大模型基础之神经网络

【神经网络的构成】

神经元 激活函数 层

feedforward computation前向计算：从输入开始依次计算每一层的结果。

隐层：在输入之上添加的多层通常被称为隐层。

激活函数：非线性的激活函数，拟合非线性关系，进行非线性变换。

叠加若干隐层，提升网络的表达能力。

输出层：来得到结果。线性输出层，用来解决回归问题。sigmoid输出层，将结果压到0-1之内，用来解决二分类问题。softmax输出层，用来解决多分类问题。

【如何训练】

目标：均方差越小，模型越好。Mean Squared Error。每个预测值和真实值差的平方和再求平均。将均方差定义为损失函数，也就是所谓的loss。训练的目标就是去减小这个损失函数的值。

如果是分类任务呢，目标就是最小化交叉熵Cross-entropy.

如何使损失函数最小化，采用梯度下降法，把整个优化过程拆分成一个个步骤，每一步，缩小损失函数一点点。如何调整参数，才能使损失函数逐步变小呢。这需要去求损失函数对于模型参数的梯度，梯度代表了对这个参数进行单位大小的改动，然后损失函数它变化最快的方向。我们就顺着这个方向去对模型参数做一个小的改动，就可以降低一点点损失函数。因为我们目标是使损失函数最小，所以我们要做沿着梯度的反方向去改动/走一小步。

改动/步幅的大小取决于“学习率”。

反向传播：把上游神经元层的梯度，传递到下游神经元层的梯度，从上游到下游逐层计算每层参数要进行的小变动。

随机梯度下降：以上计算梯度下降时用的是全部样本，也就是批量梯度下降法（full batch一个批次中使用全部样本），计算量大。随机梯度下降法，在使用下降法更新参数时每次只根据随机抽取一个样本进行计算，batch size=1，计算加速。mini-batch梯度下降：batch size大于1小于全部样本数，mini-batch是批量梯度下降法和随机梯度下降法的折中。

在深度学习中，用的比较多的是mini-batch梯度下降。

以下是特色神经网络介绍

【Word2Vec】词的低维度表示

有两种机制生成词的分布表示：CBOW和skip-gram

CBOW使用上下文的词同时去预测当前的词，skip-gram是用当前的词依次去预测上下文出现的词。

如果要计算所有的词，势必计算量巨大。所以，有以下提升计算效率的办法：

负采样、分层softmax、去高频词、滑动窗口有小到大（距离近的上下文影响更大）。

【RNNs】循环神经网络

顺序记忆，一个使大脑更容易识别序列模式的机制。

RNNs利用这个机制来递归地更新序列记忆，从而对序列数据进行一个很好的建模。

RNNs每个单元在计算当前隐藏层状态时，都会引用上一个时间片段/序列中上一个词的隐藏层状态。

应用：序列标注/词性标注、序列预测（例如温度曲线预测）、图片描述、文本分类（情感分析）

优势：可处理边长数据、模型大小和输入长度无关、每一步的计算会用到前面的信息。

劣势：每一步依赖前一步计算，计算变慢；后面单元，很难用到很早之前的信息，梯度消失或膨胀。

为了解决劣势，引入如下RNN变体。

【GRU】门控控制单元

重置门+更新门+新的激活函数

【LSTM】长短时记忆网络

遗忘门+输入门+输出门

【双向RNN】

一个词的预测/识别也会涉及后面的词的影响

以上循环神经网络擅长处理序列问题

【CNNs】卷积神经网络

最初用于计算机视觉领域，也可以用于NLP领域。

cnn善于提取局部和位置不变的模式，视觉领域：颜色、边角、纹理，NLP领域：短语和一些局部语法结构。

一般通过提取句子里的N元组（相邻的几个词组成的短语）来获取局部模式。

卷积层：通过滑动的卷积核从输入层提取局部特征表示。

池化层：通过对局部特征求最大/平均来获取整体特征。

【深度学习流水线】

准备数据-构建模型和训练目标-训练模型-验证模型-测试模型