Datawhale X 李宏毅苹果书AI夏令营深度学习入门(二)

一.深度学习

继续上一篇文章的深度学习的定义
把 w 跟 b 更新的方向结合起来，就是一个向量，就是红色的箭头，再计算一次微分，再决定要走什么样的方向，把这个微分的值乘上学习率，再乘上负号，我们就知道红色的箭头要指向那里，就知道如何移动 w 跟 b 的位置，一直移动，期待最后可以找出一组不错的 w, b。

二.线性模型

定义：模型把输入的特征 x 乘上一个权重，再加上一个偏置就得到预测的结果，这样的模型称为线性模型（linear model）。接下来会看如何把线性模型做得更好。

(一)分段线性曲线

线性模型也许过于简单，x1 跟 y 可能中间有比较复杂的关系，对于线性模型，x1 跟 y 的关系就是一条直线，随着 x1 越来越高，y 就应该越来越大。显然线性模型有很大的限制，这一种来自于模型的限制称为模型的偏差，无法模拟真实的情况。所以需要写一个更复杂的、更有灵活性的、有未知参数的函数。红色的曲线可以看作是一个常数再加上一群 Hard Sigmoid 函数。Hard Sigmoid 函数的特性是当输入的值，当 x 轴的值小于某一个阈值（某个定值）的时候，大于另外一个定值阈值的时候，中间有一个斜坡。所以它是先水平的，再斜坡，再水平的。所以红色的线可以看作是一个常数项加一大堆的蓝色函数（Hard Sigmoid）。常数项设成红色的线跟 x 轴的交点一样大。常数项怎么加上蓝色函数后，变成红色的这一条线? 蓝线 1 函数斜坡的起点，设在红色函数的起始的地方，第 2 个斜坡的终点设在第一个转角处，让第 1 个蓝色函数的斜坡和红色函数的斜坡的斜率是一样的，这个时候把 0+1 就可以得到红色曲线左侧的线段。接下来，再加第 2 个蓝色的函数，所以第2 个蓝色函数的斜坡就在红色函数的第一个转折点到第 2 个转折点之间，让第 2 个蓝色函数

的斜率跟红色函数的斜率一样，这个时候把 0+1+2，就可以得到红色函数左侧和中间的线段。接下来第 3 个部分，第 2 个转折点之后的部分，就加第 3 个蓝色的函数，第 3 个蓝色的函数坡度的起始点设的跟红色函数转折点一样，蓝色函数的斜率设的跟红色函数斜率一样，接下来把 0+1+2+3 全部加起来，就得到完整红色的线。所以红色线，即分段线性曲线（piecewise linear curve）可以看作是一个常数，再加上一堆蓝色的函数。分段线性曲线可以用常数项加一大堆的蓝色函数组合出来，只是用的蓝色函数不一定一样。要有很多不同的蓝色函数，加上一个常数以后就可以组出这些分段线性曲线。如果分段线性曲线越复杂，转折的点越多，所需的蓝色函数就越多。

假设 x 跟 y 的关系非常复杂也没关系，就想办法写一个带有未知数的函数。直接写 HardSigmoid 不是很容易，但是可以用一条曲线来理解它，用 Sigmoid 函数来逼近 Hard Sigmoid，

其横轴输入是 x1，输出是 y，c 为常数。如果 x1 的值，趋近于无穷大的时候，e−(b+wx1) 这一项就会消失，当 x1 非常大的时候，这一条就会收敛在高度为 c 的地方。如果 x1 负的非常大的时候，分母的地方就会非常大，y的值就会趋近于 0。所以可以用这样子的一个函数逼近这一个蓝色的函数，即 Sigmoid 函数，Sigmoid 函数就是 S 型的函数。因为它长得是有点像是 S 型，所以叫它 Sigmoid 函数。为了简洁，去掉了指数的部分，蓝色函数的表达式为

