ll}1& 3\end{array}\right]}^{\mathrm{T}}$。

4.1.2 用Python定义向量

接下来，我们用Python定义向量。
要想使用向量，必须先使用import导入NumPy库。

# 代码清单 4-1-(1)
import numpy as np

然后，使用np.array定义向量a。

# 代码清单 4-1-(2)
a = np.array([2, 1])
print(a)

运行type，可以看到a的类型为numpy.ndarray。

# 代码清单 4-1-(3)
type(a)

运行结果：

numpy.ndarray

4.1.3 列向量的表示方法

事实上，一维的ndarray类型没有纵横之分，往往都表示为行向量。

不过用特殊形式的二维ndarray表示列向量也是可以的。

ndarray类型可以表示2×2的二维数组(矩阵)，如代码所示。

# 代码清单 4-1-(4)
c = np.array([[1, 2], [3, 4]])
print(c)

输出结果：

[[1 2]
 [3 4]]

用这个方式定义2×1的二维数组，就可以用它表示列向量。

# 代码清单 4-1-(5)
d = np.array([[1], [2]])
print(d)

输出结果：

[[1]
 [2]]

向量通常定义为一维ndarray类型，必要时可以用二维ndarray类型。

4.1.4 转置的表示方法

使用“变量名.T”表示。

# 代码清单 4-1-(6)
print(d.T)
print(d)
print(d.T.T)

输出结果：

[[1 2]]
[[1]
 [2]]
[[1]
 [2]]

使用d.T.T循环两次转置操作之后，就会变回原来的d。

注意：转置操作对于二维ndarray类型有效，对于一维ndarray类型是无效的。

print(a)
print(a.T)

输出结果：

[2 1]
[2 1]

4.1.5 加法和减法

接下来，我们思考下面两个向量$\mathbf{a}$和$\mathbf{b}$：
$$\mathbf{a}=\left[\begin{array}{l}2\\ 1\end{array}\right],\mathbf{b}=\left[\begin{array}{l}1\\ 3\end{array}\right]\text{\hspace{1em}(4-4)}$$

首先进行加法运算。向量的加法运算$\mathbf{a}+\mathbf{b}$是将各个元素相加：
$$\mathbf{a}+\mathbf{b}=\left[\begin{array}{l}2\\ 1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{l}1\\ 3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}2+1\\ 1+3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{l}3\\ 4\end{array}\right]\text{\hspace{1em}(4-5)}$$

向量的加法运算可以通过图形解释。首先，将向量的元素看作坐标点，将向量看作从坐标原点开始延伸到元素坐标点的箭头。这样的话，单纯地将各个元素相加的向量加法运算就可以看作，对以$\mathbf{a}$和$\mathbf{b}$为邻边的平行四边形求对角线(图4-1)。

图4-1 向量的加法运算

运行$\mathbf{a}+\mathbf{b}$的加法运算之后，程序会返回预期的答案，可知$\mathbf{a}$和$\mathbf{b}$不是list类型，而是被当作向量处理的（对于list类型，加法运算的作用是连接）。

# 代码清单 4-1-(7)
a = np.array([2, 1])
b = np.array([1, 3])
la=list(a)
lb=list(b)
print(a + b)
print(la+lb)

输出结果：

[3 4]
[2, 1, 1, 3]

向量的减法运算与加法运算相同，是对各个元素进行减法运算：
$$a?b=\left[\begin{array}{l}2\\ 1\end{array}\right]?\left[\begin{array}{l}1\\ 3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}2?1\\ 1?3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}1\\ ?2\end{array}\right]\text{\hspace{1em}(4-6)}$$

Python计算代码如下：

# 代码清单 4-1-(8)
a = np.array([2, 1])
b = np.array([1, 3])
print(a - b)

输出结果：

[ 1 -2]

那么，减法运算该怎么借助图形解释呢？

$\mathbf{a}?\mathbf{b}$就是$\mathbf{a}+(?\mathbf{b})$，可以看作$\mathbf{a}$和$?\mathbf{b}$的加法运算。从图形上来说，$?\mathbf{b}$的箭头方向与$\mathbf{b}$相反。所以，$\mathbf{a}+(?\mathbf{b})$是以$\mathbf{a}$和$?\mathbf{b}$为邻边的平行四边形的对角线(图4-2)。

