原文《the-10-deep-learning-methods-ai-practitioners-need-to-apply》

作者： James Le 譯者：虎說八道

摘要：想要了解人工智慧，不知道這十種深度學習方法怎麼能行？

在過去十年中，人們對機器學習的興趣激增。幾乎每天，我們都可以在各種各樣的電腦科學課程、行業會議、華爾街日報等等看到有關機器學習的討論。在所有關於機器學習的討論中，許多人把機器學習能做的事情和他們希望機器學習做的事情混為一談。從根本上講，機器學習是使用演算法從原始資料中提取資訊，並在某種型別的模型中表示這些資訊。我們使用這個模型來推斷還沒有建模的其他資料。

神經網路是機器學習的一種模型，它們至少有50年曆史了。神經網路的基本單元是節點（node），基本上是受哺乳動物大腦中的生物神經元啟發。神經元之間的連線也以生物的大腦為模型，這些連線隨著時間的推移而發展的方式是為“訓練”。

在20世紀80年代中期和90年代初期，許多重要的模型架構進步都是在神經網路中進行的。然而，為了獲得良好效能所需的時間和資料越來越多，這極大的降低了研究人員的興趣。在21世紀初期，計算能力呈指數級增長，研究人員看到了計算機技術的“寒武紀爆發”。作為該領域的一個重要競爭者——深度學習，因為計算能力的爆炸式增長，贏得了許多重要的機器學習競賽。截至目前，這種趨勢仍然沒有減退;今天，我們看到機器學習的每個角落都提到了深度學習。

最近，我又開始閱讀有關該深度學習的學術論文。根據我的研究，以下是一些對該領域的發展產生巨大影響的出版物：

• 紐約大學基於梯度的學習應用於文件識別（1998），它將卷積神經網路引入機器學習世界。

• 多倫多大學的Deep Boltzmann Machines（2009），它為Boltzmann機器提供了一種新的學習演算法，包含許多隱藏變數層。

• 斯坦福和谷歌使用大規模無監督學習構建高階功能（2012），解決了僅使用未標記資料構建高階，類特定功能檢測器的問題。

• Berkeley的DeCAF-一種用於通用視覺識別的深度卷積啟用功能（2013），它釋出了DeCAF，這是一種深度卷積啟用功能的開源實現，以及所有相關的網路引數，使視覺研究人員能夠進行深度實驗跨越一系列視覺概念學習範例的表示。

• DeepMind使用Deep Reinforcement Learning（2016）播放Atari，它提供了第一個深度學習模型，可以使用強化學習直接從高維感覺輸入成功學習控制策略。

通過研究和學習論文，我學到了很多關於深度學習的豐富知識。在這裡，我想分享AI工程師可以應用於機器學習問題的10種強大的深度學習方法。但首先，讓我們來定義深度學習是什麼。深度學習對於許多人來說是一個挑戰，因為它的形式在過去十年中逐漸發生了改變。為了向各位更好的說明深層學習的地位，下圖說明了人工智慧，機器學習和深度學習之間關係的概念。

人工智慧領域很廣泛，並且已經存在了很長時間。深度學習是機器學習領域的一個子集，而機器學習只是人工智慧的一個子領域。將深度學習網路與之前的前饋多層網路進行區分：

• 深度學習比以前的網路更多的神經元；

• 深度學習中有更復雜的連線層的方式；

• “寒武紀爆炸”的提供的計算能力；

• 深度學習可以自動進行特徵提取。

當我說到“更多神經元”時，是指近年來神經元的數量不斷增加，深度學習就可以表示更為複雜的模型。層也從多層網路中每一層的完全連線，進化成卷積神經網路中神經元片段的區域性連線，以及與遞迴神經網路中的同一神經元的迴圈連線（與前一層的連線除外）。

深度學習可以被定義為具有大量引數和層數的神經網路：

• 無人監督的預訓練網路；

• 卷積神經網路；

• 迴圈神經網路；

• 遞迴神經網路。

在這篇文章中，我主要對後三種網路進行講解。卷積神經網路（CNN）基本上式已經跨越使用共享權重的空間延伸的標準神經網路。CNN旨在通過在內部的卷積來識別影象，該卷積看到影象上識別物件的邊緣。遞迴神經網路基本上是一個使用時間延伸擴充套件空間的標準神經網路，它提取進入下一時間步的邊沿，而不是在同一時間進入下一層。RNN進行序列識別，例如語音或文字訊號，因其內部具有迴圈，意味著在RNN網路中存在短時記憶。遞迴神經網路更類似於分層網路，其中輸入序列實際上與時間無關，但輸入必須以樹狀方式分層處理。下面的10種方法可以應用於所有這些架構。

1-反向傳播

Back-prop反向傳播只是一種簡單計算函式的偏導數的方法，它具有函式組合的形式（如神經網路中）。當你使用基於梯度的方法解決最優化問題（梯度下降只是其中之一）時，你希望在每次迭代時計算函式漸變，這個時候它便可以發揮作用。

