如何用30行JavaScript代码编写神经网络异或运算器

配置环境、安装合适的库、下载数据集……有时候学习深度学习的前期工作很让人沮丧，如果只是为了试试现在人人都谈的深度学习，做这些麻烦事似乎很不值当。但好在我们也有一些更简单的方法可以体验深度学习。近日，编程学习平台 Scrimba 联合创始人 Per Harald Borgen 在 Medium 上发文介绍了一种仅用 30 行 JavaScript 代码就创建出了一个神经网络的教程，而且使用的工具也只有 Node.js、Synaptic.js 和浏览器而已。另外，作者还做了一个交互式 Scrimba 教程，也许能帮你理解其中的复杂概念。

Synaptic.js：https://synaptic.juancazala.com

Node.js：https://nodejs.org

Scrimba 教程：https://scrimba.com/casts/cast-1980

Synaptic.js 让你可以使用 Node.js 和浏览器做深度学习。在这篇文章中，我将介绍如何使用 Synaptic.js 创建和训练神经网络。

// 创建网络
const { Layer, Network } = window.synaptic;

var inputLayer = new Layer(2);
var hiddenLayer = new Layer(3);
var outputLayer = new Layer(1);

inputLayer.project(hiddenLayer);
hiddenLayer.project(outputLayer);

var myNetwork = new Network({
    input: inputLayer,
    hidden: [hiddenLayer],
    output: outputLayer
});

// 训练网络——学习异或运算
var learningRate = .3;
for (var i = 0; i < 20000; i++)
{
    // 0,0 => 0
    myNetwork.activate([0,0]);
    myNetwork.propagate(learningRate, [0]);

    // 0,1 => 1
    myNetwork.activate([0,1]);
    myNetwork.propagate(learningRate, [1]);

    // 1,0 => 1
    myNetwork.activate([1,0]);
    myNetwork.propagate(learningRate, [1]);

    // 1,1 => 0
    myNetwork.activate([1,1]);
    myNetwork.propagate(learningRate, [0]);
}

// 测试网络
console.log(myNetwork.activate([0,0])); // [0.015020775950893527]
console.log(myNetwork.activate([0,1])); // [0.9815816381088985]
console.log(myNetwork.activate([1,0])); // [0.9871822457132193]
console.log(myNetwork.activate([1,1])); // [0.012950087641929467]

我们将创建一个最简单的神经网络：一个可以执行异或运算的网络。上面就是这个网络的全部代码，但在我们深入解读这些代码之前，首先我们先了解一下神经网络的基础知识。

神经元和突触

神经网络的基本构造模块是神经元。神经元就像是一个函数，有几个输入，然后可以得到一个输出。神经元的种类有很多。我们的网络将使用 sigmoid 神经元，它可以输入任何数字并将其压缩到 0 到 1 之间。下图就是一个 sigmoid 神经元。它的输入是 5，输出是 1。箭头被称为突触，可以将该神经元与网络中的其它层连接到一起。

所以，红色的数字 5 是哪里来的？它是左边的三个突触的和，让我们来剖析一下。

在最左边我们可以看到两个值和一个所谓偏置（bias）值。这两个值是 1 和 0，用绿色表示。偏置值是 -2，用棕色表示。

首先，这两个输入与它们的权重（weight）相乘，即蓝色的数字 7 和 3。最后我们将这两个值与偏置加到一起就得到了红色的 5。这就是这个人工神经元的输入。

因为这是一个 sigmoid 神经元，会将任何值压缩到 0 到 1 之间，那么这个输出可以被压缩成 1。

如果你将这些神经元连接成一个网络，你就得到了一个神经网络。通过突触彼此相连的神经元可以向前传播输入，从而得到输出，如下图所示：

训练神经网络的目的是让它能够进行泛化，比如识别手写的数字或垃圾邮件。实现很好的泛化涉及为整个网络找到合适的权重和偏置值，就像我们上面案例中的蓝色和棕色数字。

当训练一个神经网络时，你只需要向其展示大量样本（比如手写数字），然后让其预测正确的答案即可。

在每次预测之后，你要计算这个预测的错误程度，并调整其权重和偏置值让该网络在下一轮预测时能更正确一点。这个学习过程被称为反向传播（backpropagation）。如此反复几千次，你的网络很快就擅长泛化了。

