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Web仔也來學ML系列 第 18

Web仔也來學ML [Day 18] - Perceptron

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在上一篇中,我們介紹了好幾種Learning Rate的調整方法和策略,我打算今天和明天再講解一些ML的基礎和做個小結,在第20天的時候,我們會進入Deep Learning的部分。

Perceptron原理

感知器(Perceptron)是機器學習中最早期的一種神經網路模型。它是一種二元分類模型,它接收多個二元數值並輸出「一個」二元數值。感知器的基本原理是模仿生物神經元的運作方式,通過對輸入信號進行加權總和,然後應用激活函數來輸出結果。

感知器的原理其實很簡單,它把接收的所有的輸入乘上各自的權重並進行加總,如果這個加總過後的值大於某個閾值,我們這邊稱它為threshold,就輸出1,小於這個threshold就輸出0:
https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20240930/20162542WFsL9u60Si.jpg

例子:
朋友邀請我去他的新家,我只會有兩種可能:去 或 不去,這樣的例子可以很好的用Perceptron來講解。
那麽什麽因素會影響我去或不去呢,這就是Feature,輸入。設:

  • x1 = 當天不是颱風天(1=是, 0=不是)
  • x2 = 當天有烤肉(1=是, 0=不是)
  • x3 = 我前一晚沒有熬夜(1=是, 0=不是)

那麽對我來説,假如我的閾值設爲7,然後對我最重要的因素是當天不是颱風天,因爲如果是颱風天的話,我可能就沒辦法過去了,所以當天有沒有颱風對我來説非常非常重要,我給了他一個較大的權重為5。
同樣,作爲一個吃貨來説有沒有在他家烤肉也是對我來説很重要的事,因此我給了他一個權重4;如果我前一晚熬夜,可能會導致我隔天太過勞累,所以我給第三個條件的權重為3。

如果:
當天不是颱風天,且有烤肉,但是我前一晚熬夜了,我的總值會是:5*1 + 4*1 + 3*0 = 9 > 7,所以我的output等於1=>結論就是去。


化簡公式

輸入向量 x 和權重向量 w 之間的關係可以通過內積來表示,輸入的每個元素 x_i 都會與對應的權重 w_i 相乘,然後將所有結果相加,形成一個加權總和。這個操作可以更簡潔地表示為兩個向量的內積 w ⋅ x
https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20240930/20162542Ngwd0X3lIW.png

當加權總和超過這個閾值時,模型輸出Class 1,否則輸出Class 2。這個過程可以表達為不等式:
https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20240930/20162542abQGWxkDvx.png

為了簡化這個表達式,通常會將threshold移到不等式的左邊,並表示為一個負的閾值,即:
https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20240930/20162542TdgE3B0anx.png

這樣的表達方式還可以進一步簡化,將threshold視為一個偏置項(bias),並用符號 b 來表示。因此,新的表達式變成:
https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20240930/20162542A7Qv8uAblz.png

這是化簡過後的完整式子:
https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20240930/20162542Nm2oCJRhia.jpg


缺點

但是就如同其他的綫性模型一樣,Perceptron的局限性也很大,如果偏置項 b 是一個非常大的正數,則即使w⋅x是一個很小的數值,加上這個大的偏置後,整個輸入值 w⋅x+b 仍然會是一個正數。這意味著無論輸入 x 如何變化,神經元幾乎總是會被激活,輸出為 1。反之亦然。

這說明了感知器的一個局限性,當偏置項的值過大或過小時,輸出的靈活性會大大減少。這也揭示了感知器的另一個重要限制,即它只能處理線性可分的問題。當問題不能用一條線性邊界來分割時,單層感知器無法有效解決。


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