阿里算法工程师：深度学习这些必懂的面试题

前言

在这个岗位不知不觉数十年了，每年大大小小的面试已经数不清了，这些问题当然也是我最喜欢问他们的问题，要说难，肯定不会出那些都不会的难题，但是说每个人都会那肯定也是不可能的。那这些面试题又有多少人能够清楚的表达出来。

1、神经网络基础问题

（1）BP，Back-propagation（要能推倒）

后向传播是在求解损失函数L对参数w求导时候用到的方法，目的是通过链式法则对参数进行一层一层的求导。这里重点强调：要将参数进行随机初始化而不是全部置0，否则所有隐层的数值都会与输入相关，这称为对称失效。

大致过程是:

首先前向传导计算出所有节点的激活值和输出值，

 

 

 

计算整体损失函数：

 

然后针对第L层的每个节点计算出残差（这里是因为UFLDL中说的是残差，本质就是整体损失函数对每一层激活值Z的导数），所以要对W求导只要再乘上激活函数对W的导数即可

 

 

 

 

 

（2）梯度消失、梯度爆炸

梯度消失：这本质上是由于激活函数的选择导致的， 最简单的sigmoid函数为例，在函数的两端梯度求导结果非常小（饱和区），导致后向传播过程中由于多次用到激活函数的导数值使得整体的乘积梯度结果变得越来越小，也就出现了梯度消失的现象。

梯度爆炸：同理，出现在激活函数处在激活区，而且权重W过大的情况下。但是梯度爆炸不如梯度消失出现的机会多。

（3）常用的激活函数

 

（4）参数更新方法

 

（5）解决overfitting的方法

dropout， regularization， batch normalizatin，但是要注意dropout只在训练的时候用，让一部分神经元随机失活。 Batch normalization是为了让输出都是单位高斯激活，方法是在连接和激活函数之间加入BatchNorm层，计算每个特征的均值和方差进行规则化。

2、CNN问题

（1） 思想

改变全连接为局部连接，这是由于图片的特殊性造成的（图像的一部分的统计特性与其他部分是一样的），通过局部连接和参数共享大范围的减少参数值。可以通过使用多个filter来提取图片的不同特征（多卷积核）。

（2）filter尺寸的选择

通常尺寸多为奇数（1，3，5，7）

（3）输出尺寸计算公式

输出尺寸=(N - F +padding*2)/stride + 1

步长可以自由选择通过补零的方式来实现连接。

（4）pooling池化的作用

虽然通过.卷积的方式可以大范围的减少输出尺寸（特征数），但是依然很难计算而且很容易过拟合，所以依然利用图片的静态特性通过池化的方式进一步减少尺寸。

（5）常用模型，这个最好能记住模型大致的尺寸参数。

 

 

3、RNN

（1）RNN原理：

在普通的全连接网络或CNN中，每层神经元的信号只能向上一层传播，样本的处理在各个时刻独立，因此又被成为前向神经网络(Feed-forward+Neural+Networks)。而在RNN中，神经元的输出可以在下一个时间戳直接作用到自身，即第i层神经元在m时刻的输入，除了（i-1）层神经元在该时刻的输出外，还包括其自身在（m-1）时刻的输出。所以叫循环神经网络

（2）RNN、LSTM、GRU区别

RNN引入了循环的概念，但是在实际过程中却出现了初始信息随时间消失的问题，即长期依赖（Long-Term Dependencies）问题，所以引入了LSTM。

LSTM：因为LSTM有进有出且当前的cell informaton是通过input gate控制之后叠加的，RNN是叠乘，因此LSTM可以防止梯度消失或者爆炸。推导forget gate，input gate，cell state， hidden information等因为LSTM有进有出且当前的cell informaton是通过input gate控制之后叠加的，RNN是叠乘，因此LSTM可以防止梯度消失或者爆炸的变化是关键，下图非常明确适合记忆：

 

 

 

GRU是LSTM的变体，将忘记门和输入们合成了一个单一的更新门。

 

 

（3）LSTM防止梯度弥散和爆炸

LSTM用加和的方式取代了乘积，使得很难出现梯度弥散。但是相应的更大的几率会出现梯度爆炸，但是可以通过给梯度加门限解决这一问题。

（4）引出word2vec

这个也就是Word Embedding，是一种高效的从原始语料中学习字词空间向量的预测模型。分为CBOW(Continous Bag of Words)和Skip-Gram两种形式。其中CBOW是从原始语句推测目标词汇，而Skip-Gram相反。CBOW可以用于小语料库，Skip-Gram用于大语料库。具体的就不是很会了。

3、GAN

（1）GAN的思想

GAN结合了生成模型和判别模型，相当于矛与盾的撞击。生成模型负责生成最好的数据骗过判别模型，而判别模型负责识别出哪些是真的哪些是生成模型生成的。但是这些只是在了解了GAN之后才体会到的，但是为什么这样会有效呢？

假设我们有分布Pdata(x)，我们希望能建立一个生成模型来模拟真实的数据分布，假设生成模型为Pg(x;θθ)，我们的目的是求解θ的值，通常我们都是用最大似然估计。但是现在的问题是由于我们相用NN来模拟Pdata(x)，但是我们很难求解似然函数，因为我们没办法写出生成模型的具体表达形式，于是才有了GAN，也就是用判别模型来代替求解最大似然的过程。

在最理想的状态下，G可以生成足以“以假乱真”的图片G(z)。对于D来说，它难以判定G生成的图片究竟是不是真实的，因此D(G(z)) = 0.5。这样我们的目的就达成了：我们得到了一个生成式的模型G，它可以用来生成图片。

（2）GAN的表达式

 

通过分析GAN的表达可以看出本质上就是一个minmax问题。其中V(D, G)可以看成是生成模型和判别模型的差异，而minmaxD说的是最大的差异越小越好。这种度量差异的方式实际上叫做Jensen-Shannon divergence。

（3）GAN的实际计算方法

因为我们不可能有Pdata(x)的分布，所以我们实际中都是用采样的方式来计算差异（也就是积分变求和）。具体实现过程如下：

 

 

 

 

 

有几个关键点：判别方程训练K次，而生成模型只需要每次迭代训练一次，先最大化（梯度上升）再最小化（梯度下降）。

但是实际计算时V的后面一项在D(x)很小的情况下由于log函数的原因会导致更新很慢，所以实际中通常将后一项的log(1-D(x))变为-logD(x)。

实际计算的时候还发现不论生成器设计的多好，判别器总是能判断出真假，也就是loss几乎都是0，这可能是因为抽样造成的，生成数据与真实数据的交集过小，无论生成模型多好，判别模型也能分辨出来。解决方法有两个：1、用WGAN 2、引入随时间减少的噪声

（4）对GAN有一些改进

有引入f-divergence，取代Jensen-Shannon divergence，还有很多，这里主要介绍WGAN

（5）WGAN

上面说过了用f-divergence来衡量两个分布的差异，而WGAN的思路是使用Earth Mover distance (挖掘机距离 Wasserstein distance)。

面试题全集

 

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