所以可以用 Sigmoid 函数逼近 Hard Sigmoid 函数。

调整这里的 b、w 和 c 可以制造各种不同形状的 Sigmoid 函数，用各种不同形状的 Sigmoid函数去逼近 Hard Sigmoid 函数。如果改 w，就会改变斜率，就会改变斜坡的坡度。如果改了 b，就可以把这一个 Sigmoid 函数左右移动；如果改 c，就可以改变它的高度。所以只要有不同的 w 不同的 b 不同的 c，就可以制造出不同的 Sigmoid 函数，把不同的Sigmoid 函数叠起来以后就可以去逼近各种不同的分段线性函数；分段线性函数可以拿来近似各种不同的连续的函数。

(二)两点注意：
优化是找一个可以让损失最小的参数，只有 w 跟 b 两个参数的前提之下，可以穷举所有可能的 w 跟 b 的值，所以在参数很少的情况下。甚至可能不用梯度下降，不需要优化的技巧。但是参数非常多的时候，就不能使用穷举的方法，需要梯度下降来找出可以让损失最低的参数。
Sigmoid 的数量是由自己决定的，而且 Sigmoid 的数量越多，可以产生出来的分段线性函数就越复杂。Sigmoid 越多可以产生有越多段线的分段线性函数，可以逼近越复杂的函数。Sigmoid 的数量也是一个超参数。
(三)模型变形
其实还可以对模型做更多的变形，不一定要把 Hard Sigmoid 换成 Soft Sigmoid。HardSigmoid 可以看作是两个修正线性单元（Rectified Linear Unit，ReLU）的加总，ReLU 的图像有一个水平的线，走到某个地方有一个转折的点，变成一个斜坡，其对应的公式为

max(0, b + wx1) 是指看 0 跟 b + wx1 谁比较大，比较大的会被当做输出；如果 b + wx1 < 0，输出是 0；如果 b + wx1 > 0，输出是 b + wx1。通过 w, b, c 可以挪动其位置和斜率。把两个 ReLU 叠起来就可以变成 Hard 的 Sigmoid，想要用 ReLU，就把 Sigmoid 的地方，换成max(0, bi + wijxj )。2 个 ReLU 才能够合成一个 Hard Sigmoid。要合成 i 个 Hard Sigmoid，需要 i 个 Sigmoid，如果 ReLU 要做到一样的事情，则需要 2i 个 ReLU，因为 2 个 ReLU 合起来才是一个 Hard Sigmoid。因此表示一个 Hard 的 Sigmoid 不是只有一种做法。在机器学习里面，Sigmoid 或 ReLU 称为激活函数（activation function）。当然还有其他常见的激活函数，但 Sigmoid 跟 ReLU 是最常见的激活函数。
Sigmoid 或 ReLU 称为神经元（neuron），很多的神经元称为神经网络（neural network）。人脑中就是有很多神经元，很多神经元串起来就是一个神经网络，跟人脑是一样的。人工智能就是在模拟人脑。神经网络不是新的技术，80、90 年代就已经用过了，后来为了要重振神经网络的雄风，所以需要新的名字。每一排称为一层，称为隐藏层（hiddenlayer），很多的隐藏层就“深”，这套技术称为深度学习。
在训练数据和测试数据上的结果是不一致的，这种情况称为过拟合（overfitting）。深度学习的训练会用到反向传播（BackPropagation，BP），其实它就是比较有效率、算梯度的方法。
(四)机器学习框架
有一堆训练的数据以及测试数据如下所示，测试集就是只有 x 没有 y。

训练集就要拿来训练模型，训练的过程是 3 个步骤。

先写出一个有未知数 θ 的函数，θ 代表一个模型里面所有的未知参数。fθfθ(x) 的意思就是函数叫 fθfθ(x)，输入的特征为 x；
定义损失，损失是一个函数，其输入就是一组参数，去判断这一组参数的好坏；
解一个优化的问题，找一个 θ，该 θ 可以让损失的值越小越好。让损失的值最小的 θ 为θ∗，即θ∗ = argminθL。有了 θ∗ 以后，就把它拿来用在测试集上，也就是把 θ∗ 带入这些未知的参数，本来 fθfθ(x)里面有一些未知的参数，现在 θ 用 θ∗ 来取代，输入是测试集，输出的结果存起来。