非人工智能方向粗糙理解深度学习

线性模型基本形式

你要训练的线性模型（模型不一定是线性的，为方便理解，此处以线性举例）：
$$f(\mathbf{x})=w_1{x}_1+w_2{x}_2+w_3{x}_3+\cdots +w_d{x}_d+b$$$$f(\mathbf{x})={\mathbf{w}}^{\top }\mathbf{x}+b$$ 其中 $\mathbf{x}=(x_1,x_2,x_3,\cdots ,x_d)$ 是你要输入的数据，组成了输入 $d$ 维特征向量 $\mathbf{x}$（这个特征向量各种各样，可以来自数据集的人类可以理解的具象数据，也可以用 CNN 卷出来的人类理解不了的抽象数据）；$\mathbf{w},b$ 作为模型权重参数（并非网络参数，网络是求模型的，模型本身有自己的参数，网络本身也有自己的参数如深度、维度）；$f(\mathbf{x})$ 作为输出，如分类结果、回归预测。

• 例子一，猫狗分类：

  • 特征空间内输入 $x_1$ 表示耳朵长度，$x_2$ 表示鼻头子长度，$x_3$ 表示胡子长度等；
  • $w_1,w_2,w_3,\cdots ,b$ 是网络要训练得到的这个线性模型的参数，目前未知；
  • $f(\mathbf{x})\in [0,1]$，做为最终输出，越接近 $0$ 越像猫，越接近 $1$ 越像狗。

• 例子二，房价回归预测：

  • 特征空间内输入 $x_1$ 地段（抽象，但你可以编码为浮点数），$x_2$ 表示房屋面积，$x_3$ 表示套型（抽象，但你可以编码为浮点数）；
  • $w_1,w_2,w_3,\cdots ,b$ 是网络要训练得到的这个线性模型的参数，目前未知；
  • $f(\mathbf{x})\in [0,1]$，做为最终输出，越接近 $0$ 越像猫，越接近 $1$ 越像狗。

• 例子三，$0-9$ 手写体识别：

  • 输入灰度图像，经过 CNN 卷出来特征空间内的特征值 $\mathbf{x}=(x_1,x_2,x_3,\cdots ,x_d)$，输入后面的线性模型（不一定是线性，但总有一个函数，能将各个 $0-9$ 手写体的特征映射到 $0-9$ 的标准答案上，此处仅为理解方便）；
  • $w_1,w_2,w_3,\cdots ,b$ 是网络要训练得到的这个线性模型的参数，目前未知；
  • $f(\mathbf{x})\in \mathbb{N},f(\mathbf{x})\le 9$，做为最终输出。

以 CNN 为例：左侧为原始手写体灰度图像（人类看得懂，网络看不懂），右侧为经过卷积后的特征图像（人类看不懂，网络目前也看不懂，但是处理起来更方便了；当然后续可能要经过多层卷积并池化后，才可将浓缩后的数据送入网络训练）。
以下为 4*4 单元内最大池化示例，进一步将数据量浓缩。

浓缩后的数据可送入全连接层进行线性回归（打个比方）。

线性回归

本节会解答 $w_1,w_2,w_3,\cdots ,b$ 作为线性模型的未知参数，如何训练，训练目标是什么的问题。

数据集

也可以叫做样本，如 $m$ 个样本： $D=\{({\mathbf{x}}_1,y_1),({\mathbf{x}}_2,y_2),\cdots ,({\mathbf{x}}_{\mathbf{m}},y_m)\}$；其中每个样本输入存在 $d$ 维特征： ${\mathbf{x}}_{\mathbf{i}}=(x_{i1},x_{i2},\cdots ,x_{id})$；每个样本对应一个标准答案输出 $y_i$（当然非线性模型或其他模型下你可能会得到一个多维向量输出 ${\mathbf{y}}_{\mathbf{i}}$）。

