前沿技术讲习班学习笔记1-邱锡鹏老师
大纲：
（1）概述：机器学习概述、感知器、应用
（2）基础模型：前馈神经网络、卷积神经网络、循环神经网络、网络正则化与优化、应用
（3）进阶模型：注意力机制与外部记忆、无监督学习、概率图模型、深度生成模型、深度强化学习、模型独立的学习方式
整理的知识点：
1. 机器学习历史：1950~1965（规则+知识）、1970~1985（专家系统）、1985~2005（统计浅层学习）、2005~至今（统计深层学习）
2. 机器学习模型分为线性方法 [y=f(x)=θTx+b]（线性回归）、广义线性方法 [y=f(x)=θTΨ(x)+b]（对特征进行组合变换如SVM，个人觉得第四范式也是利用了这个思路，生成海量特征）和非线性方法（神经网络）。
3. 机器学习核心是解决语义鸿沟问题，即将高维底层特征映射到低维高层语义。如图像分类是将由像素组成的图片映射到人类理解的少数语义类别，新闻情感分类是将由字组成的语言映射到几种情感表达。
4. 自然语言处理的最大难点是语义表示问题，其基础是词义表示问题。词存在歧义、近义、同义、反义、类属等现象，现有所有词表示方法包括词向量表示都无法同时满足表达这些信息，所以导致计算机不能真实理解语义。
5. 机器学习类型
| 监督学习 | 无监督学习 | 强化学习 | |
| 输入 | 有标签数据 | 无标签数据 | 决策过程 |
| 反馈方式 | 直接反馈 | 无反馈 | 奖励 |
| 目标 | 分类、预测 | 发现隐藏结构 | 动作 |
6. 机器学习涉及概念：泛化错误、过拟合、损失函数、参数学习、优化
7. 泛化错误：期望风险是真实数据误差，经验风险是样本数据误差，泛化错误表示经验风险以概率逼近期望风险。
注：对于经验风险、期望风险、结构风险的联系与区分，可以查看前一个博文 机器学习优化问题-经验风险、期望风险、结构风险
在选择合适的风险函数后，我们寻找一个参数θ*，使得风险函数最小化 θ*=argminR(θ)。机器学习问题转化为一个最优化问题。
8. 线性分类器
| 损失函数 | 优化方法 | |
| 线性回归 | 平方误差 | 最小二乘、梯度下降 |
| logistic回归 | 交叉熵 | 梯度下降 |
| 感知器 | 0-1损失 | wk+1=wk+yixi |
| 支持向量机 | Hinge损失 | SMO等 |
9. 损失函数：0-1损失函数（最大问题是不可导），平方损失函数（可导，但不适用多分类问题），交叉熵损失函数（描述两个分布的距离，适用于多分类，交叉熵损失函数 vs KL距离）。
10. 优化：梯度下降法、批量梯度下降法BGD（解决梯度下降法慢的问题，若α太大，左右跳）、随机梯度下降法SGD 也叫增量梯度下降法（解决数据量大的问题）、小批量mini-batch随机梯度下降法。SGD解决小内存之于大数据杯水车薪的问题。
注：机器学习基本概念：凸优化问题、批量学习batch learning、在线学习online learning（参考博文online learning, batch learning&批量梯度下降，随机梯度下降）
- 批量学习（batch learning），一次性批量输入给学习算法，可以被形象的称为填鸭式学习。
- 在线学习（online learning），按照顺序，循序的学习，不断的去修正模型，进行优化。
11. 过拟合解决方案：提前停止（如何确定提前停止）、学习率设置（动量法、AdaGrad、AdaDelta和AdaM）。提前停止：使用一个验证集(Validation Dataset)来测试每一次迭代的参数在验证集上是否最优，如果在验证集上的错误率不再下降，就停止迭代。我们所用的开发集即是验证集。动量法：若两次梯度方向一样，则走得更远。
12. 分类模型流程end-to-end：模型表示、特征抽取、参数学习、解码算法
13. 处理线性不可分问题方法：广义非线性模型和非线性模型，广义非线性模型采用组合特征方法，其物理意义是对信息进行几何变化（如对折等），非线性模型的物理意义是对信息进行多次切割。
14. 特征工程问题
- 数据预处理：如去除噪声，文本分类中为去除停用词。