图4-2 向量的减法运算

4.1.6 标量积

在标量与向量的乘法运算中，标量的值会与向量的各个元素分别相乘，比如$2\mathbf{a}$：
$$2\mathbf{a}=2\times \left[\begin{array}{l}2\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{l}2\times 2\\ 2\times 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{l}4\\ 2\end{array}\right]\text{\hspace{1em}(4-7)}$$

在Python中，式4-7的计算如代码如下：

# 代码清单 4-1-(9)
print(2 * a)

输出结果：

[4 2]

从图形上来说，向量的长度变成了标量倍(图4-3)。

图4-3 向量的标量积

4.1.7 内积

向量与向量之间的乘法运算叫作内积。内积是由相同维度的两个向量进行的运算，通常用“$?$”表示，这在机器学习涉及的数学中很常见。内积运算是把对应的元素相乘，然后求和，比如$\mathbf{b}={\left[\begin{array}{ll}1& 3\end{array}\right]}^{\mathrm{T}}、\mathbf{c}={\left[\begin{array}{ll}4& 2\end{array}\right]}^{\mathrm{T}}$的内积：
$$\mathbf{b}?\mathbf{c}=\left[\begin{array}{l}1\\ 3\end{array}\right]?\left[\begin{array}{l}4\\ 2\end{array}\right]=1\times 4+3\times 2=10\text{\hspace{1em}(4-8)}$$

在Python中，我们使用“变量名1.dot(变量名2)”计算内积(代码清单4-1-(10))。

# 代码清单 4-1-(10)
b = np.array([1, 3])
c = np.array([4, 2])
print(b.dot(c))
print(b*c)

输出结果：

10
[4 6]

但是，内积表示的究竟是什么呢？如图4-4所示，设$\mathbf{b}$在$\mathbf{c}$上的投影向量为${\mathbf{b}}^{\prime }$，那么${\mathbf{b}}^{\prime }$和$\mathbf{c}$的长度相乘即可得到内积的值。

当两个向量的方向大致相同时，内积的值较大。相反，当两个向量近乎垂直时，内积的值较小；当完全垂直时，内积的值为0。可以说，内积与两个向量的相似度相关。

图4-4 向量的内积

但是，请注意内积与向量自身的大小也相关。即使两个向量方向相同，只要其中一个向量变成原来的2倍，那么内积也会变成原来的2倍。

x = np.array([1,1])
y = np.array([-1,1])
print(x.dot(y))

z = np.array([0,1])
print(x.dot(z))

nz = np.array([-2,1])
print(x.dot(nz))

输出结果：

0
1
-1

4.1.8 向量的模

向量的模是指向量的长度，将向量夹在两个“$\Vert$”之间，即可表示向量的模。二维向量的模可计算为：
$$\Vert \mathbf{a}\Vert =\Vert \left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\end{array}\right]\Vert =\sqrt{a_0^2+a_1^2}\text{\hspace{1em}(4-9)}$$

三维向量的模可计算为：
$$\Vert \mathbf{a}\Vert =\Vert \left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ a_2\end{array}\right]\Vert =\sqrt{a_0^2+a_1^2+a_2^2}\text{\hspace{1em}(4-10)}$$

在一般情况下，D维向量的模计算为：
$$\Vert \mathbf{a}\Vert =\Vert \left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ ?\\ a_{D?1}\end{array}\right]\Vert =\sqrt{a_0^2+a_1^2+?+a_{D?1}^2}\text{\hspace{1em}(4-11)}$$

在Python中，我们使用np.linalg.norm()求向量的模。

# 代码清单 4-1-(11)
a = np.array([3, 4])
print(np.linalg.norm(a))

输出结果：

5.0

4.2 求和符号

求和符号$\Sigma$(西格玛)会经常出现在机器学习教材中，比如，下式4-12的意思是“将从1到5的变量n的值全部相加”。
$$\sum _{n=1}^{5}n=1+2+3+4+5\text{\hspace{1em}(4-12)}$$

$n$用于简洁地表示长度较长的加法运算。对上式加以扩展，如式4-13所示，它表示“对于$\Sigma$右边的$f(n)$，令变量$n$的取值从$a$开始递增1，直到$a$变为$b$，然后把所有$f(n)$相加”。
$$\sum _{n=a}^{b}f(n)=f(a)+f(a+1)+?+f(b)\text{\hspace{1em}(4-13)}$$

比如，令$f(n)=n^2$，则结果如式4-14所示。这跟编程中的for语句很像。
$$\sum _{n=2}^5{n}^2=2^2+3^2+4^2+5^2\text{\hspace{1em}(4-14)}$$

