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[图灵程序设计丛书].Python深度学习

著：富朗索瓦·肖莱（Francois Chollet）

Keras之父，TensorFlow机器学习框架贡献者，Kaggle竞赛教练。目前任职于谷歌，从事人工智能研究。

2018年 8 月第 1 版

2019-5-15 12:56:34 上传

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第一部分　深度学习基础

第1 章　什么是深度学习 ............................. 2

1.1　人工智能、机器学习与深度学习 ...............2

1.1.1　人工智能 ...........................................3

1.1.2　机器学习 ...........................................3

1.1.3　从数据中学习表示 ...........................4

1.1.4　深度学习之“深度” .........................6

1.1.5　用三张图理解深度学习的工作

原理 ..................................................7

1.1.6　深度学习已经取得的进展 ...............9

1.1.7　不要相信短期炒作 ...........................9

1.1.8　人工智能的未来 .............................10

1.2　深度学习之前：机器学习简史 .................11

1.2.1　概率建模 .........................................11

1.2.2　早期神经网络 .................................11

1.2.3　核方法 .............................................12

1.2.4　决策树、随机森林与梯度

提升机 ............................................13

1.2.5　回到神经网络 .................................14

1.2.6　深度学习有何不同 .........................14

1.2.7　机器学习现状 .................................15

1.3　为什么是深度学习，为什么是现在 .........15

1.3.1　硬件 .................................................16

1.3.2　数据 .................................................17

1.3.3　算法 .................................................17

1.3.4　新的投资热潮 .................................17

1.3.5　深度学习的大众化 .........................18

1.3.6　这种趋势会持续吗 .........................18

第2 章　神经网络的数学基础 .....................20

2.1　初识神经网络 .............................................20

2.2　神经网络的数据表示 .................................23

2.2.1　标量（0D 张量） .............................23

2.2.2　向量（1D 张量） .............................24

2.2.3　矩阵（2D 张量） .............................24

2.2.4　3D 张量与更高维张量 ...................24

2.2.5　关键属性 .........................................25

2.2.6　在Numpy 中操作张量 ...................26

2.2.7　数据批量的概念 .............................27

2.2.8　现实世界中的数据张量 .................27

2.2.9　向量数据 .........................................27

2.2.10　时间序列数据或序列数据 ...........28

2.2.11　图像数据 .......................................28

2.2.12　视频数据 .......................................29

2.3　神经网络的“齿轮”：张量运算 ..............29

2.3.1　逐元素运算 .....................................30

2.3.2　广播 .................................................31

2.3.3　张量点积 .........................................32

2.3.4　张量变形 .........................................34

2.3.5　张量运算的几何解释 .....................34

2.3.6　深度学习的几何解释 .....................35

2.4　神经网络的“引擎”：基于梯度的

优化 .............................................................36

2.4.1　什么是导数 .....................................37

2.4.2　张量运算的导数：梯度 .................38

2.4.3　随机梯度下降 .................................38

2.4.4　链式求导：反向传播算法 .............41

2.5　回顾第一个例子 .........................................41

本章小结 ..............................................................42

第3 章　神经网络入门 ...............................43

3.1　神经网络剖析 .............................................43

3.1.1　层：深度学习的基础组件 .............44

3.1.2　模型：层构成的网络 .....................45

3.1.3　损失函数与优化器：配置学习

过程的关键 ....................................45

3.2　Keras 简介 ...................................................46

3.2.1　Keras、TensorFlow、Theano 和

CNTK ..............................................47

3.2.2　使用Keras 开发：概述 .................48

3.3　建立深度学习工作站 .................................49

3.3.1　Jupyter 笔记本：运行深度学习

实验的首选方法 ............................49

3.3.2　运行Keras：两种选择 ..................50

3.3.3　在云端运行深度学习任务：

优点和缺点 ....................................50

3.3.4　深度学习的最佳GPU ....................50

3.4　电影评论分类：二分类问题 .....................51

3.4.1　IMDB 数据集 .................................51

3.4.2　准备数据 .........................................52

3.4.3　构建网络 .........................................52

3.4.4　验证你的方法 .................................56

3.4.5　使用训练好的网络在新数据上

生成预测结果 ................................59

3.4.6　进一步的实验 .................................59

3.4.7　小结 .................................................59

3.5　新闻分类：多分类问题 .............................59

3.5.1　路透社数据集 .................................60

3.5.2　准备数据 .........................................61