- 特征提取：从原始数据中提取一些有效的特征。如在图像分类中，提取边缘、尺度不变特征变换特征等。
- 特征转换：对特征进行一定的加工，如降维和升维。降维包括特征抽取（PCA、LDA）和特征选择（互信息、TF-IDF）。
15. 深度学习等于表示学习加上浅层学习，其特点在于自动学习了数据的表示特征，并自动解决了特征的贡献度分配问题（贡献度分配问题可以用神经网络和隐马尔科夫模型解决）。
16. 表示学习：为了提高机器学习系统的准确率，我们将输入信息转换为有效特征，也叫表示(Representation)。如果有一种算法可以自动地学习出有效的特征，并提高最终分类器的性能，那么这种学习就叫做表示学习(Representation Learning)。
17. 一个好的表示学习策略必须具备一定的深度。好的表示学习需具备特征重用和抽象表示与不变性两大特点。好的特征表示应能【独立】于具体问题存在，或说对于不同任务有较高的可复用性。
- 特征重用：指数级的表示能力。
- 抽象表示与不变性：抽象表示需要多步的构造。
18. 为什么需要深度学习？如果仅是划分问题，三层的MLP已经够了，因为它可以拟合任何复杂的函数或分布，深层的主要目的是解决数据的表示问题，说白了就是特征问题。
19. 人工神经网络的三个要素：神经元激活规则（主要是神经元输入到输出之间的映射关系，一般为非线性函数，一般要可导）、拓扑结构（不同神经元之间的连接关系，神经元之间的连接也成为权重，还可能会有模型的偏置）和学习算法（通过训练数据来学习神经网络的参数）。
20. 神经网络可以自动解决组合型问题（贡献度分配问题），它可以自动找出权重分配。
21. 深层神经网络难点：参数过多，影响训练；非凸优化问题，存在局部最优解而非全局最优解，影响迭代；下层参数难调；参数解释起来比较困难。
22. 深层神经网络需求：计算资源要大；数据要多；算法效率要好，收敛快。
23. 不同的神经网络结构
- 前馈神经网络：各个神经元分别属于不同的层，整个神经网络无反馈，信号从输入层向输出层单向传播，可用有向无环图表示。前馈网络可以看作一个函数，通过简单非线性函数的多次复合，实现输入空间到输出空间的复杂映射。主要采用误差修正法（如BP算法），计算过程一般比较慢，收敛速度也比较慢。前馈网络包括全连接前馈网络和卷积神经网络等。
- 反馈神经网络：神经元不仅可以接收其他神经元的信号，也可以接收自己的反馈信号，可用一个完备的无向图表示。和前馈网络相比，反馈网络在不同时刻具有不同的状态，具有记忆功能，因此反馈网络可以看作一个程序，也具有更强的计算能力。主要采用Hebb学习规则，一般情况下计算的收敛速度很快。
- 记忆网络：在前馈网络或反馈网络的基础上，引入一组记忆单元，用来保存中间状态。同时，根据一定的取址、读写机制，来增强网络能力。和反馈网络相比，记忆网络具有更强的记忆功能。
24. 不可导解决思路：强化学习。
25. 激活函数：Logistic函数（0~1空间）；Tanh函数（-1~1空间）；ReLU（0~无穷）；SoftPlus函数（0~无穷）。
26. 参数更新一般不包含偏置。反向传播的正则化项中不包含偏置。因为偏置比较重要？
27.前馈神经网络的训练过程可以分为以下三步：
- 前馈计算每一层的状态和激活值，直到最后一层；
- 反向传播计算每一层的误差项；
- 计算每一层参数的偏导数，并更新参数。
注：误差项：目标函数关于第一层神经元的偏导数。
28. 梯度消失、梯度爆炸问题，为什么logistic函数的导数空间是（0, 0.25），tanh函数的导数空间是（0, 1）。
29. 梯度消失、梯度爆炸的解决方案：逐层训练，ReLU函数、Dropout。
30. 相比DNN，CNN的本质是减少了参数，它主要通过局部连接、权重共享和空间时间次采样来解决。
31. CNN参数计算，给出一个具体的例子。需要逆序相乘。
32. 深度学习的梯度求解主要是通过链式法则求解。
33. CNN vs RNN：CNN主要从空间角度解决特征降维问题，RNN主要从时间维度解决特征降维问题；CNN支持并行计算，RNN暂时未能有效支持并行计算；有一些研究认为CNN通过多层近似达到RNN的远距离影响效果。
