Keras-3-机器学习基础及神经网络入门

说明：

1. Keras学习记录的参考书是：《Python深度学习》；
2. 本篇记录的是第一部分（3-4章）的知识点汇总，详情见书；

1. 机器学习基础：

基础概念：

1. 监督学习：

给定一组带标注的样本，模型可以学会将输入数据映射到标注上。
**监督学习可分为：分类和回归；**具体主要包括：序列生成 (sequence generation)、语法树预测 (syntax tree prediction)、目标检测 (object detection) 和 图像分割 (image segmentation)。

2. 无监督学习：

在没有标注的情况下，模型根据输入数据，从中寻找出规律；其目的在于数据可视化、数据压缩、数据去燥或者更好地理解数据中的相关性。
无监督学习可以分为：降维 (dimensionality reduction) 和 聚类 (clustering)。

3.自监督学习：

自监督学习 是没有人工标注的标签的监督学习（本质还是监督学习，只是没有人为参与。标签依然存在，但是由模型自己从输入数据中学到的）。
比如：给定视频中的过去帧来预测下一帧，或者给定文本中前面的词来预测下一个词。

4. 强化学习：

在强化学习中，智能体 (agent) 接收与其相关的环境信息，并学会选择使用某种奖励最大化的行动。

5. 模型评估：

1. 数据集划分：

将数据集划分为 训练集、验证集和测试集。由于模型由多个超参数（比如 层数、每层大小、训练次数、学习率等）需要确定，所以需要利用模型在验证集上的性能作为反馈信号，以此调节模型超参数，得到最优的超参数组合。

测试集是绝对不可以用到模型训练中的。

2. 留出验证 (hold-out validation)：

从训练集中留出一定比例的数据作为测试集，剩余数据作为训练集训练模型，然后在测试集上评估模型。
优点：操作简单；缺点：如果数据较少，那么验证集和测试集的数据就很少，不具有统计学上的意义。

3. K折交叉验证 (K-fold cross validation):

将数据集分为大小相同的 K 份，对每一份而言，每次选一份作为验证集，剩下的 K-1 份作为训练集。最终得到 K 个评估分数，取均值作为最终得分。

4. 带有打乱数据的重复 K 折验证 (iterated K-fold validation with shuffling):

如果数据相对较少，但又要尽可能精确地评估模型，那么可以选择该方法。
具体做法就是多次使用 K 折验证，每次将数据集划分为 K 份之前，先将顺序打乱。最终分数是每次可这验证分数的平均值。
这个方法一共要训练和评估 P x K 个模型 (P为训练次数)，计算代价很大。

5. 模型评估的注意事项：

**1. 数据代表性：**尽可能确保训练 (验证集) 和测试集中样本标签包含全部标签种类，所以在划分训练集和测试集之前，通常需要将数据随机打乱。
**2. 时间箭头：**如果想用过去的数据预测未来，那么不能直接将数据进行随机打乱，而是要确保测试集中所有数据的时间都晚于测试集数据。
**3. 数据冗余：**一定要保证训练集和测试集之间没有交集。

6. 数据预处理：

1. 数据向量化 (data vectorization)：

神经网络的所有输入和目标必须都是浮点数张量。无论是声音、图像还是文本，都需要转化成浮点数张量的形式。

2. 值标准化：

不同来源的数据或者不同的特征，有不同的取值范围，这种情况下需要对特征值进行标准化处理。
输入数据应该具有：取值较小（大部分值在0-1之间）和同质性（所有特征取值都应该在大致相同的范围内）。
通常用的标准化处理方法是：将每个特征分别标准化，都变成均值为0，标准差为1的数值分布。

3. 处理缺失值：

如果数据中存在缺失值，那么一般来说将缺失值设置为 0 是可以的（只要 0 不是一个有意义的值）。

4. 特征工程：

将数据输入模型之前，利用先验知识对数据进行 硬编码 的变换（不是模型自己学到的），以改善模型的效果。
特征工程对于传统的统计机器学习比较重要，而对于现代深度学习而言，大部分情况下是不需要特征工程的，但是良好的特征仍有助于提升模型性能。

7. 过拟合 (underfit)和欠拟合(overfit)：

过拟合存在于所有的机器学习模型中，因此如何处理过拟合对于掌握机器学习至关重要。
**机器学习的根本问题是：优化和泛化之间的对立。
优化 (optimization) 指调节模型以在训练集上得到最佳性能 (即 学习的过程)。
泛化 (generalization) 指的是训练好的模型在前所未见的数据上的性能好坏。