4.2.1 带求和符号的数学式的变形

在思考机器学习的问题时，我们常常需要对带求和符号的数学式进行变形。接下来，思考一下如何变形。最简单的情况是求和符号右侧的函数$f(n)$中没有$n$，比如$f(n)=3$。这时，只需用相加的次数乘以$f(n)$即可，所以可以去掉求和符号：
$$\sum _{n=1}^{5}3=3+3+3+3+3=3\times 5=15\text{\hspace{1em}(4-15)}$$

当$f(n)$为“标量×2的函数”时，可以将标量提取到求和符号的外侧(左侧)：
$$\sum _{n=1}^{3}2n^2=2\times 1^2+2\times 2^2+2\times 3^2=2\left(1^2+2^2+3^2\right)=2\sum _{n=1}^3{n}^2\text{\hspace{1em}(4-16)}$$

当求和符号作用于多项式时，可以将求和符号分配给各个项：
$$\sum _{n=1}^5\left[2n^2+3n+4\right]=2\sum _{n=1}^5{n}^2+3\sum _{n=1}^{5}n+4\times 5\text{\hspace{1em}(4-17)}$$

之所以可以这样做，是因为无论是多项式相加，还是各项单独相加再求和，答案都是一样的。

4.1.7节的向量的内积也可以使用求和符号表示。比如$\mathbf{w}={\left[w_0,w_1?w_{D?1}\right]}^{\mathrm{T}}$和$\mathbf{x}={\left[x_0,x_1?x_{D?1}\right]}^{\mathrm{T}}$的内积可以使用“$?$”表示为(图4-6)：
$$\mathbf{w}?\mathbf{x}=w_0{x}_0+w_1{x}_1+?+w_{D?1}{x}_{D?1}=\sum _{i=0}^{D?1}{w}_i{x}_i\text{\hspace{1em}(4-18)}$$

图4-5矩阵表示法和元素表示法

图4-5左侧称为矩阵表示法（向量表示法），右侧称为元素表示法，而式4-18则可以看作在两者之间来回切换的一个式子。

4.2.2 通过内积求和

$\Sigma$跟编程中的for语句很像，根据式4-18，$\Sigma$也与内积有关，所以也可以通过内积计算$\Sigma$。例如，从1加到1000的和为：
$$1+2+?+1000=\left[\begin{array}{c}1\\ 1\\ ?\\ 1\end{array}\right]?\left[\begin{array}{c}1\\ 2\\ ?\\ 1000\end{array}\right]\text{\hspace{1em}(4-19)}$$

在Python中，式4-19的计算如代码如下所示。与for语句相比，这种方法的运算处理速度更快。

# 代码清单 4-2-(1)
import numpy as np

a = np.ones(1000)     # [1 1 1 ...     1]
b = np.arange(1,1001) # [1 2 3 ...  1000]
print(a.dot(b))

输出结果：

500500.0

4.3 累乘符号

累乘符号$\Pi$与$\Sigma$符号在使用方法上类似。$\Pi$用于使$f(n)$的所有元素相乘(图4-7)：
$$\prod _{n=a}^{b}f(n)=f(a)\times f(a+1)\times ?\times f(b)\text{\hspace{1em}(4-20)}$$

下式是一个最简单的例子：
$$\prod _{n=1}^{5}n=1\times 2\times 3\times 4\times 5\text{\hspace{1em}(4-21)}$$

下式是累乘符号$\Pi$作用于多项式的示例：
$$\prod _{n=2}^5(2n+1)=(2?2+1)(2?3+1)(2?4+1)(2?5+1)\text{\hspace{1em}(4-22)}$$

4.4 导数

大部分情况下，机器学习的问题可以归结为求函数取最小值（或最大值）时的输入的问题（最值问题）。因为函数具有在取最小值的地方斜率为0的性质，所以在求解这样的问题时，获取函数的斜率就变得尤为重要。推导函数斜率的方法就是求导。

4.4.1 多项式的导数

首先，我们以二次函数为例思考一下（图4-6左）：
$$f(w)=w^2\text{\hspace{1em}(4-23)}$$

图4-6左 函数的导数表示斜率

import matplotlib.pyplot as plt  #导入matplotlib库
import numpy as np  #导入numpy库
import mpl_toolkits.axisartist as axisartist #并引入axisartist工具
%matplotlib inline

