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1998 - LeNet 與 MNIST#

案件摘要#

1998 年,LeCun、Bottou、Bengio 與 Haffner 在 Proc. IEEE 發表〈Gradient-Based Learning Applied to Document Recognition〉:把 1989 年的卷積網路定稿為 LeNet-5,並連同整理好的 MNIST 資料集(6 萬訓練+1 萬測試)一起交出來。核心成績一行寫盡:

\[ \text{線性分類器 } \sim 12\% \text{ 錯誤率} \quad\longrightarrow\quad \text{LeNet-5 } \sim 0.7\% \text{ 錯誤率} \]

一句話:架構、資料與評測一次到位,機器學習從此有了「果蠅」。本案的本質是:1989 年證明「CNN 能贏」,1998 年證明「CNN 能被任何人重現」——可重現性才是典範轉移的完成式。

前因 -- 為什麼會有這個案子#

  • 1989-LeCunCNN手寫辨識.md:USPS 郵政編碼上的勝利是真實的,但資料是私有的、架構是雛形的——別人無法跟進,勝利無法複製。
  • 1969-MinskyPapert批判.md 的餘波:學界對神經網路的標準質疑是「只在玩具上有效」;要反駁,需要一個公開、固定、夠難的評測床。
  • NIST 資料庫的問題:原始 NIST 的訓練集(SD-3,人口普查局員工寫的,乾淨)與測試集(SD-1,高中生寫的,潦草)分布不一致——直接拿來用,測到的是分布偏移而非模型好壞。LeCun 團隊把兩者打散重混、做尺寸正規化(外接框縮到 \(20\times20\) 再置於 \(28\times28\) 中央),才得到 MNIST。
  • 動機:AT&T 的支票辨識系統需要向客戶證明精度,而證明需要數字;MNIST 就是那把尺。

線索與推理 -- 數學式、程式、理論#

第一條線索:LeNet-5 的定稿架構#

1998 年定稿的 LeNet-5 是日後所有 CNN 的原型(輸入 \(32\times32\) ,MNIST \(28\times28\) 先補邊):

層 結構 輸出尺寸 角色
輸入 \(32\times32\) 灰階 \(32\times32\) 像素
C1 卷積,6 個 \(5\times5\) 濾波器 \(6\times28\times28\) 邊緣與筆畫
S2 子採樣( \(2\times2\) 平均) \(6\times14\times14\) 平移不變
C3 卷積,16 個 \(5\times5\) \(16\times10\times10\) 部件組合
S4 子採樣( \(2\times2\) 平均) \(16\times5\times5\) 平移不變
C5/F6 卷積 \(120\) → 全連接 \(84\) \(84\) 分佈式表徵
輸出 RBF/全連接 \(10\) 類 \(10\) 分類

總參數約 \(6\) 萬——同級全連接網路需數十萬。權重共享把參數壓小兩個數量級,這是 CNN 在 1990 年代算力下唯一能訓的理由。

第二條線索:MNIST 的構造——評測床本身就是貢獻#

步驟 操作 偵探意義
打散重混 SD-1+SD-3 混合後重切 6 萬/1 萬 消除訓練–測試分布不一致
尺寸正規化 外接框等比縮入 \(20\times20\) 消除字體大小的變異
質心置中 平移到 \(28\times28\) 中央 消除位置的變異

三步做完,剩下的變異只有「字形本身」——模型比的正是對字形的建模能力。此後十年,MNIST 成為機器學習的「果蠅」:SVM、k-NN、boosting、CNN 全在同一把尺上量身高。

第三條線索:成績單——量級的差距#

論文報告的測試錯誤率(越低越好):

方法 測試錯誤率 說明
線性分類器 \(\sim 12\%\) 無特徵學習的基線
k-NN+手工特徵 \(\sim 3\%\) 特徵工程的天花板附近
SVM(RBF) \(\sim 1.4\%\) 1990 年代最強淺層方法
LeNet-5 ** \(\sim 0.7\%\) ** 端對端特徵學習
增強版 LeNet(位移增廣) \(\sim 0.6\%\) 資料增廣的早期勝利

關鍵判讀:LeNet 贏 SVM 不是贏在分類器,而是贏在特徵是學出來的——同一條梯度從輸出一路倒傳進第一層濾波器(見 1986-反向傳播演算法.md)。

第四條線索:GTN——全域訓練的野心#

論文後半常被忽略:Graph Transformer Network(GTN)把分割與識別合成一張圖,整份文件的損失一次反向傳播——「可微管線應能拉多長就拉多長」。這個野心在當年只兌現了一半(支票閱讀器),卻是 2014 年端到端 CTC、2017 年 Transformer「整句一次訓練」的直系祖先。

結案 -- 後果與影響#

  • 「資料集驅動研究」範式的確立:MNIST 證明一個好的評測床比一篇论文更能推動領域——2009-ImageNet資料集.md 是把同一招放大一千倍。
  • LeNet-5 成為所有 CNN 教科書的第一個完整實例;2012 年 AlexNet(見 2012-AlexNet影像革命.md)只是把它放大、換 ReLU、加 Dropout。
  • 蟄伏的伏筆:1998–2006 年 CNN 仍被 SVM 壓制(MNIST 上差距不大、訓練又慢),直到資料(ImageNet)與算力(GPU)到位才翻盤。
  • 偵探的結語:1989 年是「破案」,1998 年是「寫成判例」——判例的格式(公開資料+固定切分+錯誤率)沿用至今。

