机器学习——深度学习(Deep Learning)

Deep Learning是机器学习中一个非常接近AI的领域，其动机在于建立、模拟人脑进行分析学习的神经网络，最近研究了机器学习中一些深度学习的相关知识，本文给出一些很有用的资料和心得。

Key Words：有监督学习与无监督学习，分类、回归，密度估计、聚类，深度学习，Sparse DBN，

1. 有监督学习和无监督学习

给定一组数据(input，target)为Z=(X，Y)。

有监督学习：最常见的是regression & classification。

regression：Y是实数vector。回归问题，就是拟合(X，Y)的一条曲线，使得下式cost function L最小。

classification：Y是一个finite number，可以看做类标号。分类问题需要首先给定有label的数据训练分类器，故属于有监督学习过程。分类问题中，cost function L(X,Y)是X属于类Y的概率的负对数。

，其中f_i(X)=P(Y=i | X);

无监督学习：无监督学习的目的是学习一个function f，使它可以描述给定数据的位置分布P(Z)。 包括两种：density estimation & clustering.

density estimation就是密度估计，估计该数据在任意位置的分布密度

clustering就是聚类，将Z聚集几类（如K-Means），或者给出一个样本属于每一类的概率。由于不需要事先根据训练数据去train聚类器，故属于无监督学习。

PCA和很多deep learning算法都属于无监督学习。

2. 深度学习Deep Learning介绍

   Depth 概念：depth: the length of the longest path from an input to an output.

   Deep Architecture 的三个特点：深度不足会出现问题；人脑具有一个深度结构（每深入一层进行一次abstraction，由lower-layer的features描述而成的feature构成，就是上篇中提到的feature hierarchy问题，而且该hierarchy是一个稀疏矩阵）；认知过程逐层进行，逐步抽象

   3篇文章介绍Deep Belief Networks，作为DBN的breakthrough

3.Deep Learning Algorithm 的核心思想：

    把learning hierarchy 看做一个network，则

    ①无监督学习用于每一层网络的pre-train；

    ②每次用无监督学习只训练一层，将其训练结果作为其higher一层的输入；

    ③用监督学习去调整所有层

这里不负责任地理解下，举个例子在Autoencoder中，无监督学习学的是feature，有监督学习用在fine-tuning. 比如每一个neural network 学出的hidden layer就是feature，作为下一次神经网络无监督学习的input……这样一次次就学出了一个deep的网络，每一层都是上一次学习的hidden layer。再用softmax classifier去fine-tuning这个deep network的系数。

这三个点是Deep Learning Algorithm的精髓，我在上一篇文章中也有讲到，其中第三部分：Learning Features Hierachy & Sparse DBN就讲了如何运用Sparse DBN进行feature学习。

4. Deep Learning 经典阅读材料：

• The monograph or review paper Learning Deep Architectures for AI (Foundations & Trends in Machine Learning, 2009).
• The ICML 2009 Workshop on Learning Feature Hierarchies webpage has a list of references.
• The LISA public wiki has a reading list and a bibliography.
• Geoff Hinton has readings from last year’s NIPS tutorial.

阐述Deep learning主要思想的三篇文章：

• Hinton, G. E., Osindero, S. and Teh, Y., A fast learning algorithm for deep belief netsNeural Computation 18:1527-1554, 2006
  
• Yoshua Bengio, Pascal Lamblin, Dan Popovici and Hugo Larochelle, Greedy Layer-Wise Training of Deep Networks, in J. Platt et al. (Eds), Advances in Neural Information Processing Systems 19 (NIPS 2006), pp. 153-160, MIT Press, 2007<比较了RBM和Auto-encoder>
  
• Marc’Aurelio Ranzato, Christopher Poultney, Sumit Chopra and Yann LeCun Efficient Learning of Sparse Representations with an Energy-Based Model, in J. Platt et al. (Eds), Advances in Neural Information Processing Systems (NIPS 2006), MIT Press, 2007<将稀疏自编码用于回旋结构(convolutional architecture)>
  

06年后，大批deep learning文章涌现，感兴趣的可以看下大牛Yoshua Bengio的综述Learning deep architectures for {AI},不过本文很长，很长……

5. Deep Learning工具—— Theano

     Theano是deep learning的Python库，要求首先熟悉Python语言和numpy，建议读者先看Theano basic tutorial，然后按照Getting Started 下载相关数据并用gradient descent的方法进行学习。

学习了Theano的基本方法后，可以练习写以下几个算法：

有监督学习：

1. Logistic Regression - using Theano for something simple
2. Multilayer perceptron - introduction to layers
3. Deep Convolutional Network - a simplified version of LeNet5

无监督学习：

• Auto Encoders, Denoising Autoencoders - description of autoencoders
• Stacked Denoising Auto-Encoders - easy steps into unsupervised pre-training for deep nets
• Restricted Boltzmann Machines - single layer generative RBM model
• Deep Belief Networks - unsupervised generative pre-training of stacked RBMs followed by supervised fine-tuning

最后呢，推荐给大家基本ML的书籍：

• Chris Bishop, “Pattern Recognition and Machine Learning”, 2007
• Simon Haykin, “Neural Networks: a Comprehensive Foundation”, 2009 (3rd edition)
• Richard O. Duda, Peter E. Hart and David G. Stork, “Pattern Classification”, 2001 (2nd edition)

关于Machine Learning更多的学习资料将继续更新，敬请关注本博客和新浪微博Sophia_qing。

References：

1. Brief Introduction to ML for AI

2.Deep Learning Tutorial

3.A tutorial on deep learning - Video