#创建画布
fig = plt.figure(figsize=(8, 8))
#使用axisartist.Subplot方法创建一个绘图区对象ax
ax = axisartist.Subplot(fig, 111)  
#将绘图区对象添加到画布中
fig.add_axes(ax)
#通过set_visible方法设置绘图区所有坐标轴隐藏
ax.axis[:].set_visible(False)
#ax.new_floating_axis代表添加新的坐标轴
ax.axis["x"] = ax.new_floating_axis(0,0)
#给x坐标轴加上箭头
ax.axis["x"].set_axisline_style("->", size = 1.0)
#添加y坐标轴，且加上箭头
ax.axis["y"] = ax.new_floating_axis(1,0)
ax.axis["y"].set_axisline_style("-|>", size = 1.0)
#设置x、y轴上刻度显示方向
ax.axis["x"].set_axis_direction("top")
ax.axis["y"].set_axis_direction("right")

#生成x步长为0.05的列表数据
x = np.linspace(-5,5,200)
y=x**2 
#设置x、y坐标轴的范围
plt.xlim(-5,5)
plt.ylim(-5, 25)
#绘制图形
plt.plot(x,y, c='violet')
plt.plot(x,-1-2*x,c='r')
plt.plot(x,2*x-1,c='g')
plt.plot(x,2*x,c='b')

输出结果：

函数$f(w)$对$w$的导数可以有如下多种表示形式：
$$\frac{\mathrm{d}f(w)}{\mathrm{d}w},\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}w}f(w),f^{\prime }(w)\text{\hspace{1em}(4-24)}$$

导数表示函数的斜率（上图右）。由于当$w$发生变化时，函数的斜率也会随之发生变化，所以函数的斜率也是一个关于$w$的函数。这个二次函数就是：
$$\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}w}{w}^2=2w\text{\hspace{1em}(4-25)}$$

在一般的情况下，我们可以使用下式简单求出$w^n$形式的函数的导数：
$$\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}w}{w}^n=n{w}^{n?1}\text{\hspace{1em}(4-26)}$$

图4-7 幂函数的导数公式

比如，四次函数的导数为：
$$\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}w}{w}^4=4w^{4?1}=4w^3\text{\hspace{1em}(4-27)}$$

如果是一次函数，则导数如下式所示。不过，由于一次函数是直线，所以无论$w$取值如何，斜率都不会发生变化。
$$\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}w}w=1w^{1?1}=w^0=1\text{\hspace{1em}(4-28)}$$

4.4.2 带导数符号的数学式的变形

接下来，我们思考一下带导数符号的数学式该如何变形。跟求和符号$\Sigma$一样，导数符号$\frac{d}{dw}$也作用于式子的右侧。

如下面的$2w^5$所示，当常数出现在$w^n$的前面表示相乘时，我们可以把这个常数提取到导数符号的左侧：
$$\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}w}2w^5=2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}w}{w}^5=2\times 5w^4=10w^4$$

与导数无关的部分(不是$w$的函数的部分)，即使是字符表达式也可以把它提取到导数符号的左侧。

如果$f(w)$中不包含$w$，则导数为0：
$$\frac{d}{dw}3=0$$

那么，下式的导数是什么呢？
$$f(w)=a^3+x{b}^2+2\text{\hspace{1em}(4-29)}$$

这个式子里也不包含$w$，所以导数为0：

当$f(x)$包含多个带$w$的项时，比如下面这个式子，它的导数是什么呢？
$$f(w)=2w^3+3w^2+2$$

此时，我们可以一项一项地分别进行导数计算：
$$\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}w}f(w)=2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}w}{w}^3+3\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}w}{w}^2+\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}w}2=6w^2+6w\text{\hspace{1em}(4-30)}$$

4.4.3 复合函数的导数

在机器学习中，很多情况下需要求复合函数的导数，比如：
$$f(w)=f(g(w))=g(w{)}^2\text{\hspace{1em}(4-31)}$$
$$g(w)=aw+b\text{\hspace{1em}(4-32)}$$

只需简单地将式4-32代入式4-31中，然后展开，即可计算它的导数：
$$f(w)=(aw+b{)}^2=a^2{w}^2+2awb+b^2\text{\hspace{1em}(4-33)}$$
$$\frac{d}{dw}f(w)=2a^{2}w+2ab\text{\hspace{1em}(4-34)}$$

4.4.4 复合函数的导数：链式法则

但是，有时式子比较复杂，很难展开。在这种情况下，可以使用链式法则。

链式法则的公式是：
$$\frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}w}=\frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}g}?\frac{\mathrm{d}g}{\mathrm{d}w}\text{\hspace{1em}(4-35)}$$

