《Python深度学习》——第一章 什么是深度学习

本章内容:

  1. 基本概念的定义
  2. 机器学习发展的时间线
  3. 深度学习日益流行的关键因素及其未来潜力

1.1 人工智能、机器学习与深度学习

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1.1.1 人工智能

人工智能定义:努力将通过由人类完成的智力任务自动化。

硬编码规则

符号主义人工智能(symbolic AI)  专家系统(expert system)

机器学习(machine learning)

1.1.2 机器学习

新的编程范式:输入数据和这些数据中预期得到的答案,输出规则。

机器学习与数理统计密切相关。

机器学习工程导向,理论较少。

1.1.3 从数据中学习表示

三个要素进行机器学习

  1. 输入数据点
  2. 预期输出的示例
  3. 衡量算法效果好坏的方法

深度学习和机器学习核心问题:有意义地变换数据。表征数据或将数据编码

机器学习中的学习:寻找更好数据表示的自动搜索过程。坐标变换、线性投影、平移、非线性操作。

机器学习的技术定义:在预先定义好的可能性空间中,利用反馈信号的指引来寻找输入数据的有用表示。

1.1.4 深度学习之“深度”

深度学习的深度指:一系列连续的表示层。

别称:分层表示学习(layered representations learning) ,层级表示学习(hierarchical representations learning)

浅层学习(shallow learning):其他机器学习,仅有一两层数据。

将深度网络看作多级信息蒸馏操作:信息穿过连续的过滤器,其纯度越来越高。

深度学习技术定义:学习数据表示的多级方法。

1.1.5 用三张图理解深度学习的工作原理

权重,参数化(parameterize),参数(parameter),学习

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损失函数(loss function),目标任务(objective function)

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基本技巧:利用距离值作为反馈信号来对权重值进行微调。

优化器(optimizer),反向传播(backpropagation)

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训练循环(training loop)

1.1.6 深度学习已经取得的进展

在视觉和听觉等感知问题取得很好的成果。

取得的突破

  1. 接近人类水平的图像分类
  2. 接近人类水平的语音识别
  3. 接近人类水平的手写文字转录
  4. 更好的机器翻译
  5. 更好的文本到语言转换
  6. 数字助理
  7. 接近人类水平的自动驾驶
  8. 更好的广告定向投放
  9. 更好的网络搜素结果
  10. 能够回答用自然语言提问的问题
  11. 在围棋上战胜人类

1.1.7 不要相信短期炒股

短期技术不能医用,可能投资资金会停止。

之前已经经历了2次人工智能冬天。

1.1.8 人工智能的未来

短期期望可能不切实际,但长远来看前景是光明的。

目前技术只是生活的陪衬。


1.2 深度学习之前:机器学习简史

1.2.1 概率模型(probabilistic modeling)

例:

朴素贝叶斯算法,假设:数据特征独立。

logistic回归:是分类算法。数据科学家首先会用这个算法,以便初步熟悉手头分类任务。

1.2.2 早期神经网络

1989年,卷积与反向传播算法相结合。

1.2.3 核方法(kernel method)

支持向量机(SVM,support vector machine):决策边界(decision boundary)

SVM通过两步来寻找决策边界

  1. 将数据映射到一个新的高维表示
  2. 让超平面与每个类别最近的数据点之间的距离最大化  间隔最大化(maximizing the margin)

核技巧(kernel trick)

核函数(kernel function)

需要先做:特征工程

SVM难扩展到大型数据集

1.2.4 决策树(decision tree)、随机森林与梯度提升机

随机森林(random forest):建立许多决策树,然后将他们的输出集成在一起。

梯度提升机(gradient boosting machine):目前处理非感知数据最好的算法。

1.2.5 回到神经网络

计算机视觉

图像分类挑战赛(ImageNet):2015:96.4%

1.2.6 深度学习有何不同

不需要设计特征工程

深度学习:模型可以在同一时间共同学习所有表示层,并不是依次连续学习(贪婪学习)

基本特征:

  1. 通过渐进的、逐层的方式形成越来越复杂的表示
  2. 对中间这些渐进的表示共同进行学习

1.2.7 机器学习现状

Kaggle

XGBoost

Keras


1.3 为什么是深度学习,为什么是现在

深度学习用于机器视觉,关键思想:卷积神经网络和反向传播。

长短期记忆(LSTM,long short-term memory)

主要推动力

  1. 硬件
  2. 数据集和基准
  3. 算法上的改进

1.3.1 硬件

深度学习网络主要由许多小矩阵乘法组成,具有高度并行化。

GPU,TPU

CUDA

1.3.2 数据

深度学习是蒸汽机车,数据是煤炭。

Flickr网络生成图像标签

YouTube视频

维基百科:自然语言处理

1.3.3 算法

之前,随着层数增加,神经网路反馈信号消失。

改进

  1. 激活函数(activation function)
  2. 权重初始化方案(weight-initialization scheme)
  3. 优化方案(optimization scheme)
  4. 批标准化、残差连接和深度可分离卷积

1.3.4 新的投资热潮

钱:1900万$   到   3.94亿$不包括Google公司内部的现金流

1.3.5 深度学习的大众化

之前C++和CUDA

现在Python  Theano  Tensorflow  Keras

1.3.6 这种趋势会持续吗

深度学习核心概念

  1. 简单
  2. 可扩展性
  3. 多功能与可复用

科学发展S形曲线。


 

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