基础自编码器的数学公式表示

基于之前介绍的组成部分，我们来对基础自编码器进行数学形式化。自编码器由编码器和解码器两部分组成，它们通常以神经网络的形式实现。

编码器函数

编码器（记作 $f$）接收一个输入向量 $x \in \mathbb{R}^d$，并将其映射到低维潜在表示（或编码）$z \in \mathbb{R}^k$，其中 $k < d$。这个映射由编码器的参数 $\theta_e$（包含权重和偏置）来确定。我们可以写成：

$z = f(x; \theta_e)$

对于一个简单的单隐藏层自编码器，这可能看起来像：

$z = \sigma_e(W_e x + b_e)$

其中，$W_e$ 是权重矩阵，$b_e$ 是偏置向量，$\sigma_e$ 是编码器的逐元素激活函数（如 Sigmoid、ReLU 或 tanh）。实际应用中，编码器可以是包含多个层的更深的网络。

解码器函数

解码器（记作 $g$）接收潜在表示 $z \in \mathbb{R}^k$，并将其映射回重构结果 $\hat{x} \in \mathbb{R}^d$。目标是使 $\hat{x}$ 尽可能地接近原始输入 $x$。这个映射由解码器的参数 $\theta_d$ 来确定：

$\hat{x} = g(z; \theta_d)$

与编码器类似，一个简单的单层解码器可能表示为：

$\hat{x} = \sigma_d(W_d z + b_d)$

其中 $W_d$ 和 $b_d$ 是解码器的权重和偏置，$\sigma_d$ 是解码器的激活函数。$\sigma_d$ 的选择通常取决于输入数据 $x$ 的特性。例如，如果 $x$ 表示介于 0 和 1 之间归一化的像素值，则 Sigmoid 激活函数很常用。如果 $x$ 可以取任何实数值（归一化后），则可以使用线性激活函数。

整体自编码器与目标函数

整个自编码器结合了编码器和解码器。给定输入 $x$，重构结果 $\hat{x}$ 是通过先将 $x$ 编码为 $z$，然后将 $z$ 解码回 $\hat{x}$ 而获得的：

$\hat{x} = g(f(x; \theta_e); \theta_d)$

自编码器通过最小化原始输入 $x$ 与其重构结果 $\hat{x}$ 之间的差异进行训练。这种差异由重构损失函数 $L(x, \hat{x})$ 量化。自编码器的整体目标函数 $J(\theta)$（其中 $\theta = \{\theta_e, \theta_d\}$ 代表所有可训练参数）通常是数据集 $D = \{x^{(1)}, x^{(2)}, ..., x^{(N)}\}$ 中 $N$ 个样本的平均损失：

$J(\theta) = \frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} L(x^{(i)}, \hat{x}^{(i)})$

代入编码器和解码器函数：

$J(\theta) = \frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} L(x^{(i)}, g(f(x^{(i)}; \theta_e); \theta_d))$

常见重构损失函数

$L(x, \hat{x})$ 的选择较为重要，并取决于输入数据 $x$ 的特性：

1. 均方误差（MSE）： 当输入数据是连续的（常假定为高斯分布）时使用。它衡量 $x$ 和 $\hat{x}$ 各元素之间的平均平方差。 $L_{MSE}(x, \hat{x}) = \frac{1}{d} \sum_{j=1}^{d} (x_j - \hat{x}_j)^2$ 最小化 MSE 对应于在重构误差为高斯分布的假设下最大化对数似然。它适合归一化图像像素或连续特征等输入。

2. 二元交叉熵（BCE）： 当输入数据是二元或可解释为概率（例如，范围在 [0, 1] 的值）时使用。这通常适用于 MNIST 等图像，其中像素值被视为伯努利参数。 $L_{BCE}(x, \hat{x}) = - \frac{1}{d} \sum_{j=1}^{d} [x_j \log(\hat{x}_j) + (1 - x_j) \log(1 - \hat{x}_j)]$ 最小化 BCE 对应于在输入每个元素服从伯努利分布的假设下最大化对数似然。当使用 BCE 时，解码器的最终激活函数 $\sigma_d$ 通常应为 Sigmoid 函数，以确保输出 $\hat{x}_j$ 处于 (0, 1) 范围内，可解释为概率。

优化视角

训练的目的是找到最优参数 $\theta^* = \{\theta_e^*, \theta_d^*\}$，使目标函数 $J(\theta)$ 最小化。这通过使用基于梯度下降的优化算法来实现。反向传播用于计算损失 $L$ 相对于 $\theta_e$ 和 $\theta_d$ 中所有参数的梯度。这些梯度 $\nabla_{\theta_e} J(\theta)$ 和 $\nabla_{\theta_d} J(\theta)$ 随后被 Adam 或 RMSprop 等优化器用来迭代更新参数。

本质上，数学公式定义了一个特定的优化问题：学习函数 $f$ 和 $g$，使得它们按顺序应用（$g \circ f$）能根据所选损失度量 $L$ 尽可能准确地重构输入数据。瓶颈 $z$ 促使网络学习一种压缩表示，这种表示捕获了重构所需的最主要信息。