接下来，我们借着式4-31和式4-32讲解一下链式法则。
$$f(w)=f(g(w))=g(w{)}^2\text{\hspace{1em}(4-31)}$$
$$g(w)=aw+b\text{\hspace{1em}(4-32)}$$

首先，$df/dg$的部分是“$f$对$g$求导”的意思，所以可以套用导数公式，得到：
$$\frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}g}=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}g}{g}^2=2g\text{\hspace{1em}(4-36)}$$

后面的$dg/dw$是“$g$对$w$求导”的意思，所以可以得到
$$\frac{\mathrm{d}g}{\mathrm{d}w}=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}w}(aw+b)=a\text{\hspace{1em}(4-37)}$$

接下来，把式4-36和式4-37代入式4-35，就可以得到和式4-34的答案一样的答案了：
$$\frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}w}=\frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}g}?\frac{\mathrm{d}g}{\mathrm{d}w}=2ga=2(aw+b)a=2a^{2}w+2ab\text{\hspace{1em}(4-38)}$$

链式法则还可以扩展到三重甚至四重嵌套的复合函数中，比如函数：
$$f(w)=f(g(h(w)))\text{\hspace{1em}(4-39)}$$

此时，需要使用如下公式：
$$\frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}w}=\frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}g}?\frac{\mathrm{d}g}{\mathrm{d}h}?\frac{\mathrm{d}h}{\mathrm{d}w}\text{\hspace{1em}(4-40)}$$

4.4.5 基本函数的求导公式

1. $y=c(c为常数)$
   $$y^{\prime }=0$$

2. $y=x^n$
   $$y^{\prime }=n{x}^{(n?1)}$$

3. $y=a^x$
   $$y^{\prime }=a^x\ln a$$
   $$特例：y=e^x时，y^{\prime }=e^x$$

4. $y={\log }_{a}x$
   $$y^{\prime }=\frac{1}{x\ln a}$$
   $$特例：a=e时，y^{\prime }=1/x$$

4.5 偏导数

4.5.1 偏导数的概念

机器学习中不仅会用到导数，还会用到偏导数。

思考一下多变量函数，比如关于$w_0$和$w_1$的函数：
$$f\left(w_0,w_1\right)=w_0^2+2w_0{w}_1+3\text{\hspace{1em}(4-41)}$$

对于式4-41，如果只对其中一个变量（比如$w_0$）求导，而将其他变量（这里是$w_1$）当作常数，那么求出的就是偏导数。

图4-8 偏导数

“$f$对$w_0$的偏导数”的数学式是：
$$\frac{?f}{?w_0},\frac{?}{?w_0}f,f_{w_0}^{\prime }\text{\hspace{1em}(4-42)}$$

备注：偏导数的表示符号为：$\partial $ 。$\partial $读作round。$\partial $是希腊字母$\delta $的古典写法，数学里只用作表示偏导数的记号，在表示偏导数的时候，一般不念字母名称，大多念作“偏”（例如$z$对$x$的偏导数,念作“偏$z$偏$x$”）。

求偏导数的方法是“只对要求偏导数的变量进行求导”，实际上它的求导过程与普通的导数（常微分）是一样的。

例如，以前面的式4-41中的$?f/?w_0$来说，就是只关注其中的$w_0$，像下式这样思考：
$$f\left(w_0,w_1\right)=w_0^2+2w_1{w}_0+3\text{\hspace{1em}(4-43)}$$

套用导数公式之后，得到：
$$\frac{?f}{?w_0}=2w_0+2w_1\text{\hspace{1em}(4-44)}$$

而对于式4-41中的$?f/?w_1$，则只关注其中的$w_1$，像下式这样解释：
$$f\left(w_0,w_1\right)=2w_0{w}_1+w_0^2+3\text{\hspace{1em}(4-45)}$$