训练开始时，优化和泛化是相关的：训练数据上的损失越小，测试数据上的损失也越小，这时模型是欠拟合的，模型仍有改进空间。
随着训练次数增加，泛化不在提高，验证指标先不变，然后开始变差，模型开始过拟合。

为降低模型过拟合，需要用到一些正则化方法 (regularization)，如下所述：

1. 减小网络大小 (减小模型的层数、隐藏单元个数等)；
2. 添加权重正则化 (强制让模型权重只能去较小的值，从而限制模型的复杂度。比如 L1 正则化、L2正则化)；
3. 添加 dropout 正则化 (对某一层使用dropout，就是在训练过程中随机将该层的一些输出特征舍弃 (设置为0)。dropout比率 指的是被设置为0的特征所占的比例，通常刚在0.2-0.5之间)

机器学习的通用流程：

1. 定义问题，收集数据。
2. 选择衡量指标 (精度 accuracy、准确率 precision、召回率 recall等)。对于平衡分类问题，精度和AUC是常用指标；对于类别不平衡的问题，可以用准确率和召回率；对于排序问题或多标签分类，可以用平均准确率均值 (mean average precision)。
3. 确定评估方法 (留出验证 (数据量很大时)，K折交叉验证 (样本量较少)，重复的K折验证 (样本量太少))。
4. 准备数据以及数据预处理。
5. 开发比基准更好的模型 (用一个小模型，可以优于纯随机的基准；最后一层激活函数的选取、损失函数的选取、优化器的选取)。

问题类型	最后一层激活	损失函数
二分类问题	sigmoid	binary_crossentropy
多分类、单标签问题	softmax	categorical_crossentropy
多分类、多标签问题	sigmoid	binary_crossentropy
回归到任意值	无	mse
回归到0-1之间的值	sigmoid	mse 或者 binary_crossentropy

6. 扩大模型规模 (增加层数、增加隐藏单元个数、训练更多次数)。
7. 模型正则化与超参数调节 (降低模型过拟合，添加 drop、添加 L1或L2正则化、尝试不同超参数 (比如每层隐藏单元个数、优化器的学习率)、尝试不同的架构 (增加或减少层数)、重复做特征工程 (可选项))。
8. 得到最优的模型配置之后，用完整的训练集 (包括训练集和测试集) 训练最终的模型，并在测试集做最后的评估。

2. 神经网络入门：

基础概念：

1. 层（基础组件）：

神经网络的基本数据结构是层。
层是一个数据处理的模块。
有些层是无状态的，但大多数层是有状态的（即 层的权重）。

不同的张量格式与不同的数据处理类型需要用不同的层：
2D (samples, features)张量数据（比如简单的向量数据），用全连接层 fully connected layer（也称为 密集层 dense layer）；
3D (samples, timesteps, features)张量数据（比如 序列数据），用循环层 recurrent layer（比如 LSTM）；
4D (samples, height, width, channels)张量数据（比如图像数据），用二维卷积层 convolution layer（比如 Conv2D）；

2. 模型（层构成的网络）：

最常见的模型是层的线性堆叠，但是也有一些其他的网络拓扑结构（比如 双分支 two-branch 网络、多头 multihead 网络、Inception 模块）。

3. 损失函数与优化器：

损失函数（目标函数）——训练过程中需要将其最小化，衡量当前任务是否成功完成。
优化器——如何基于损失函数对网络进行更新。
关于损失函数的选择：
二分类问题 – 二元交叉熵 (binary crossentropy) 损失函数；
多分类问题 – 分类交叉熵 (categorical crossentropy) 损失函数；
回归问题 – 均方误差 (mean-squared error) 损失函数；
序列学习问题 – 联结主义时序分类 (CTC, connectionist temporal classification) 损失函数；

4. 网络架构：

Keras中定义模型的方法有两种：使用Sequential 类（仅适用于 层的线性堆叠）；使用 函数式 API (funational API，用于 层组成的有向无环图，可以构建任意形式的架构)。

实例：

1. 二分类问题：

以电影评论分类为例，将影评的文字内容划分为正面或负面。
详见：http://t.csdn.cn/Y8mIm

2. 多分类问题：

以路透社新闻为例，将其划分为46个互斥的主题。
详见：http://t.csdn.cn/5aieG

3. 回归问题：

以波士顿房价预测为例。
详见：http://t.csdn.cn/M3YBm