34. 长期依赖问题：由于梯度爆炸或消失问题，实际上只能学习到短周期的依赖关系。对RNN来说，梯度消失或爆炸的另一种表现即长期依赖问题，引出了LSTM、GRU等各种变体。
35. 深度学习优化方法：数据增强、数据预处理、网络参数初始化、正则化和超参数优化。
36. 深度学习超参数优化因素：层数、每层神经元个数、激活函数、学习率（动态调整）、正则化系数、mini-batch大小。
37. 超参数优化方法：网格搜索（Grid Search）、Random search。
38. 参数初始化：Gaussian初始化、Xavier初始化。（参数不能全部初始化为0解释）。参数全部初始化为0会导致出现对称权重现象，没有梯度反向传播
- Gaussian初始化：参数从一个固定均值（比如0）和固定方差（比如0.01）的Gaussian分布进行随机初始化。
- Xavier初始化：参数在区间[-r,r]内采用均匀分布进行初始化。
39. 数据预处理，数据归一化：标准归一化、缩放归一化和PCA。
- 标准归一化：也叫z-score归一化，将每一维特征都处理为符合标准正态分布（均值为0，标准差为1）。
- 缩放归一化：通过缩放将特征取值范围归一到[0,1]或[-1,1]之间。
- PCA：使用PCA方法可以去除掉各个成分之间的相关性。
40.批量归一化：通过对每一层的输入进行归一化使其分布保持稳定。归一化方法选用上面几种。
41. 深度学习经验整理：用ReLU作为激活函数、分类时用交叉熵作为损失函数、SDG+minin-batch、每次迭代都重新随机排序、数据预处理（标准归一化）、动态调整学习率、用L1或L2正则化、Dropout、数据增强。
42. 长期依赖问题的改进方法：注意力机制和外部记忆。
43. 记忆网络：动态记忆网络和Differentiable neural computers（借鉴了计算机的架构原理，将神经网络分为Controller、Heads、Memory、Links和Usage等部分）。
44. 概率图模型（PGM，简称图模型GM）：指一种用图结构来描述多元随机变量之间条件独立关系的概率模型。（有向图：贝叶斯网络/信念网络，无向图：马尔可夫随机场）
45. 图模型 vs 神经网络：网络结构类似、节点（图模型的节点是随机变量，其图结构主要功能用来 描述变量之间的依赖关系，一般是稀疏连接；神经网络中的节点是神经元，一个计算；如果将神经网络中每个元看做是一二值随机变量，那神经网络就变成一个（sigmoid信念网络SBN）、解释性（图模型中的每个变量一般有着明确解释，之间依赖关系一般是人工来定义，而神经网络中的神经元没有直观解释）。
46. 神经网络表示能力强，能替代各种复杂的分布和函数，这也是深度学习火热的一个重要原因。
47. 深度学习模型：
- 生成模型(Generative model)：又叫产生式模型，优化训练数据的联合概率分布。常见的生成模型有：Gaussians, Naive Bayes, HMMs, Sigmoidal belif networks, Bayesian networks, Markov random fields。
- 判别模型(Discriminative model)：又叫条件模型，优化训练数据的条件分布概率。常见的判别模型有：logistic regression, SVMs, Nearest neighbor, traditional neural networks。
注：推荐阅读博文生成模型与判别模型
48. 生成模型指一系列用于随机生成可观测数据的模型。生成数据的过程可以分为两步进行：根据隐变量的先验分布进行采样，得到样本；根据条件分布进行采样，得到数据。
49. 深度生成模型就是利用神经网络来建模条件分布。如对抗生成式网络（GAN）、变分自动编码器（VAE）。
50. 强化学习算法
- 基于模型的强化学习算法：基于MDP过程，条件转移概率和奖励函数；值迭代；策略迭代
- 模型无关的强化学习：无MDP过程；蒙特卡罗采样方法；时序差分学习
51. 深度强化学习是将强化学习和深度学习结合在一起，用强化学习来定义问题和优化目标，用深度学习来解决状态表示、策略表示等问题。
注：具体概念可参考邱老师所写的书 https://nndl.github.io/