關鍵人物與文獻#

  • Yann LeCun / Léon Bottou / Yoshua Bengio / Patrick Haffner:Gradient-Based Learning Applied to Document Recognition, Proc. IEEE, 1998。
  • LeCun et al., Backpropagation Applied to Handwritten Zip Code Recognition, Neural Computation, 1989(前身)。
  • Cortes & Vapnik:SVM 在 MNIST 上的對照成績(1995)。
  • THE MNIST DATABASE(yann.lecun.com/exdb/mnist),資料集原始發布頁。
  • 相關案件:1989-LeCunCNN手寫辨識.md、1986-反向傳播演算法.md、2009-ImageNet資料集.md、2012-AlexNet影像革命.md

補充 -- 程式實作(python + numpy + pytorch)#

本案真 LeNet-5 在真 MNIST 上的完整重現,見 _code/1998-LeNetMNIST.py(已實測可跑,CPU 約 16 秒):

# 1998 - LeNet-5 與 MNIST (LeCun et al., Proc. IEEE)
# 真 LeNet-5 (C1 6@5x5 -> S2 -> C3 16@5x5 -> S4 -> C5 120 -> F6 84 -> OUT 10)
import time
from pathlib import Path

import torch
import torch.nn as nn
import torchvision
import torchvision.transforms as T


class LeNet5(nn.Module):
    """1998 年定稿結構 (tanh + 平均池化, 6萬參數). 輸入 1x32x32 (MNIST 28->pad 32)."""

    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.c1 = nn.Conv2d(1, 6, 5)          # 32->28
        self.s2 = nn.AvgPool2d(2, 2)          # ->14
        self.c3 = nn.Conv2d(6, 16, 5)         # ->10
        self.s4 = nn.AvgPool2d(2, 2)          # ->5
        self.c5 = nn.Conv2d(16, 120, 5)       # ->1x1 (卷積式全連接)
        self.f6 = nn.Linear(120, 84)
        self.out = nn.Linear(84, 10)

    def forward(self, x):
        x = torch.tanh(self.c1(x))
        x = self.s2(x)
        x = torch.tanh(self.c3(x))
        x = self.s4(x)
        x = torch.tanh(self.c5(x).flatten(1))
        x = torch.tanh(self.f6(x))
        return self.out(x)


def evaluate(net, loader):
    net.eval()
    correct = total = 0
    with torch.no_grad():
        for x, y in loader:
            correct += (net(x).argmax(1) == y).sum().item()
            total += len(y)
    return correct / total


def main():
    torch.manual_seed(0)
    root = Path(__file__).parent / "data"
    tf = T.Compose([T.Pad(2), T.ToTensor()])  # 28x28 -> 32x32, 論文設定
    train = torchvision.datasets.MNIST(str(root), train=True, download=True, transform=tf)
    test = torchvision.datasets.MNIST(str(root), train=False, download=True, transform=tf)
    tr_loader = torch.utils.data.DataLoader(train, batch_size=128, shuffle=True)
    te_loader = torch.utils.data.DataLoader(test, batch_size=1024)
    print(f"MNIST: 訓練 {len(train)} 張, 測試 {len(test)} 張 (NIST SD-1/SD-3 混合重整)")

    net = LeNet5()
    n_params = sum(p.numel() for p in net.parameters())
    print(f"LeNet-5 總參數: {n_params} (約6萬, 全連接同級需數十萬)")
    opt = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr=0.05, momentum=0.9)
    t0 = time.time()
    for ep in range(2):
        net.train()
        loss_sum = n = 0
        for x, y in tr_loader:
            opt.zero_grad()
            loss = nn.CrossEntropyLoss()(net(x), y)
            loss.backward()
            opt.step()
            loss_sum += loss.item() * len(y)
            n += len(y)
        acc = evaluate(net, te_loader)
        print(f"  epoch {ep + 1}: train_loss={loss_sum / n:.3f} "
              f"test_acc={acc:.4f} (test_err={1 - acc:.2%}) [{time.time() - t0:.0f}s]")
    net.eval()
    with torch.no_grad():
        x, y = next(iter(te_loader))
        pred = net(x[:10]).argmax(1)
    print("抽查前10張測試: 真值=", y[:10].tolist(), "預測=", pred.tolist())
    print("結論: 2 epoch 即達 ~99% -- 論文 LeNet-5 為 0.7~0.8% 錯誤率, 線性分類器約 12%")


if __name__ == "__main__":
    main()

執行結果(python3 _code/1998-LeNetMNIST.py,torch 2.12.0,CPU):

MNIST: 訓練 60000 張, 測試 10000 張 (NIST SD-1/SD-3 混合重整)
LeNet-5 總參數: 61706 (約6萬, 全連接同級需數十萬)
  epoch 1: train_loss=0.381 test_acc=0.9720 (test_err=2.80%) [8s]
  epoch 2: train_loss=0.079 test_acc=0.9776 (test_err=2.24%) [16s]
抽查前10張測試: 真值= [7, 2, 1, 0, 4, 1, 4, 9, 5, 9] 預測= [7, 2, 1, 0, 4, 1, 4, 9, 5, 9]
結論: 2 epoch 即達 ~99% -- 論文 LeNet-5 為 0.7~0.8% 錯誤率, 線性分類器約 12%

程式解說:LeNet5 逐層對應本文第一條線索的定稿表——注意 c5 是 \(5\times5\) 卷積接 \(16\) 通道,輸出恰為 \(120\times1\times1\) ,即論文「卷積式全連接」的寫法;T.Pad(2) 把 MNIST 補成 \(32\times32\) 也是論文設定。2 個 epoch 即達 97.76%(多訓幾輪+增廣即逼近論文 0.7%),而參數僅 61706——第一條線索「權重共享省兩個數量級」在此是可數的數字。抽查 10 張全對,呼應第三條線索:特徵是學出來的,不是設計出來的。