人工智能之神經網絡新思路：OpenAI用線性非線性問題

　　　　神經網絡通常由一個線性層和非線性函數(shù)（比如 tanh 和修正線性單元 ReLU）堆棧而成。如果沒有非線性，理論上一連串的線性層和單一的線性層在數(shù)學上是等價的。因此浮點運算是非線性的，并足以訓練深度網絡。這很令人驚訝。

　　計算機使用的數(shù)字并不是完美的數(shù)學對象，而是使用有限個比特的近似表示。浮點數(shù)通常被計算機用于表示數(shù)學對象。每一個浮點數(shù)由小數(shù)和指數(shù)的組合構成。在 IEEE 的 float32 標準中，小數(shù)分配了 23 個比特，指數(shù)分配了 8 個比特，還有一個比特是表示正負的符號位 sign。

　　按照這種慣例和二進制格式，以二進制表示的最小非零正常數(shù)是 1.0..0 x 2^-126，以下用 min 來指代。而下一個可表示的數(shù)是 1.0..01 x 2^-126，可以寫作 min+0.0..01 x 2^-126。很顯然，第一和第二個數(shù)之間的 gap 比 0 和 min 之間的 gap 小了 2^20 倍。在 float32 標準中，當一個數(shù)比最小的可表示數(shù)還小的時候，則該數(shù)字將被映射為零。因此，近鄰零的所有包含浮點數(shù)的計算都將是非線性的。（而反常數(shù)是例外，它們在一些計算硬件上可能不可用。在我們的案例中通過設置歸零（flush to zero，F(xiàn)TZ）解決這個問題，即將所有的反常數(shù)當成零。）

　　因此，雖然通常情況下，所有的數(shù)字和其浮點數(shù)表示之間的區(qū)別很小，但是在零附近會出現(xiàn)很大的 gap，而這個近似誤差可能帶來很大影響。

　　這會導致一些奇怪的影響，一些常用的數(shù)學規(guī)則無法發(fā)揮作用。比如，（a + b） x c 不等于 a x c + b x c。

　　比如，如果你設置 a = 0.4 x min，b = 0.5 x min，c = 1 / min。

　　則：（a+b） x c = （0.4 x min + 0.5 x min） x 1 / min = （0 + 0） x 1 / min = 0。

　　然而：（a x c） + （b x c） = 0.4 x min / min + 0.5 x min x 1 / min = 0.9。

　　再比如，我們可以設置 a = 2.5 x min，b = -1.6 x min，c = 1 x min。

　　則：（a+b） + c = （0） + 1 x min = min

　　然而：（b+c） + a = （0 x min） + 2.5 x min = 2.5 x min。

　　在這種小尺度的情況下，基礎的加法運算變成非線性的了！

　　我們想知道這種內在非線性是否可以作為計算非線性的方法，如果可以，則深度線性網絡能夠執(zhí)行非線性運算。挑戰(zhàn)在于現(xiàn)代微分庫在非線性尺度較小時會忽略它們。因此，使用反向傳播利用非線性訓練神經網絡很困難或不可能。

　　我們可以使用進化策略（ES），無需依賴符號微分（symbolic differenTIaTIon）法就可以評估梯度。使用進化策略，我們可以將 float32 的零點鄰域（near-zero）行為作為計算非線性的方法。深度線性網絡通過反向傳播在 MNIST 數(shù)據集上訓練時，可獲取 94% 的訓練準確率和 92% 的測試準確率（機器之心使用三層全連接網絡可獲得 98.51% 的測試準確率）。相對而言，相同的線性網絡使用進化策略訓練可獲取大于 99% 的訓練準確率、96.7% 的測試準確率，確保激活值足夠小而分布在 float32 的非線性區(qū)間內。訓練性能的提升原因在于在 float32 表征中使用非線性的進化策略。這些強大的非線性允許任意層生成新的特征，這些特征是低級別特征的非線性組合。以下是網絡結構：

　　在上面的代碼中，我們可以看出該網絡一共 4 層，第一層為 784（28*28）個輸入神經元，這個數(shù)量必須和 MNIST 數(shù)據集中單張圖片所包含像素點數(shù)相同。第二層與第三層都為隱藏層且每層有 512 個神經元，最后一層為輸出的 10 個分類類別。其中每兩層之間的全連接權重為服從正態(tài)分布的隨機初始化值。nr_params 為加和所有參數(shù)的累乘。下面定義一個 get_logist（） 函數(shù)，該函數(shù)的輸入變量 par 應該可以是上面定義的 nr_params，因為定義添加偏置項的索引為 1、3、5，這個正好和前面定義的 nr_params 相符，但 OpenAI并沒有給出該函數(shù)的調用過程。該函數(shù)第一個表達式計算第一層和第二層之間的前向傳播結果，即計算輸入 x 與 w1 之間的乘積再加上縮放后的偏置項（前面 b1、b2、b3 都定義為零向量）。后面兩步的計算也基本相似，最后返回的 o 應該是圖片識別的類別。不過 OpenAI 只給出了網絡架構，而并沒有給出優(yōu)化方法和損失函數(shù)等內容。