3.5.3　构建网络 .........................................61

3.5.4　验证你的方法 .................................62

3.5.5　在新数据上生成预测结果 .............65

3.5.6　处理标签和损失的另一种方法 .....65

3.5.7　中间层维度足够大的重要性 .........65

3.5.8　进一步的实验 .................................66

3.5.9　小结 .................................................66

3.6　预测房价：回归问题 .................................66

3.6.1　波士顿房价数据集 .........................67

3.6.2　准备数据 .........................................67

3.6.3　构建网络 .........................................68

3.6.4　利用K 折验证来验证你的

方法 ................................................68

3.6.5　小结 .................................................72

本章小结 ..............................................................73

第4 章　机器学习基础 ...............................74

4.1　机器学习的四个分支 .................................74

4.1.1　监督学习 .........................................74

4.1.2　无监督学习 .....................................75

4.1.3　自监督学习 .....................................75

4.1.4　强化学习 .........................................75

4.2　评估机器学习模型 .....................................76

4.2.1　训练集、验证集和测试集 .............77

4.2.2　评估模型的注意事项 .....................80

4.3　数据预处理、特征工程和特征学习 .........80

4.3.1　神经网络的数据预处理 .................80

4.3.2　特征工程 .........................................81

4.4　过拟合与欠拟合 .........................................83

4.4.1　减小网络大小 .................................83

4.4.2　添加权重正则化 .............................85

4.4.3　添加dropout 正则化 ......................87

4.5　机器学习的通用工作流程 .........................89

4.5.1　定义问题，收集数据集 .................89

4.5.2　选择衡量成功的指标 .....................89

4.5.3　确定评估方法 .................................90

4.5.4　准备数据 .........................................90

4.5.5　开发比基准更好的模型 .................90

4.5.6　扩大模型规模：开发过拟合的

模型 ................................................91

4.5.7　模型正则化与调节超参数 .............92

本章小结 ..............................................................92

第二部分　深度学习实践

第5 章　深度学习用于计算机视觉 .............94

5.1　卷积神经网络简介 .....................................94

5.1.1　卷积运算 .........................................96

5.1.2　最大池化运算 ...............................101

5.2　在小型数据集上从头开始训练一个

卷积神经网络 ...........................................102

5.2.1　深度学习与小数据问题的

相关性 ..........................................103

5.2.2　下载数据 .......................................103

5.2.3　构建网络 .......................................106

5.2.4　数据预处理 ...................................107

5.2.5　使用数据增强 ............................... 111

5.3　使用预训练的卷积神经网络 ...................115

5.3.1　特征提取 .......................................116

5.3.2　微调模型 .......................................124

5.3.3　小结 ...............................................130

5.4　卷积神经网络的可视化 ...........................130

5.4.1　可视化中间激活 ...........................131

5.4.2　可视化卷积神经网络的

过滤器 ..........................................136

5.4.3　可视化类激活的热力图 ...............142

本章小结 ............................................................146

第6 章　深度学习用于文本和序列 ........... 147

6.1　处理文本数据 ...........................................147

6.1.1　单词和字符的one-hot 编码 ........149

6.1.2　使用词嵌入 ...................................151

6.1.3　整合在一起：从原始文本到

词嵌入 ..........................................155

6.1.4　小结 ...............................................162

6.2　理解循环神经网络 ...................................162

6.2.1　Keras 中的循环层 ........................164

6.2.2　理解LSTM 层和GRU 层 ...........168

6.2.3　Keras 中一个LSTM 的具体

例子 ..............................................170

6.2.4　小结 ...............................................172

6.3　循环神经网络的高级用法 .......................172

6.3.1　温度预测问题 ...............................172

6.3.2　准备数据 .......................................175

6.3.3　一种基于常识的、非机器学

习的基准方法 ..............................177

6.3.4　一种基本的机器学习方法 ...........178

6.3.5　第一个循环网络基准 ...................180

6.3.6　使用循环dropout 来降低过

拟合 ..............................................181

6.3.7　循环层堆叠 ...................................182

6.3.8　使用双向RNN .............................184

6.3.9　更多尝试 .......................................187

6.3.10　小结 .............................................187

6.4　用卷积神经网络处理序列 .......................188

6.4.1　理解序列数据的一维卷积 ...........188