對於神經網路，其目標函式具有組合的形式。你如何計算梯度？有兩種常見的方法可以做到：（i）分析微分法。如果你知道函式的形式，你只需使用鏈式規則（基本微積分）計算導數。（ii）有限差分的近似微分。該方法在計算上是昂貴的，因為評估函式的數量是O（N），其中N是引數的數量。與解析微分相比，這種方法的計算成本是昂貴的。在除錯時，通常使用有限差分驗證反向傳播的執行效果。

2-隨機梯度下降

想象梯度下降的直觀方式是想象一條源自山頂的河流的路徑。梯度下降的目標正是河流努力實現的目標，即從山頂流到最低點。

現在，如果山的地形形狀使得河流在到達其最終目的地之前不必完全停在任何地方，這是我們想要的理想情況。在機器學習中，這相當於說，我們已經從初始點（山頂）開始找到解決方案的全域性最小值（或最優值）。然而，可能由於地形性質，導致河流路徑出現若干的坑窪，會迫使河流困住和停滯。在機器學習方面，這種坑窪被稱為區域性最優解，這是我們不想要的情況。當然有很多方法可以解決區域性最優解問題，這裡我不打算進一步討論。

因此，梯度下降傾向於陷入區域性最小值，這取決於地形的性質（或ML術語中的函式）。但是，當你有一種特殊的山地形狀（形狀像一個碗，用ML術語稱為凸函式）時，演算法始終能夠找到最優值。你可以想象將這條河流視覺化。在機器學習中，這些特殊的地形（也稱為凸函式）總是需要優化的。另外，你從山頂開始（即函式的初始值）的位置不同，最終你到達山底的路徑也完全不同。同樣，根據河流的流淌速度（即梯度下降演算法的學習速率或步長），你可能會以不同的方式到達目的地。你是否會陷入或避免一個坑（區域性最小），都會被這兩個標準影響。

3-學習速率衰減

調整隨機梯度下降優化程式的學習速率可以提高效能並縮短訓練時間。有時這也被稱為學習率退火或自適應學習率。在訓練期間最簡單且最常用的學習率調整是隨時間降低學習率的技術。在訓練初期使用較大的學習速率值，可以對學習速率進行大幅調整；在訓練後期，降低學習速率，使模型以一個較小的速率進行權重的更新。這種技術在早期可以快速學習獲得一些較好的權重，並在後期對權重進行微調。

兩種流行且易於使用的學習率衰減如下：

• 在每個環節逐漸降低學習率。

• 在特定時期使用大幅下降來降低學習速率。

4-Dropout

具有大量引數的深度神經網路是非常強大的機器學習系統。然而，過度擬合是這種網路中的嚴重問題。大型網路使用起來也很慢，因此在測試時將許多不同的大型神經網路的預測結合起來很難處理過度擬合。Dropout就是一種解決此問題的技術。

關鍵思想是在訓練期間從神經網路中隨機刪除單元及其連線，這可以防止單元間的過度適應。在訓練期間，從指數數量的不同“稀疏”網路中抽取樣本。在測試時，通過簡單地使用具有較小權重的單解開網路（untwinednetwork），很容易近似平均所有這些稀疏網路以達到預測的效果。這顯著減少了過度擬合，並且比其他正則化方法表現的更好。Dropout已被證明可以改善神經網路在計算機視覺，語音識別，文件分類和計算生物學等領域的監督學習任務的效能，並在許多基準資料集上獲得最先進的結果。

5-最大池化

最大池化是基於樣本的離散化過程。目的是對輸入表示（影象、隱藏層輸出矩陣等）進行下采樣，通過降低其維數並允許對包含在子區域中的特徵進行合併。

通過提供表徵的抽象形式，這種方法在某種程度上有助於解決過擬合。同樣，它也通過減少學習引數的數量和提供基本的內部表徵的轉換不變性來減少計算量。最大池化是通過將最大過濾器應用於通常不重疊的初始表徵子區域來完成的。

6-批量歸一化

當然，包括深度網路在內的神經網路需要仔細調整權重初始化和學習引數。批量歸一化有助於讓中國過程更簡單一點。

權重問題：

· 無論那種權重的初始化，隨機還是憑經驗選擇，它們都和學習權重差別很大。考慮一個小批量資料集，在最初的時期，在特徵啟用時都會有許多異常值。

· 深度神經網路本身脆弱的，即初始層的微小擾動都會導致後面層很大的變化。

在反向傳播期間，這些現象會導致梯度偏移，這意味著在學習權重以產生所需輸出之前，梯度必須補償異常值。這也將導致需要額外的時間來收斂。

批量歸一化將這些梯度從離散規則化為正常值，並在小批量的範圍內朝向共同目標（通過歸一化它們）流動。

學習率問題：通常，學習率保持較小，使得只有一小部分的梯度用來校正權重，原因是異常啟用的梯度不應該影響已經學習好的權重。通過批量歸一化，這些異常值被啟用的可能性就會減少，因此可以使用更高的學習率來加速學習過程。

