保定便宜的网站制作,杭州网站公司哪家服务好,360关键词排名推广,wordpress ses插件4. 深度学习
4.1. 概念
深度学习是一种机器学习的分支#xff0c;旨在通过构建和训练多层神经网络模型来实现数据的高级特征表达和复杂模式识别。与传统机器学习算法相比#xff0c;深度学习具有以下特点#xff1a;
多层表示学习#xff1a;深度学习使用深层神经网络旨在通过构建和训练多层神经网络模型来实现数据的高级特征表达和复杂模式识别。与传统机器学习算法相比深度学习具有以下特点
多层表示学习深度学习使用深层神经网络允许多个层次的特征表达和抽象从而能够自动发现和提取输入数据中的重要特征。端到端学习通过将输入直接映射到输出深度学习可以实现端到端的学习无需手工设计特征提取器或预处理步骤。大规模并行计算深度学习模型通常需要进行大量的矩阵运算在现代硬件如GPU上可以进行高效的并行计算加快了训练和推断的速度。梯度下降优化深度学习模型通常使用梯度下降等优化算法来最小化损失函数并通过反向传播算法有效地更新网络参数。泛化能力强深度学习模型具有很强的泛化能力能够在未见过的数据上进行准确的预测和分类。
深度学习在各个领域都取得了重大突破包括计算机视觉、自然语言处理、语音识别等。它已经应用于图像分类、目标检测、机器翻译、智能助手等众多任务中并在许多比赛和实际应用中取得优秀的结果。
神经网络功能强大并且深度学习则是优化了数据分析建模过程因此基于神经网络的深度学习可以统一原来的传统机器学习。AlphaGo是深度学习战胜了世界围棋第一人李世石。2016年Google翻译基于深度学习更新翻译能力得到大幅提升。最新的Google翻译是基于大语言模型。
4.2. 神经网络
4.2.1. 定义
4.2.1.1. 概念
深度学习是一种基于人工神经网络的机器学习方法其核心思想是通过多层次的神经网络来模拟人脑的神经元之间的连接。深度学习的特点是可以通过大规模的数据来训练模型并且可以自动学习到数据的特征表示。 上图就是一个神经网络的基本结构图X1到Xn是输入O1到Oj是输出圆圈是神经元(也称感知机)连线带权重参与计算生成下一个神经元。隐层在实际的神经网络中可能会多层并且都是全连接所以计算量巨大所以需要AI CPU、AI GPT等。
4.2.1.2. 感知机
如下图是一个神经元其有3个输入数据x附加不同的权重w另外有一个偏置(可以理解为线性函数中的截距)。 h f(u b) 我们先假设没有激活函数来看下神经元的效果。
如下图单层单个元神经元可以用来作为分类。 如下图单层多个神经元可以完全更精细的线性分类分类 通过上面的示例可以看出在没有激活函数的情况下无论在多少个神经元作用下其都是使用累加计算的总是一阶的总是线性的。线性函数只能处理一些简单的场景复杂场景多是需要用曲线或曲面来区分的。如下图用线段无法区分大小写字母。
我们就需要在神经元加一个函数来加强其能力这就是激活函数的作用它让神经元具备非线性表达能力。
我们让激活函数为Sigmoid函数那么直线与Sigmoid函数相乘就变成了曲线。
那么在3个神经元在3个激活函数的作用下就可以形成3条曲线。 3条曲线在不同的权重作用下可以拟合为一条新的形状可以达到区分大小写字母的能力。 理论上来说只要神经元足够多无论多么复杂的分类都可以实现。
激活函数
激活函数可以选择不同的函数Sigmoid是以前比较受欢迎的激活函数但是其存在一些问题。当权重很小时Sigmoid函数的作用也很小容易导致梯度消失(简单讲是指区别度不大导致学习的效率不佳)。ReLU系列的激活函数包括ReLU、Leaky ReLU、PReLU、ELU。 不同的激活函数有不同的应用场景不同的计算量需要根据经验进行选择调整。
softmax回归
为了结果更清晰好对比我们可能需要将结果进行归一化处理(归一化也被称为单位化,即所有结果之和为1)。 经过softmax回归计算之后输出的结果可能是这样的 4.2.2. 损失函数
如何评估神经网络的效果我们就需要用到损失函数。损失函数Loss Function用来估量模型的预测值 f(x) 与真实值 y 的偏离程度。因为误差有正有负所以可以采用平均绝对误差均方误差(平均平方误差, Mean Squared Error MSE)这些多用于回归问题。用于二分类问题(是/否对与错),多用交叉熵损失函数CrossEntropy Loss。多分类问题可以用softmax函数如上图的动物分类。
交叉熵损失函数CrossEntropy Loss
熵是用来描述物体混乱程度的概念越混乱熵越大也可以理解为数据越随机熵就越大。信息熵越大事物越具不确定性事物越复杂。
信息熵公式 交叉熵主要用于度量两个概率分布之间的差异性。交叉熵越小表示模型输出分布越接近真实值分布。 在机器学习框架中交叉熵都有直接提供接口我们只需要知道交叉熵的概念及其应用场景知道使用即可。
4.2.3. 计算
4.2.3.1. 前向传播
有如下一个神经网络3个输入2个输出单层神经网络有4个神经元。 转换为数学形式 一步步从前往后进行计算这就是前向传播计算。x1、x2、x3总是一起参与计算其总的输出可以用一个矩阵[x1, x2, x3]表示所以在神经网络的计算是需要大量的矩阵计算。所以现在有很专用用于神经网络计算的神经网络处理器Neural network Processing Unit, NPU。