然后，就可以得到：
$$\frac{?f}{?w_1}=2w_0\text{\hspace{1em}(4-46)}$$

4.5.2 偏导数的图形

偏导数的图形是什么样的呢？

$f(w_0,w_1)$的函数可以使用matplotlib库绘制的三维图形或等高线图形表示。实际绘制之后会发现，它的图形就像一个两个角被提起来的方巾。

图4-9 偏导数的图形意义

为了理解$?f/?w_0$，我们可以在与$w_0$轴平行的方向上把$f$切开，然后观察$f$的截面（图4-9①）。

截面是一个向下凸出（向上开口）的二次函数，它的曲线斜率可以通过式4-44求得，式子为$?f/?w_0=2w_0+2w_1$。

当在$w_1=?1$的平面上切开时，把$w_1=?1$代入式4-44，即可得到当$w_1=?1$时斜率的计算式。

把$w_1=?1$代入$?f/?w_0$之后得到：
$${\frac{?f}{?w_0}|}_{w_1=?1}\text{\hspace{1em}(4-47)}$$

这里，使用式4-44的结果，可以像下式这样去计算（图4-9②）。这是一条斜率为2、截距为-2的直线：
$${\frac{?f}{?w_0}|}_{w_1=?1}=2w_0+{2w_1|}_{w_1=?1}=2w_0?2\text{\hspace{1em}(4-48)}$$

平行于$w_0$轴的平面有无数个。比如，当在$w_1=1$的平面上切开时，$f$的截面如图4-9③所示，截面的斜率是(图4-9④)：
$${\frac{?f}{?w_0}|}_{w_1=?1}=2w_0+{2w_1|}_{w_1=1}=2w_0+2\text{\hspace{1em}(4-50)}$$

而$?f/?w_1$是一个平行于$w_1$轴的$f$的截面，这个截面是一条直线。比如，当在$w_0=1$的平面上切开时，得到的截面如图4-12⑤所示，它的斜率是(图4-12⑥)：
$${\frac{?f}{?w_1}|}_{w_0=1}={2w_0|}_{w_0=1}=2\text{\hspace{1em}(4-50)}$$

又如，当在$w_0=?1$的平面上切开时，得到的截面的斜率是(图4-12⑦)：
$${\frac{?f}{?w_1}|}_{w_0=1}={2w_0|}_{w_0=?1}=?2\text{\hspace{1em}(4-51)}$$

总的来说，对$w_0$和$w_1$的偏导数就是分别求出$w_0$方向的斜率和$w_1$方向的斜率。

这两个斜率的组合可以解释为向量。这就是$f$对$w$的梯度（梯度向量，gradient），梯度表示的是斜率最大的方向及其大小。
$${?}_{w}f=\left[\begin{array}{c}\frac{?f}{?w_0}\\ \frac{?f}{?w_1}\end{array}\right]\text{\hspace{1em}(4-52)}$$

梯度算子?应该如何来读呢？詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell)为?发明了发音，叫作“纳布拉（Nabla）。Nabla原指一种希伯来竖琴，外形酷似倒三角。

4.5.3 梯度的图形

下面实际绘制一下梯度的图形。以下代码绘制了$f$的等高线（图4-10左），并通过箭头绘制了把$w$的空间分为网格状时各点的梯度${?}_{w}f$ (图4-10右)。

# 代码清单 4-2-(2)
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline

def f(w0, w1):                                    # (A) 定义函数f
    return w0**2 + 2 * w0 * w1 + 3

def df_dw0(w0, w1):                               # (B) 定义用于返回w0方向的偏导数的函数df_dw0
    return 2 * w0 + 2 * w1

def df_dw1(w0, w1):                               # (C) 定义用于返回w1方向的偏导数的函数df_dwl
    return 2 * w0 + 0 * w1

w_range = 2
dw = 0.25
w0 = np.arange(-w_range, w_range + dw, dw)
w1 = np.arange(-w_range, w_range + dw, dw)

ww0, ww1 = np.meshgrid(w0, w1)                    # (D) 将网格状分布的w0和w1存储在二维数组ww0和ww1中

ff = np.zeros((len(w0), len(w1)))
dff_dw0 = np.zeros((len(w0), len(w1)))
dff_dw1 = np.zeros((len(w0), len(w1)))
for i0 in range(len(w0)):
    for i1 in range(len(w1)):
        ff[i1, i0] = f(w0[i0], w1[i1])
        dff_dw0[i1, i0] = df_dw0(w0[i0], w1[i1])
        dff_dw1[i1, i0] = df_dw1(w0[i0], w1[i1])
# (E) 根据ww0和wwl计算f和偏导数的值，并将值存储在ff和dff_dw0、dff_dw1中

