对于没有带类别标签的数据，由于为其增加类别标记是一个非常麻烦的过程，因此我们希望机器能够自己学习到样本中的一些重要特征。通过对隐藏层施加一些限制，能够使得它在恶劣的环境下学习到能最好表达样本的特征，并能有效地对样本进行降维。这种限制可以是对隐藏层稀疏性的限制。

  如果给定一个神经网络，我们假设其输出与输入是相同的，然后训练调整其参数，得到每一层中的权重。自然地，我们就得到了输入的几种不同表示（每一层代表一种表示），这些表示就是特征。自动编码器就是一种尽可能复现输入信号的神经网络。为了实现这种复现，自动编码器就必须捕捉可以代表输入数据的最重要的因素，就像PCA那样，找到可以代表原信息的主要成分。

  当然，我们还可以继续加上一些约束条件得到新的Deep Learning方法，如：如果在AutoEncoder的基础上加上L1的Regularity限制（L1主要是约束隐含层中的节点中大部分都要为0，只有少数不为0，这就是Sparse名字的来源），我们就可以得到Sparse AutoEncoder法。

  之所以要将隐含层稀疏化，是由于，如果隐藏神经元的数量较大（可能比输入像素的个数还要多），不稀疏化我们无法得到输入的压缩表示。具体来说，如果我们给隐藏神经元加入稀疏性限制，那么自编码神经网络即使在隐藏神经元数量较多的情况下仍然可以发现输入数据中一些有趣的结构。

在自动编码器AutoEncoder的基础上加上L1的正则限制（L1主要是约束每一层中的节点中大部分都要为0，只有少数不为0，这就是Sparse名字的来源），我们就可以得到Sparse AutoEncoder法。

如图三，其实就是限制每次得到的表达code尽量稀疏。因为稀疏的表达往往比其他的表达要有效（人脑好像也是这样的，某个输入只是刺激某些神经元，其他的大部分的神经元是受到抑制的）

假设我们只有一个没有带类别标签的训练样本集合

自编码神经网络尝试学习一个

我们刚才的论述是基于隐藏神经元数量较小的假设。但是即使隐藏神经元的数量较大（可能比输入像素的个数还要多），我们仍然通过给自编码神经网络施加一些其他的限制条件来发现输入数据中的结构。具体来说，如果我们给隐藏神经元加入稀疏性限制，那么自编码神经网络即使在隐藏神经元数量较多的情况下仍然可以发现输入数据中一些有趣的结构。

稀疏性可以被简单地解释如下。如果当神经元的输出接近于1的时候我们认为它被激活，而输出接近于0的时候认为它被抑制，那么使得神经元大部分的时间都是被抑制的限制则被称作稀疏性限制。这里我们假设的神经元的激活函数是sigmoid函数。如果你使用tanh作为激活函数的话，当神经元输出为-1的时候，我们认为神经元是被抑制的。

注意到

进一步，让

表示隐藏神经元

其中，

为了实现这一限制，我们将会在我们的优化目标函数中加入一个额外的惩罚因子，而这一惩罚因子将惩罚那些

这里，

其中

这一惩罚因子有如下性质，当

我们可以看出，相对熵在

我们的总体代价函数可以表示为

其中

为了对相对熵进行导数计算，我们可以使用一个易于实现的技巧，这只需要在你的程序中稍作改动即可。具体来说，前面在后向传播算法中计算第二层（

我们将其换成

就可以了。

有一个需要注意的地方就是我们需要知道

证明上面算法能达到梯度下降效果的完整推导过程不再本教程的范围之内。不过如果你想要使用经过以上修改的后向传播来实现自编码神经网络，那么你就会对目标函数

自编码器最初提出是基于降维的思想，但是当隐层节点比输入节点多时，自编码器就会失去自动学习样本特征的能力，此时就需要对隐层节点进行一定的约束，与降噪自编码器的出发点一样，高维而稀疏的表达是好的，因此提出对隐层节点进行一些稀疏性的限值。稀疏自编码器就是在传统自编码器的基础上通过增加一些稀疏性约束得到的。这个稀疏性是针对自编码器的隐层神经元而言的，通过对隐层神经元的大部分输出进行抑制使网络达到一个稀疏的效果。

稀疏性可以被简单地解释如下。如果当神经元的输出接近于1的时候我们认为它被激活，而输出接近于0的时候认为它被抑制，那么使得神经元大部分的时间都是被抑制的限制则被称作稀疏性限制。这里我们假设的神经元的激活函数是sigmoid函数。如果你使用tanh作为激活函数的话，当神经元输出为-1的时候，我们认为神经元是被抑制的。