7-長短期記憶：

LSTM網路具有以下三個方面，使其與遞迴神經網路中的常規神經元區分開來：

1、它可以控制何時讓輸入進入神經元。

2、它可以控制何時記住上一個時間步驟中計算的內容。

3、它可以控制何時將輸出傳遞給下一個時間戳。

LSTM的優點在於它根據當前輸入本身決定所有這些，如下圖所示：

當前時間戳處的輸入訊號x（t）決定所有上述3個點。輸入門決定點1.遺忘門在點2上做出決定，輸出門在點3上做出決定。輸入門能單獨能夠做出這三個決定。這受到了我們的大腦是如何工作的啟發，並且可以處理突然的上下文切換。

8-Skip-gram：

詞嵌入模型的目標是為了每個詞彙學習一個高維密集表徵，其中嵌入向量之間的相似性顯示了相應單詞之間的語義或句法相似性。Skip-gram是學習詞嵌入演算法的模型。

skip-gram模型（以及許多其他詞嵌入模型）背後的主要思想如下：如果兩個詞彙有相似的上下文，則它們是相似的。

換句話說，假設你有一句話，比如“貓是哺乳動物”。如果你使用術語“狗”而不是“貓”，句子仍然是一個有意義的句子。因此在該示例中，“狗”和“貓”可以共享相同的背景（即“是哺乳動物”）。

基於上述假設，你可以考慮一個上下文視窗（一個包含k個連續術語的視窗）。然後你應該跳過其中一個單詞，並嘗試學習除了跳過的一個術語之外的所有術語並預測跳過的術語的神經網路。因此如果兩個單詞在大型語料庫中重複地共享相似的上下文，那些這些術語的嵌入向量將具有相似的向量。

9-連續的詞袋模型（Continuous Bag of Words）：

在自然語言處理問題中，我們希望學習將文件中的每個單詞表示為數字向量，使得出現在相似上下文中的單詞具有彼此接近的向量。在連續詞袋模型中，目標是能夠使用圍繞特定單詞的上下文並預測特定單詞。

我們通過在一個大型語料庫中抽取大量句子來做到這一點，每次看到一個單詞時，我們都會使用其上下文單詞。然後我們將上下文單詞輸入到一個神經網路中，並預測該上下文中心的單詞。

當我們有數千個這樣的上下文單詞和中心單詞時，我們就有一個神經網路資料集的例項。我們訓練神經網路，在經過編碼的隱藏層的輸出表示特定單詞的嵌入。碰巧的是，當我們在大量句子上訓練時，類似上下文中的單詞會得到類似的向量。

10-遷移學習：

考慮下影象是如何通過卷積神經網路的。假設你有一個影象，你應用卷積，你得到畫素組合作為輸出。如果碰到了邊緣，則再次應用卷積，所以現在輸出是邊或線的組合。然後再次應用卷積，此時的輸出將是線的組合，依此類推。你可以將其視為每個層尋找特定模式。神經網路的最後一層往往變得非常專業。如果你正在使用ImageNet，那麼你的網路最後一層將尋找兒童或狗或飛機或其他什麼。再後退幾層你可能會看到網路正在尋找眼睛或耳朵或嘴或輪子。

深度CNN中的每個層逐漸建立了更高和更高級別的特徵表徵。最後幾層往往專注於你輸入模型的任何資料。另一方面，早期的圖層更通用，是在更大類的圖片中找到很多簡單的模式。

遷移學習是指你在一個數據集上訓練CNN，切斷最後一層，在其他不同的資料集上重新訓練模型的最後一層。直觀地說，你正在重新訓練模型以識別不同的更高級別的功能。因此，模型訓練的時間會大大減少，因此當你沒有足夠的資料或者訓練所需的太多資源時，遷移學習是一種有用的工具。

本文僅顯示這些方法的一般概述。我建議閱讀以下文章以獲得更詳細的解釋：

· Andrew Beam的“深度學習101”；

· 安德烈庫林科夫的“神經網路與深度學習簡史”；

· Adit Deshpande的“理解卷積神經網路的初學者指南”；

· 克里斯奧拉的“理解LSTM網路”；

· Algobean的“人工神經網路”；

· Andrej Karpathy的“迴歸神經網路的不合理有效性”；

深度學習是非常注重技術實踐的。本文中的每個新想法都沒有太多具體的解釋。對於大多數新想法都附帶了實驗結果來證明它們能夠運作。深度學習就像玩樂高，掌握樂高與任何其他藝術一樣具有挑戰性，但相比之下入門樂高是容易的。

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