6.4.2　序列数据的一维池化 ...................189

6.4.3　实现一维卷积神经网络 ...............189

6.4.4　结合CNN 和RNN 来处理

长序列 ..........................................191

6.4.5　小结 ...............................................195

本章总结 ............................................................195

第7 章　高级的深度学习最佳实践 ........... 196

7.1　不用Sequential 模型的解决方案：

Keras 函数式API .....................................196

7.1.1　函数式API 简介 ..........................199

7.1.2　多输入模型 ...................................200

7.1.3　多输出模型 ...................................202

7.1.4　层组成的有向无环图 ...................204

7.1.5　共享层权重 ...................................208

7.1.6　将模型作为层 ...............................208

7.1.7　小结 ...............................................209

7.2　使用Keras 回调函数和TensorBoard

来检查并监控深度学习模型 ...................210

7.2.1　训练过程中将回调函数作用于

模型 ..............................................210

7.2.2　TensorBoard 简介：TensorFlow

的可视化框架 ..............................212

7.2.3　小结 ...............................................219

7.3　让模型性能发挥到极致 ...........................219

7.3.1　高级架构模式 ...............................219

7.3.2　超参数优化 ...................................222

7.3.3　模型集成 .......................................223

7.3.4　小结 ...............................................224

本章总结 ............................................................225

第8 章　生成式深度学习 .......................... 226

8.1　使用LSTM 生成文本 ..............................227

8.1.1　生成式循环网络简史 ...................227

8.1.2　如何生成序列数据 .......................228

8.1.3　采样策略的重要性 .......................229

8.1.4　实现字符级的LSTM 文本

生成 ..............................................230

8.1.5　小结 ...............................................234

8.2　DeepDream ................................................235

8.2.1　用Keras 实现DeepDream ...........236

8.2.2　小结 ...............................................241

8.3　神经风格迁移 ...........................................241

8.3.1　内容损失 .......................................242

8.3.2　风格损失 .......................................243

8.3.3　用Keras 实现神经风格迁移 .......243

8.3.4　小结 ...............................................249

8.4　用变分自编码器生成图像 .......................249

8.4.1　从图像的潜在空间中采样 ...........249

8.4.2　图像编辑的概念向量 ...................250

8.4.3　变分自编码器 ...............................251

8.4.4　小结 ...............................................256

8.5　生成式对抗网络简介 ...............................257

8.5.1　GAN 的简要实现流程 .................258

8.5.2　大量技巧 .......................................259

8.5.3　生成器 ...........................................260

8.5.4　判别器 ...........................................261

8.5.5　对抗网络 .......................................261

8.5.6　如何训练DCGAN .......................262

8.5.7　小结 ...............................................264

本章总结 ............................................................264

第9 章　总结 ............................................ 265

9.1　重点内容回顾 ...........................................265

9.1.1　人工智能的各种方法 ...................265

9.1.2　深度学习在机器学习领域

中的特殊之处 ..............................266

9.1.3　如何看待深度学习 .......................266

9.1.4　关键的推动技术 ...........................267

9.1.5　机器学习的通用工作流程 ...........268

9.1.6　关键网络架构 ...............................268

9.1.7　可能性空间 ...................................272

9.2　深度学习的局限性 ...................................273

9.2.1　将机器学习模型拟人化的

风险 ..............................................273

9.2.2　局部泛化与极端泛化 ...................275

9.2.3　小结 ...............................................276

9.3　深度学习的未来 .......................................277

9.3.1　模型即程序 ...................................277

9.3.2　超越反向传播和可微层 ...............278

9.3.3　自动化机器学习 ...........................279

9.3.4　终身学习与模块化子程序复用 ....279

9.3.5　长期愿景 .......................................281

9.4　了解一个快速发展领域的最新进展 .......281

9.4.1　使用Kaggle 练习解决现实

世界的问题 ..................................281

9.4.2　在arXiv 阅读最新进展 ...............282

9.4.3　探索Keras 生态系统 ...................282

9.5　结束语 .......................................................282

附录A　 在Ubuntu 上安装Keras 及其

依赖 ............................................ 283

附录B　 在EC2 GPU 实例上运行

Jupyter 笔记本 ............................ 287

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