稀疏自编码器初始化参数

input_nodes=8*8//输入节点数
hidden_size=100//隐藏节点数
output_nodes=8*8//输出节点数

稀疏自编码器初始化训练集数据

从mat文件中读取图像块，随机生成10000个8*8的图像块。

defsampleImage():
mat=scipy.io.loadmat('F:/ml/code/IMAGES.mat')
pic=mat['IMAGES']
shape=pic.shape
patchsize=8
numpatches=1000
patches=[]
i=np.random.randint(0,shape[0]-patchsize,numpatches)
j=np.random.randint(0,shape[1]-patchsize,numpatches)
k=np.random.randint(0,shape[2],numpatches)
forlinrange(numpatches):
temp=pic[i[l]:(i[l] patchsize),j[l]:(j[l] patchsize),k[l]]
temp=temp.reshape(patchsize*patchsize)
patches.append(temp)
returnpatches

稀疏自编码器通过xvaier初始化第一层的权重值

defxvaier_init(input_size,output_size):
low=-np.sqrt(6.0/(input_nodes output_nodes))
high=-low
returntf.random_uniform((input_size,output_size),low,high,dtype=tf.float32)

稀疏自编码器计算代价函数

代价函数由三部分组成，均方差项，权重衰减项，以及稀疏因子项。

defcomputecost(w,b,x,w1,b1):
p=0.1
beta=3
lamda=0.00001

hidden_output=tf.sigmoid(tf.matmul(x,w) b)
pj=tf.reduce_mean(hidden_output,0)
sparse_cost=tf.reduce_sum(p*tf.log(p/pj) (1-p)*tf.log((1-p)/(1-pj)))
output=tf.sigmoid(tf.matmul(hidden_output,w1) b1)
regular=lamda*(tf.reduce_sum(w*w) tf.reduce_sum(w1*w1))/2
cross_entropy=tf.reduce_mean(tf.pow(output-x,2))/2 sparse_cost*beta 
regular# regular sparse_cost*beta
returncross_entropy,hidden_output,output

稀疏自编码器可视化自编码器

为了使隐藏单元得到最大激励（隐藏单元需要什么样的特征输入），将这些特征输入显示出来。

defshow_image(w):
sum=np.sqrt(np.sum(w**2,0))
changedw=w/sum
a,b=changedw.shape
c=np.sqrt(a*b)
d=int(np.sqrt(a))
e=int(c/d)
buf=1
newimage=-np.ones((buf (d buf)*e,buf (d buf)*e))
k=0
foriinrange(e):
forjinrange(e):
maxvalue=np.amax(changedw[:,k])
if(maxvalue<0):
maxvalue=-maxvalue
newimage[(buf i*(d buf)):(buf i*(d buf) d),(buf j*(d buf)):(buf j*(d buf) d)]=
np.reshape(changedw[:,k],(d,d))/maxvalue
k =1

plt.figure("beauty")
plt.imshow(newimage)
plt.axis('off')
plt.show()

稀疏自编码器主函数

通过AdamOptimizer下降误差，调节参数。

defmain():
w=tf.Variable(xvaier_init(input_nodes,hidden_size))
b=tf.Variable(tf.truncated_normal([hidden_size],0.1))
x=tf.placeholder(tf.float32,shape=[None,input_nodes])
w1=tf.Variable(tf.truncated_normal([hidden_size,input_nodes],-0.1,0.1))
b1=tf.Variable(tf.truncated_normal([output_nodes],0.1))
cost,hidden_output,output=computecost(w,b,x,w1,b1)
train_step=tf.train.AdamOptimizer().minimize(cost)
train_x=sampleImage()
sess=tf.Session()
sess.run(tf.global_variables_initializer())

foriinrange(100000):
_,hidden_output_,output_,cost_,w_=sess.run([train_step,hidden_output,output,cost,w],
feed_dict={x:train_x})
ifi00==0:
print(hidden_output_)
print(output_)
print(cost_)
np.save("weights1.npy",w_)
show_image(w_)

译码器的种类很多，但它们的工作原理和分析设计方法大同小异，其中二进制译码器、二-十进制译码器和显示译码器是三种最典型，使用十分广泛的译码电路。

二进制码译码器，也称最小项译码器，N中取一译码器，最小项译码器一般是将二进制码译为十进制码；

代码转换译码器，是从一种编码转换为另一种编码；

显示译码器，一般是将一种编码译成十进制码或特定的编码，并通过显示器件将译码器的状态显示出来。