plt.figure(figsize=(10, 4.5))
plt.subplots_adjust(wspace=0.3)
plt.subplot(1, 2, 1)
cont = plt.contour(ww0, ww1, ff, 10, colors='k')  # (F) 将ff显示为等高线
cont.clabel(fmt='%d', fontsize=8)
plt.xticks(range(-w_range, w_range + 1, 1))
plt.yticks(range(-w_range, w_range + 1, 1))
plt.xlim(-w_range - 0.5, w_range + 0.5)
plt.ylim(-w_range - 0.5, w_range + 0.5)
plt.xlabel('$w_0$', fontsize=14)
plt.ylabel('$w_1$', fontsize=14)

plt.subplot(1, 2, 2)
plt.quiver(ww0, ww1, dff_dw0, dff_dw1)           # (G) 将梯度显示为箭头
plt.xlabel('$w_0$', fontsize=14)
plt.ylabel('$w_1$', fontsize=14)
plt.xticks(range(-w_range, w_range + 1, 1))
plt.yticks(range(-w_range, w_range + 1, 1))
plt.xlim(-w_range - 0.5, w_range + 0.5)
plt.ylim(-w_range - 0.5, w_range + 0.5)
plt.show()

输出结果：

以上代码首先在(A)处定义了函数$f$，然后在(B)处定义了用于返回$w_0$方向的偏导数的函数df_dw0，在?处定义了用于返回$w_1$方向的偏导数的函数df_dwl。

(D)处的ww0, ww1 = np.meshgrid(w0, w1)将网格状分布的$w_0$和$w_1$存储在了二维数组ww0和ww1中。(E)用于根据ww0和wwl计算$f$和偏导数的值，并将值存储在ff和dff_dw0、dff_dw1中。(F)用于将ff显示为等高线，(G)用于将梯度显示为箭头。

用于显示箭头的代码(G)是通过plt.quiver(ww0, ww1, dff_dw0, dff_dw1)绘制从坐标点(ww0, wwl)到方向(dff_dw0, dff_dw1)的箭头的。

图4-10梯度向量

通过图4-10左侧的$f$的等高线图形上的数值，我们可以想象到$f$的地形是右上方和左下方较髙，左上方和右下方较低。图4-10右侧是这种地形的梯度，可以看到箭头朝向的是各个点中斜面较高的方向，而且斜面越陡(等高线间隔越短)，箭头越长。

观察可知，箭头无论从哪个地点开始，都总是朝向图形中地形较高的部分。相反，箭尾总是朝向地形较低的部分。因此，梯度是用于寻找函数的最大点或最小点的一个重要概念。在机器学习中，在求误差函数的最小点时会使用误差函数的梯度。

4.5.4 多变量的复合函数的偏导数

当嵌套的是多变量函数时，该怎么求导呢？我们会在推导多层神经网络的学习规则时遇到这个问题。
比如，$g_0$和$g_1$都是关于$w_0$和$w_1$的函数，$f$是关于函数$g_0$和$g_1$的函数。现在我们使用链式法则来表示$f$对$w_0$和$w_1$的偏导数(图4-11)：
$$f\left(g_0\left(w_0,w_1\right),g_1\left(w_0,w_1\right)\right)\text{\hspace{1em}(4-53)}$$

图4-11 偏导数的链式法则

下面先说一下结论，对$w_0$求偏导数的式子是：
$$\begin{gathered} \frac{?}{?w_0}f\left(g_0\left(w_0,w_1\right),g_1\left(w_0,w_1\right)\right)=\frac{?f}{?g_0}?\frac{?g_0}{?w_0}+\frac{?f}{?g_1}?\frac{?g_1}{?w_0} \\ \text{\hspace{1em}(4-54)} \end{gathered}$$

对$w_1$求偏导数的式子是：
$$\begin{gathered} \frac{?}{?w_1}f\left(g_0\left(w_0,w_1\right),g_1\left(w_0,w_1\right)\right)=\frac{?f}{?g_0}?\frac{?g_0}{?w_1}+\frac{?f}{?g_1}?\frac{?g_1}{?w_1} \\ \text{\hspace{1em}(4-55)} \end{gathered}$$

比如，当$f$如下式时，该如何求解$\frac{?f}{?w_0}$呢？
$$f={\left(g_0+2g_1?1\right)}^2,g_0=w_0+2w_1+1,g_1=2w_0+3w_1?1\text{\hspace{1em}(4-56)}$$

此时，式4-54的构成要素就变成了：
$$\frac{?f}{?g_0}=2\left(g_0+2g_1?1\right)\text{\hspace{1em}(4-57)}$$
$$\frac{?f}{?g_1}=2\left(g_0+2g_1?1\right)?2\text{\hspace{1em}(4-58)}$$
$$\frac{?g_0}{?w_0}=1\text{\hspace{1em}(4-59)}$$
$$\frac{?g_1}{?w_0}=2\text{\hspace{1em}(4-60)}$$

