金融业信贷风控算法10-神经网络模型

一. 神经网络模型的概述

1.1 什么是人工神经网络模型

人工神经网络(Artificial Neural Network, ANN)没有一个严格的正式定义。它的基本特点，是试图模仿大脑的神经元之间传递，处理信息的模式。

一个计算模型，要被称为为神经网络，通常需要大量彼此连接的节点 （也称 ‘神经元’），并且具备两个特性：

**总结：**神经网络算法的核心就是：计算、连接、评估、纠错、学习

1.2 ANN的类型

ANN类型的划分主要考虑网络连接的拓扑结构、神经元的特征、学习规则等。目前，已有近40种神经网络模型，其中有反传网络、感知器、自组织映射、Hopfield网络、波耳兹曼机、适应谐振理论等。根据连接的拓扑结构，神经网络模型可以分为：

1. 前向网络
   网络中各个神经元接受前一级的输入，并输出到下一级，网络中没有反馈，可以用一个有向无环路图表示。这种网络实现信号从输入空间到输出空间的变换，它的信息处理能力来自于简单非线性函数的多次复合。网络结构简单，易于实现。反传网络是一种典型的前向网络。

2. 反馈网络
   网络内神经元间有反馈，可以用一个无向的完备图表示。这种神经网络的信息处理是状态的变换，可以用动力学系统理论处理。系统的稳定性与联想记忆功能有密切关系。Hopfield网络、波耳兹曼机均属于这种类型。

1.3 ANN的一个结构样例

单层感知机是最简单的ANN模型
二类分类的线性分类模型，其输入为样本的特征向量，输出为样本的类别，取1和0二值，即通过某样本的特征，就可以准确判断该样本属于哪一类

二. 激活函数与损失函数

2.1 激活函数

用于处理复杂的非线性分类情况。比线性回归、logistic回归灵活。训练的时候注意过拟合。
非线性激活函数

2.1.1 Sigmoid

?(?)=1/(1+exp⁡(−?))

特点：

1. 当x趋近负无穷时，y趋近于0；趋近于正无穷时，y趋近于1；
2. x超出[-6,6]的范围后，函数值基本上没有变化，值非常接近0或者1
3. 该函数的值域范围限制在(0,1)之间，这样sigmoid函数就能与一个概率分布联系起来了。
4. $f^{\prime }(x)=f(x)(1-f(x))$

2.1.2 双曲正切

$tanh(x)=(e^x-e^{(}-x))/(e^x+e^{(}-x))$

特点：

1. 当x趋近负无穷时，y趋近于-1；趋近于正无穷时，y趋近于1；
2. x超出[-3,3]的范围后，函数值基本上没有变化，值非常接近-1或者1
3. 该函数的值域范围限制在(-1,1)之间
4. $tan{h}^{\prime }(x)=1-tanh(x{)}^2$

2.1.3 修正线性单元Rectifier Linear Units（ReLU）

$f(x)=max(0,x)$

特点：

1. 只有有一半隐含层是处于激活状态，其余都是输出为0
2. 不会出现梯度消失的问题（即在sigmoid接近饱和区时，导数趋于0，这种情况会造成信息丢失）
3. 只需比较、乘加运算，因此计算方便，计算速度快，加速了网络的训练
4. ReLU比sigmoid更接近生物学的激活模型
5. 还有一些改进或的变体

2.1.4 Softplus

$f(x)=log(1+e^x)$

特点：

1. x趋于负无穷时，softplus趋于0；x趋于正无穷时， softplus趋于x
2. 它是ReLU的平滑版
3. 它是sigmoid的原函数

2.1.5 激活函数对比

Sigmoid & Tanh

Softplus & Relu

2.2 损失函数

常见的损失函数
用于回归中的均方损失：
KaTeX parse error: Expected 'EOF', got '̂' at position 15: ?=1/2 (?−? ̲̂ )^2
用于分类中的交叉熵损失函数：

k=1,2,…,m表示m种类别。在违约预测中m=2

关于交叉熵的简单说明

三. 反向传播法

前向神经网络的计算是前向传播，即信息沿着输入层->隐藏层1->隐藏层2->… ->输出层的路线由前往后。一次传播后，输出层的结果与真实标签存在在一定的误差。此时可以根据误差的结果对每一层的权值进行调整，调整的原则是使得在当前结构下，调优后最终的输出与标签的误差“最小化”。
由于神经网络的层级的特点，每一层节点的权值都会对最后的误差产生影响；反之，得到误差后每一层节点的权值都要进行修正。和之前介绍的逻辑回归模型一样，权值修正的方法也是梯度法，即
更新的权值=当前权值-误差梯度*学习速率
下面以带一个隐藏层的神经网络结构为例介绍权值调整的方法。多隐藏层的调整方法类似。

3.1 变量、节点、权重的标记

3.2 链式求导

3.3 梯度消失与梯度爆炸

3.4 梯度消失与梯度爆炸的解决办法

方案1： 梯度剪切、正则
这个方案主要是针对梯度爆炸提出的，其思想是设置一个梯度剪切阈值，然后更新梯度的时候，如果梯度超过这个阈值，那么就将其强制限制在这个范围之内这可以防止梯度爆炸。

方案2： ReLU等激活函数
ReLU激活函数的导数为1，因此不存在梯度消失爆炸的问题了，每层的网络都可以得到相同的更新速度

方案3： batchnorm
全名是batch normalization，简称BN，即批规范化，通过规范化操作将输出信号x规范化保证网络的稳定性。 BN就是通过对每一层的输出规范为均值和方差一致的方法，消除了带来的放大缩小的影响，进而解决梯度消失和爆炸的问题，或者可以理解为BN将输出从饱和区拉倒了非饱和区。
More：其他一些复杂的结构：残差结构、LSTM等

参考:

1. http://www.dataguru.cn/mycourse.php?mod=intro&lessonid=1701