神经网络和深度学习(一):深度学习概论

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1、什么是神经网络

我们来看一个简单的预测房价的例子,吴恩达老师还真是喜欢用这个例子呢。

比如我们用房屋的大小来预测房屋的价格,我们在图上的得到了六个点,那么根据这六个点我们可以画出一条直线,由于房屋的价格不可能为负,因此我们的直线必须在x轴上方:

在这里,我们仅通过房屋的大小来预测它的价格,我们可以得到一个简单的神经网络:

在这里,我们通过输入一个x也就是房屋的大小来得到y,即房屋的价格,中间经过了一个神经元的变换操作,显然,这里的操作就是relu,这里对relu不了解也没有关系。

房屋的价格也可能被其他很多因素影响,比如卧室的大小,这反映了家庭的人口数。还有邮编,这可能反映的是房屋的偏僻程度或者交通便利程度。还有可能的因素是该地区的富裕程度,这可能影响该地区的学校的质量,那么我们可以通过下图来表示多种因素对房价的影响。

我们用下图的神经网络结构来表示上图,可以看到,我们的输入是4个影响因素,中间三个神经元代表隐藏层,隐藏层的神经元并没有我们上面所说的解释力,具体代表什么需要神经网络去学习,最后我们在输出层得到我们的房价y。

2、用神经网路进行监督学习

神经网络为什么效果如此显著,是因为一种机器学习方法,也就是我们所知道的监督学习方法。

监督学习在许多领域里取得了出众的成果,如实时预测,在线广告、机器翻译、无人驾驶等等。这些应用中我们要选择合适的x和y来进行监督学习。如下图:

这些应用都有不同的解决方法,比如解决图像标注问题时,我们可能用到卷积神经网络CNN,在解决语音识别,机器翻译时,我们会应用到序列信息,因此可能会用到循环神经网络RNN,下面是普通的神经网络,CNN和RNN的网络结构。

在这些监督学习中,我们会用到两种类型的数据,一种是结构化数据,另一种是非结构化数据,如下图所示:

3、为什么深度学习现在才火起来呢?

三个重要的因素使得深度学习越来越火:

  1. 数据越来越多,大数据时代的来到
  2. 硬件的提升,计算速度越来越快
  3. 新的模型和算法的不断涌现

如果你想要得到一个好的效果,需要有两点,复杂的网络结构和足够多的训练样本。

算法和计算速度时相辅相成的,不断改进的算法提升了计算速度,计算速度的提升也催生了更多算法的出现。我们首先来看前者,一个简单的例子就是激活函数从sigmoid到修正线性单元Relu的转变,可以看到,在sigmoid函数的两端斜率非常小,导致了我们的梯度下降法学习十分缓慢,而Relu则能使我们的梯度下降法进行快速的学习。

对于后者,我们先要来说算法迭代的过程,我们有idea之后,通过代码来实现,进而进行试验,在实验过程中我们有可能修改我们的idea,从而使前面的进程不断的循环进行。

在这个过程中,计算速度的增加使得我们的实验可以更快的进行,从而导致了新算法的不断涌现。

4、关于这门课

这门课将从五个方面来展开,带你学习深度学习最基础的知识:

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