学习目标

毋庸置疑，如果一个模型训练的好，学习后应该有回答等于标准答案，也就是 $f({\mathbf{x}}_{\mathbf{i}})=y_i$，或误差损失 $(f({\mathbf{x}}_{\mathbf{i}})-y_i{)}^2=0$。换言之，线性回归试图习得：$$f({\mathbf{x}}_{\mathbf{i}})={\mathbf{w}}_{\mathbf{i}}{\mathbf{x}}_{\mathbf{i}}+b,f({\mathbf{x}}_{\mathbf{i}})\simeq y_i$$

均方误差

为了衡量网络回答 $f({\mathbf{x}}_{\mathbf{i}})$ 与标准答案 $y_i$ 之间的差别，以确定 $\mathbf{w},b$ 的解 ${\mathbf{w}}^{\ast },b^{\ast }$，我们可以引入均方误差：
$$({\mathbf{w}}^{\ast },b^{\ast })=\underset{(\mathbf{w},b)}{\mathrm{argmin}}\sum _{i=1}^m(f({\mathbf{x}}_{\mathbf{i}})-y_i{)}^2=\underset{(\mathbf{w},b)}{\mathrm{argmin}}\sum _{i=1}^m(y_i-{\mathbf{w}}^{\top }{\mathbf{x}}_{\mathbf{i}}-b{)}^2$$
这本质上是一个优化问题，类似凸优化中求何处 $(\mathbf{w},b)$ 取值，使得整体 $loss$ 最小。 BP 中可对未知参数求偏导采用梯度下降法反向传播，迭代更新每个神经元参数，以求出最优的 $({\mathbf{w}}^{\ast },b^{\ast })$。现实优化问题可采用模拟退火、随机梯度下降、遗传算法等完成此过程。

注意，这里 $\mathbf{x}$ 作为数据集输入为已知，$y_i$ 作为数据集标准输出也为已知，你要求的反而是模型的未知组参数 $(\mathbf{w},b)$ 的解 $({\mathbf{w}}^{\ast },b^{\ast })$。

监督学习

数据集 $D$ 可以划分为两块 $D=D_1\cup D_2$。一块 $D_1$ 用于训练 $({\mathbf{w}}^{\ast },b^{\ast })$，称为监督集；一块 $D_2$ 用于测试你获得的模型 $f(\mathbf{x})={{\mathbf{w}}^{\ast }}^{\top }\mathbf{x}+b$，验证合理性或享受成就感，称为测试集。

弱监督学习

可分为不完全监督、不确切监督、不准确监督。与传统的监督学习相比，其使用有限的、含有噪声的或者标注不准确的数据来进行模型参数的训练，如：

• 数据集 $D$ 内样本数 $m$ 较小；
• ${\mathbf{x}}_{\mathbf{i}}$ 内部分维度值缺失，或部分 $y_i$ 缺失；
• $D$ 内存在垃圾噪声（错误标准答案、无效输入等），需清洗。

不完全监督

数据集 $D$ 残缺只有部分带有标签，假若为获得强监督信号，将全部缺失标签咨询专家添加标签，消耗成本太大。

主动学习

在查询次数尽可能小的情况下，选择出最有价值的未标注数据来查询人类专家，使得训练出的模型性能最好。旨在提高查询效率。

半监督学习

没有人类专家参与，根据数据分布特征，做聚类假设或流形假设，使得相近样本返回相似预测结果。

迁移学习

利用源领域 $D_s$ 和源任务 $T_s$ 中的知识，解决目标领域 $D_t$ 和目标任务 $T_t$ 中的预测函数 $f_t(\mathbf{x})$，或提升 $f_t(\mathbf{x})$ 的预测效果。

不确切监督

数据集中每个实体内没有标注明确的监督信息，输入特征维度不明确。如肺炎患者胸片，并不确切何处病灶会导致患病。

不准确监督

大数据集内出现的标注错误，可视为噪声。