DeepLearning tutorial（3）MLP多层感知机原理简介+代码详解
@author：wepon
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本文介绍多层感知机算法，特别是详细解读其代码实现，基于python theano，代码来自：Multilayer Perceptron，如果你想详细了解多层感知机算法，可以参考：UFLDL教程，或者参考本文第一部分的算法简介。
经详细注释的代码：放在我的github地址上，可下载。
多层感知机（MLP，Multilayer Perceptron）也叫人工神经网络（ANN，Artificial Neural Network），除了输入输出层，它中间可以有多个隐层，最简单的MLP只含一个隐层，即三层的结构，如下图：
从上图可以看到，多层感知机层与层之间是全连接的（全连接的意思就是：上一层的任何一个神经元与下一层的所有神经元都有连接）。多层感知机最底层是输入层，中间是隐藏层，最后是输出层。
输入层没什么好说，你输入什么就是什么，比如输入是一个n维向量，就有n个神经元。
隐藏层的神经元怎么得来？首先它与输入层是全连接的，假设输入层用向量X表示，则隐藏层的输出就是
f(W1X+b1)，W1是权重（也叫连接系数），b1是偏置，函数f 可以是常用的sigmoid函数或者tanh函数：
最后就是输出层，输出层与隐藏层是什么关系？其实隐藏层到输出层可以看成是一个多类别的逻辑回归，也即softmax回归，所以输出层的输出就是softmax(W2X1+b2)，X1表示隐藏层的输出f(W1X+b1)。
MLP整个模型就是这样子的，上面说的这个三层的MLP用公式总结起来就是，函数G是softmax
因此，MLP所有的参数就是各个层之间的连接权重以及偏置，包括W1、b1、W2、b2。对于一个具体的问题，怎么确定这些参数？求解最佳的参数是一个最优化问题，解决最优化问题，最简单的就是梯度下降法了（SGD）：首先随机初始化所有参数，然后迭代地训练，不断地计算梯度和更新参数，直到满足某个条件为止（比如误差足够小、迭代次数足够多时）。这个过程涉及到代价函数、规则化（Regularization）、学习速率（learning rate）、梯度计算等，本文不详细讨论，读者可以参考本文顶部给出的两个链接。
了解了MLP的基本模型，下面进入代码实现部分。
再次说明，代码来自：Multilayer Perceptron，本文只是做一个详细解读，如有错误，请不吝指出。
这个代码实现的是一个三层的感知机，但是理解了代码之后，实现n层感知机都不是问题，所以只需理解好这个三层的MLP模型即可。概括地说，MLP的输入层X其实就是我们的训练数据，所以输入层不用实现，剩下的就是“输入层到隐含层”，“隐含层到输出层”这两部分。上面介绍原理时已经说到了，“输入层到隐含层”就是一个全连接的层，在下面的代码中我们把这一部分定义为HiddenLayer。“隐含层到输出层”就是一个分类器softmax回归（也有人叫逻辑回归），在下面的代码中我们把这一部分定义为LogisticRegression。
代码详解开始：
（1）导入必要的python模块
主要是numpy、theano，以及python自带的os、sys、time模块，这些模块的使用在下面的程序中会看到。
（2）定义MLP模型（HiddenLayer+LogisticRegression）
这一部分定义MLP的基本“构件”，即上文一直在提的HiddenLayer和LogisticRegression
- HiddenLayer
隐含层我们需要定义连接系数W、偏置b，输入、输出，具体的代码以及解读如下：
- LogisticRegression
逻辑回归（softmax回归），代码详解如下。
（如果你想详细了解softmax回归，可以参考： DeepLearning tutorial（1）Softmax回归原理简介+代码详解）
ok！这两个基本“构件”做好了，现在我们可以将它们“组装”在一起。
我们要三层的MLP，则只需要HiddenLayer+LogisticRegression，
如果要四层的MLP，则为HiddenLayer+HiddenLayer+LogisticRegression........以此类推。
下面是三层的MLP：
MLP类里面除了隐含层和分类层，还定义了损失函数、规则化项，这是在求解优化算法时用到的。
（3）将MLP应用于MNIST（手写数字识别）
上面定义好了一个三层的MLP，接下来使用它在MNIST数据集上分类，MNIST是一个手写数字0～9的数据集。
首先定义加载数据 mnist.pkl.gz 的函数load_data()：
加载了数据，可以开始训练这个模型了，以下就是主体函数test_mlp()，将MLP用在MNIST上：
文章完，经详细注释的代码：放在我的github地址上，可下载。
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