前向传播主要用于预测结果。
4.2.3.2. 反向传播
在神经网络学习的过程中我们通过误差函数来求一个最小误差时的权重和截距(神经网络中叫偏置)。我们可以使用最小二乘法也可以使用梯度下降法。使用最小二乘法效果好但是计算量非常大尤其是在大型神经网络中如果使用最小二乘法计算量巨大所以一般使用梯度下降法梯度下降使用学习率(权重的步进值)这个超参数来控制下降的速度来提升计算速度。
梯度下降是通过误差函数反向往前推的所以也被称为反向传播。反向传播主要用于学习(训练)。
4.2.2. 分类
深度学习的主要方法包括卷积神经网络CNN、循环神经网络RNN和生成对抗网络GAN等。
1. 卷积神经网络
卷积神经网络是一种专门用于处理具有网格结构的数据如图像和语音的神经网络。卷积神经网络通过卷积层、池化层和全连接层等组件来提取图像的特征表示从而实现图像分类、目标检测和图像生成等任务。
2. 循环神经网络
循环神经网络是一种可以处理序列数据如语言和时间序列的神经网络。循环神经网络通过循环连接来处理序列数据的时序信息并且可以自动学习到序列数据的上下文信息。循环神经网络在自然语言处理、语音识别和机器翻译等领域有广泛应用。
传统的循环神经网络是全连接的并不关注数据的前后顺序(如语言的前后顺序或时间序列等)。RNN中每个神经元的输出不仅仅有上一层神经元的输出还可能把数据序列前处理神经元的输出作为输入。
因为CNN增加了输入计算量增加了。为了优化RNN引入了LSTM长短期记忆网络减少计算量并优化了前后依赖关系。
3. 生成对抗网络
生成对抗网络是一种由生成器和判别器组成的对抗性模型。生成器通过学习训练数据的分布生成与训练数据相似的新样本判别器则通过学习区分真实样本和生成样本。生成对抗网络在图像生成、图像修复和文本生成等任务中取得了重要的突破。
4.3. 学习过程
4.3.1. 步骤
数据准备收集和预处理数据使其适合神经网络训练。这可能包括清理数据、删除异常值和对数据进行编码。网络架构设计神经网络的架构包括层数、神经元数和连接方式。初始化权重和偏差为网络中的权重和偏差分配初始值。前向传播将输入数据通过网络计算每个神经元的输出。计算损失将网络输出与预期输出进行比较计算损失函数的值。反向传播使用链式法则计算损失函数相对于网络权重和偏差的梯度。权重更新使用梯度下降或其他优化算法更新网络权重和偏差以减少损失。重复步骤 4-7重复前向传播、计算损失和反向传播的步骤直到损失函数达到最小值或达到预定义的训练迭代次数。
4.3.2. 超参数
超参数(Hyperparameter)是机器学习模型中需要人为设定的参数,它们不是通过训练数据自动学习得到的,而是需要人工指定的参数。训练深度神经网络涉及调整以下超参数
学习率控制权重更新的步长。批大小每次前向和反向传播处理的数据样本数。正则化防止过拟合的技术例如权重衰减和 dropout。激活函数神经元输出的非线性函数。优化器用于更新权重的算法例如梯度下降和 Adam。每次训练完成需要更新权重参数直到损失函数达到要求退出训练。
4.3.3. 挑战
训练深度神经网络的挑战
过拟合网络在训练数据上表现良好但在新数据上表现不佳。欠拟合网络无法从训练数据中学到足够的模式。梯度消失和爆炸在反向传播过程中梯度可能变得非常小或非常大这会阻碍训练。局部最小值优化算法可能收敛到局部最小值而不是全局最小值。
4.3.4. 最佳实践
训练深度神经网络的最佳实践
使用交叉验证来防止过拟合。使用正则化技术来减少过拟合。仔细调整超参数以获得最佳性能。使用早期停止来防止过拟合。使用权重初始化技术来防止梯度消失和爆炸。
4.4. 应用
深度学习理论上可以完全替代传统的机器学习算法只要神经元足够训练数据足够。传统机器学习能够达到的效果深度学习都可以达到并且可以拟合得更好。大力出奇迹在深度学习中完美体现。
4.4.1. 多元线性回归
如下13个自变量(输入)一个因变量(输出)因为是线性回归只用一个神经元且不需要激活函数。训练完成生成模型之后可以保存模型下次就直接使用模型来进行预测了。 4.4.2. 其他
深度神经网络推荐使用Pytorch。
Github上的代码示例GitHub - yunjey/pytorch-tutorial: PyTorch Tutorial for Deep Learning Researchers
GitHub - zergtant/pytorch-handbook: pytorch handbook是一本开源的书籍目标是帮助那些希望和使用PyTorch进行深度学习开发和研究的朋友快速入门其中包含的Pytorch教程全部通过测试保证可以成功运行
GitHub - chenyuntc/pytorch-book: PyTorch tutorials and fun projects including neural talk, neural style, poem writing, anime generation (《深度学习框架PyTorch入门与实战》)
GPU测试平台可以利用Google的免费在线虚拟机器https://colab.research.google.com/
或阿里云魔搭社区虚拟机GPT免费36小时魔搭社区