本教程不会解释反向传播的具体技术细节，但如果你有兴趣了解，可以参阅下面的文章：

• 反向传播的一步步示例：http://mattmazur.com/2015/03/17/a-step-by-step-backpropagation-example/
  
• 神经网络黑客指南：http://karpathy.github.io/neuralnets/
  
• 神经网络和深度学习：http://neuralnetworksanddeeplearning.com/chap1.html
  

代码

现在你已经了解了基本的知识，就开始写代码吧！首先我们需要创建层。我们可以使用 synaptic 中的 new Layer() 函数。传递给该函数的数字表示每层应该有多少个神经元。

如果你不知道层是什么，可以看看上面提到的交互式教程。

const { Layer, Network } = window.synaptic;
var inputLayer = new Layer(2);
var hiddenLayer = new Layer(3);
var outputLayer = new Layer(1);

接下来，我们将这些层连接到一起，并实例化一个新网络，如下：

inputLayer.project(hiddenLayer);
hiddenLayer.project(outputLayer);
var myNetwork = new Network({
 input: inputLayer,
 hidden: [hiddenLayer],
 output: outputLayer
});

所以，这就是一个「2 层-3 层-1 层」的网络，可以可视化为下图的形式：

现在训练这个网络：

// train the network - learn XOR
var learningRate = .3;
for (var i = 0; i < 20000; i++) {
  // 0,0 => 0
  myNetwork.activate([0,0]);
  myNetwork.propagate(learningRate, [0]);
  // 0,1 => 1
  myNetwork.activate([0,1]);
  myNetwork.propagate(learningRate, [1]);
  // 1,0 => 1
  myNetwork.activate([1,0]);
  myNetwork.propagate(learningRate, [1]);
  // 1,1 => 0
  myNetwork.activate([1,1]);
  myNetwork.propagate(learningRate, [0]);
}

这里我们运行该网络 20000 次。每一次我们都前向和反向传播 4 次，为该网络输入 4 组可能的输入：[0,0] [0,1] [1,0] [1,1]。

首先我们执行 myNetwork.activate([0,0])，其中 [0,0] 是我们发送给该网络的数据点。这是前向传播，也称为激活这个网络。在每次前向传播之后，我们需要执行反向传播，这时候网络会更新自己的权重和偏置。

反向传播是通过这行代码完成的：myNetwork.propagate(learningRate, [0])，其中 learningRate 是一个常数，给出了网络每次应该调整的权重的量。第二个参数 0 是给定输入 [0,0] 对应的正确输出。

然后，该网络将自己的预测与正确的标签进行比较，从而了解自己的正确程度有多少。

然后网络使用这个比较为基础来校正自己的权重和偏置值，这样让自己的下一次猜测更加正确一点。

这个过程如此反复 20000 次之后，我们可以使用所有四种可能的输入来检查网络的学习情况：

console.log(myNetwork.activate([0,0])); 
-> [0.015020775950893527]
console.log(myNetwork.activate([0,1]));
->[0.9815816381088985]
console.log(myNetwork.activate([1,0]));
-> [0.9871822457132193]
console.log(myNetwork.activate([1,1]));
-> [0.012950087641929467]

如果我们将这些值四舍五入到最近的整数，我们就得到了正确的异或运算结果。欢呼吧！

这样就完成了。尽管这仅仅只碰到了神经网络的表皮，但也足以帮助你进一步探索 Synaptic 和继续学习了。https://github.com/cazala/synaptic/wiki 这里还包含了更多好教程。