人脸识别智能小程序 | 深度学习基础 | 01
内容概况
卷积神经网络是深度学习汇中一种非常有代表性的网络结构，所以这里会先介绍一些深度学习的相关概念。
深度学习发展历程
人工神经网络的概念其实在50年代已经提出，但是受限于时代，不被重视。
06年Hinton提出，将多层感知机就命名为深度学习。
12年，Hinton的学习Alex设计提出AlexNet，在ImageNet的图像分类比赛中一鸣惊人，从此引爆了深度学习的热潮。
什么是人工神经网络？
人工神经网络就是深度学习（06年Hinton说的），然后深度学习是机器学习的一种大类方法，和它同等地位的有类似聚类算法、支持向量机等。
如上图，图中一个一个圆圈就是一个一个神经元，多个神经元按照层次的形式组成神经网络。
神经网络的数据是按照层次结构从左向右流动的，依次可以划分输入层、隐藏层、输出层。
人工神经网络就是一个多层感知器模型。
什么是感知器？
感知器
- 第一个具有完整算法描述的神经网络学习算法
- 任何线性分类或线性回归问题都可以使用感知器来解决
分类：预测的结果是离散值。
回归：预测的结果是连续值。
感知器可以理解为就是一个神经元！
从多层感知器到人工神经网络
类似上图这么划分，可以把多层感知器划分成一个一个的单个感知器。
什么是深度学习？
深度学习：含多隐层和多感知器就是一种深度学习结构。
深度学习其实就是人工神经网络中，有多个隐藏层，多个感知器。
如上图网络结构，隐藏层足够多，层数足够深，那么就可以归属于深度学习。
深度学习中的概念变迁总结
神经元（单层感知器）=》神经网络（多层感知器）=》含多隐层、多神经元的神经网络（深度学习）
前向运算：“怎么用“？也就是网络结构向前运算的过程。
反向传播：”怎么学“？也就是网络结构如何学习参数的过程。（有监督过程）
前向运算
前向计算：计算输出值的过程
不一定是线性进行运算，这个神经元的运算方式可以自己定义，但是这里以线性运算作为例子讲解。将处理的函数抽象为\(f(),g()\)
注意：\(w_{11},w_{12},...,b_1,b_2,...\)这些的取值都是不一致的（也有可能一样，但各自是独立的变量）
然后上图中的\(w,b\)是需要通过反向传播来计算的。
反向传播
反向传播：神经网络（参数模型）训练方法
- 解决神经网络的优化问题
- 计算输出层结果与真实值之间的偏差来进行逐层调节参数（梯度下降 自动）
BP算法是神经网路参数求解的一种算法，对于神经网络，参数的求解过程，也被称为“训练”。
神经网络的结构一般是人为先定义好，有多少层，每一层的结构具体是什么作用。但是每一层的具体参数是不知道的，那么就需要用到BP算法来帮助求解参数。训练的过程需要有标签的数据，所以神经网络也被称为有监督的算法。
神经网络=网络结构 + 参数
- 网络结构，人工设计的，规定好网络的层次，以及各层网络的作用，只需要规定好超参数
- 超参数：需要人工给定的参数
- 参数：BP算法求解
神经网络参数训练是一个不断迭代的过程。
上图给出一个损失函数的例子\(loss(w,b)=min({|wx+b-y|}^2)\) 也就是\(w,b\)这两个是要优化求解的变量。
梯度下降法
导数：在一元函数中，可以理解为是变化率，是切线的斜率；在物理上可以理解为是瞬时速度，或是加速度。
在多元函数（这里以三维为例子），一个点可以有无数条切线，所以为了描述这些各个方向的斜线的斜率，就有了方向导数的概念。过该点的每个方向的切线都有对应的方向导数。
偏导数：对多元函数进行降维。 比如把二元降维为一元。
理解偏导数对理解梯度下降算法有重要意义。
梯度：（在多元函数中）函数在A点无数个变化方向中变化最快的那个方向。
上图，A到B的过程，如果一直都是沿着切线的斜率方向（导数），那么就是到达B点最快的方式。那么该过程我们可以看作是一个寻找最小值的过程。
如果是一个非凸的函数，例如右下图有B，D两个最低点，如果是从A开始，那么找到的最低点就是B，如果从C开始，那么找到的最低点就是D。
梯度下降算法：沿着导数下降的方法，进行参数更新。
具体形式化公式如上图所示，
选择合适的步长/学习率，是参数优化中非常重要的一点。
学习率过大，容易错过最优解；学习率过小，找到最优解需要很多步骤。
一般一开始的学习率设置会比较大，比如0.01，目的就是为了让模型快速收敛。伴随网络迭代的过程，逐步调节学习率，使得学习率逐步的变小，比如1w次迭代后，将学习率调整为0.001，然后再迭代1w次后，再调整学习率为0.0001。
非凸函数（函数中存在多个极值）最优化求解，一直是学术界和工业界非常难的问题。
通过梯度下降算法，并不能保证求解出来的解是最优的，有可能只是局部最优。
后面会讲解如何尽量保证最优解，这里不多做讨论。
深度学习发展迅猛的原因
常见深度学习模型
小结
什么是人工神经网络？
人工神经网络就是深度学习（06年Hinton说的），然后深度学习是机器学习的一种大类方法，和它同等地位的有类似聚类算法、支持向量机等。
人工神经网络就是一个多层感知器模型。
什么是感知器？
第一个具有完整算法描述的神经网络学习方法
任何线性分类或线性回归问题都可以用感知器来解决（牛逼！）
感知器可以理解为就是一个神经元！
分类和回归的概念
分类：预测的结果是离散值。
回归：预测的结果是连续值。
什么是深度学习？
深度学习：含**多隐层**和**多感知器**就是一种深度学习结构。
深度学习其实就是人工神经网络中，有多个隐藏层，多个感知器。
前向计算和反向传播（BP算法）
前向计算：计算输出值的过程
反向传播：确定网络参数的过程（一般指权值和偏置），BP算法是神经网络（参数模型）训练方法
**BP算法是神经网路参数求解的一种算法，对于神经网络，参数的求解过程，也被称为“训练”。**
机器学习的训练过程是指？
使用BP算法不断迭代优化参数的过程，就是机器学习的训练过程。
导数、方向导数、偏导数、梯度
导数：一元，切线的斜率（在一元情况下，导数就是梯度）
方向导数：多元，过A点的切线有无数条，每个方向过A点的斜率叫做方向导数
偏导数：对多元函数进行降维
梯度：多元，过A点无数个方向中变化最快的那个方向
梯度下降算法、学习率、局部最优
梯度下降算法：沿着导数下降的方法，进行参数更新。
选择合适的步长/学习率，是参数优化中非常重要的一点。
学习率过大，容易错过最优解；学习率过小，找到最优解需要很多步骤。
非凸函数（函数中存在多个极值）最优化求解，一直是学术界和工业界非常难的问题。
通过梯度下降算法，并不能保证求解出来的解是最优的，有可能只是局部最优。