把它们代入式4-54，即可像下式这样求解，请注意，式4-57和式4-58也使用了链式法则：
$$\frac{?f}{?w_0}=2\left(g_0+2g_1?1\right)?1+2\left(g_0+2g_1?1\right)?2?2=10g_0+20g_1?10\text{\hspace{1em}(4-61)}$$

在实际推导神经网络的学习规则时，使用的往往是像$f(g_0(w_0,w_1),g_1(w_0,w_1$),…, $g_m(w_0,w_1)$这样嵌套了至少两个函数的函数。此时，链式法则是：
$$\frac{?f}{?w_0}=\frac{?f}{?g_0}?\frac{?g_0}{?w_0}+\frac{?f}{?g_1}?\frac{?g_1}{?w_0}+?+\frac{?f}{?g_M}?\frac{?g_M}{?w_0}=\sum _{m=0}^M\frac{?f}{?g_m}?\frac{?g_m}{?w_0}\text{\hspace{1em}(4-62)}$$

4.5.5 交换求和与求导的顺序

在机器学习中，计算时常常需要对一个用求和符号表示的函数求导，比如（本节将偏导数也称为导数）：
$$\frac{?}{?w}\sum _{n=1}^{3}n{w}^2\text{\hspace{1em}(4-63)}$$

单纯地说，应该可以先求和再求导：
$$\frac{?}{?w}\left(w^2+2w^2+3w^2\right)=\frac{?}{?w}6w^2=12w$$

但是，实际上即使先求出各项的导数再求和，答案也是一样的：
$$\frac{?}{?w}\left(w^2+2w^2+3w^2\right)=\frac{?}{?w}{w}^2+\frac{?}{?w}2w^2+\frac{?}{?w}3w^2=2w+4w+6w=12w$$

如果使用求和符号表示上述计算过程，则具体为：
$$\frac{?}{?w}{w}^2+2\frac{?}{?w}{w}^2+3\frac{?}{?w}{w}^2=\sum _{n=1}^3\frac{?}{?w}n{w}^2\text{\hspace{1em}(4-64)}$$

因此，根据式4-63和式4-64，下式成立：
$$\frac{?}{?w}\sum _{n=1}^{3}n{w}^2=\sum _{n=1}^3\frac{?}{?w}n{w}^2\text{\hspace{1em}(4-65)}$$

我们可以把它一般化为下式。如图4-12所示，可以把导数符号提取到求和符号的右侧，先进行求导计算。
$$\frac{?}{?w}\sum _n{f}_n(w)=\sum _n\frac{?}{?w}{f}_n(w)\text{\hspace{1em}(4-66)}$$

图4-12 导数符号和求和符号的互换

我们常常遇到先求导可以令计算更轻松，或者只能求导的情况。因此，机器学习中经常会用到式4-66。

比如，我们使用下式思考一下：
$$J=\frac{1}{N}\sum _{n=0}^{N?1}{\left(w_0{x}_n+w_1?t_n\right)}^2\text{\hspace{1em}(4-67)}$$

在求上述函数对$w_0$的导数时，要使用式4-66将导数符号移至求和符号的右侧：
$$\frac{?J}{?w_0}=\frac{?}{?w_0}\frac{1}{N}\sum _{n=0}^{N?1}{\left(w_0{x}_n+w_1?t_n\right)}^2=\frac{1}{N}\sum _{n=0}^{N?1}\frac{?}{?w_0}{\left(w_0{x}_n+w_1?t_n\right)}^2\text{\hspace{1em}(4-68)}$$

然后，求出导数，得到：
$$\begin{array}{l}=\frac{1}{N}{\sum }_{n=0}^{N?1}2\left(w_0{x}_n+w_1?t_n\right)x_n\\ =\frac{2}{N}{\sum }_{n=0}^{N?1}\left(w_0{x}_n+w_1?t_n\right)x_n\end{array}\text{\hspace{1em}(4-69)}$$

这里，在计算$\frac{?}{?w_0}{\left(w_0{x}_n+w_1?t_n\right)}^2=2\left(w_0{x}_n+w_1?t_n\right)x_n$时，我们使用了链式法则的式子，即$f=g^2,g=w_0{x}_n+w_1?t_n$。