机器学习_神经网络基础
一、生物神经元与神经网络相关的部分
1.每个神经元都是一个多输入单输出的信息处理单元；
2.神经元具有空间整合和时间整合特性；
3.神经元输入分兴奋性输入和抑制性输入两种类型；
4.神经元具有阈值特性。
二、M-P神经元
三、为什么需要激活函数
从神经元角度：
神经元继续传递信息、产生新连接的概率（超过阈值被激活，但不一定传递）
从数学的角度：
没有激活函数相当于矩阵连乘
- 多层和一层一样 2.只能拟合线性函数
四、常见激活函数举例
五、单层感知器
- M-P神经元的权值预先设置，无法学习
- 单层感知器是首个可以学习的人工神经网络
非线性激活函数
- 逻辑非的实现
2.逻辑与
3.逻辑或
单层感知器能实现一些简单与非或问题，但是非线性问题呢？（如异或）
单层->多层感知器（可以证明单层感知器无法解决异或问题）
可以将异或问题转化为简单的逻辑电路问题，既可以通过多层感知器来解决这个问题。
Eg.用三层感知器实现同或门
六、万有逼近定理
如果一个隐层包含足够多的神经元，三层前馈神经网络（输入-隐层-输出）能以任意精度逼近任意预定的连续函数。
为什么线性分类任务组合后可以解决非线性分类任务？
可以理解为第一层感知器做的是空间的变化（运用线性代数相关知识）类似于加入变换后的支持向量机。
双隐层感知器逼近非连续函数
当隐层足够宽时，双隐层感知器（输入-隐层1-隐层2-输出）可以逼近任意非连续函数：可以解决任何复杂的分类问题。
为何神经网络的层数越多，解决问题的能力越强大？
完成输入->输出空间变换
神经网络学习如何利用矩阵的线性变换加激活函数的非线性变换，将原始输入空间投影到线性可分的空间去分类/回归。
增加节点数：增加维度，即增加线性转换能力。
增加层数：增加激活函数的次数，即增加非线性转换次数。
七、更宽or更深？
更深更好。
- 在神经元总数相当的情况下，增加网络深度可以比增加宽度带来更强的网络表示能力：产生更多的线性区域。
- 深度和宽度对函数复杂度的贡献是不同的，深度的贡献是指数增长的，而宽度的贡献是线性的。
多层神经网络的问题：梯度消失？
神经网络的参数学习：误差反向传播
梯度和梯度下降
- 为什么沿着这个方向可以使函数值下降：利用泰勒公式
- 对于凸函数只有一个极值点，非凸函数非常依赖初始值的选择。
误差反向传播
符合函数的链式求导
三层前馈神经网络的BP算法
关键理解反向传播名字的来历。
深度学习开发框架（pyTorch）
多层神经网络的问题：梯度消失？
增加深度会导致梯度消失，误差无法传播；
多层网络容易陷入局部极值，难以实现。
故：三层神经网络是主流 预训练、新激活函数使深度成为可能
八、神经网络的“第二次落”
此时的缺点：
- 训练困难（梯度消失、局部极值）
- 参数多，计算力不够
- 数据不够
支持向量机优点：
- 全局最优解（凸二次规划）
- 无需调参
- 基于支持向量，小样本训练
神经网络的“第三次起”
九、逐层预训练
问题一：局部极小值
问题二：梯度消失
- 不同的初始值会收敛到不同的极值点
- 经过逐层训练后的相对不会那么发散
- 经过逐层训练它的训练会更快
两种方式实现
受限玻尔兹曼机（RBM）和自编码器
自编码器
自编码器假设输入与输出（target = input），是一种尽可能复现输入信号的神经网络。
将input输入一个encoder编码器，就会得到一个code；加一个decoder解码器，输出信息。
通过调整encoder和decoder的参数，是的重构误差最小
没有额外监督信息：无标签数据 误差的来源是直接重构后信号与原输入相比得到
自编码器一般是一个多层神经网络（最简单：三层）
训练目标是使输出层与输入层误差最小；
中间隐层是代表输入的特征，可以最大程度上代表原输入信号。
自编码器最初被提出用来降维
堆叠自编码器
- 将多个自编码器得到的隐层串联；
- 所有层预训练完成后，进行基于监督学习的全网络微调。
受限玻尔兹曼机（RBM）
模型结构
- RBM是两层神经网络，包含可见层v（输入层）和隐藏层h
- 不同层之间全连接，层内无连接->二分图
- 与感知器不同，RBM没有显式的重构过程：
- 目的是让隐藏层得到的可见层与原来的可见层分布一致，从而使隐藏层作为可见层输入的特征。
- 两个方向权重w共享，偏置不同
- 模型参数：w, c, b
条件概率建模
由贝叶斯公式得到条件概率。
RBM到DBN（深度信念网络）
一个DBN模型由若干个RBM堆叠而成，最后加一个监督层（BP网络）
训练过程由低到高逐层训练：
- 最底层RBM以原始输入数据训练
- 将底部RBM抽取的特征作为顶部RBM的输入继续训练
- 重复这个过程训练尽可能多的RBM层
- 基于监督信息通过全局优化算法对网络进行微调，使模型收敛
DBN和DBM的区别
- DBM没有监督层，是若干个RBM的直接堆叠
- 无向图模型，每两层间互有反馈。
一般玻尔兹曼机（BM）
可见层和隐藏内部节点之间可连接
具有很强大的无监督学习能力能够学习数据中复杂的规则
随机神经网络和递归神经网络的一种
全连接图，复杂度很高
- 难以准确计算BM所表示的分布
- 难以抽样得到服从BM所表示分布的随机样本
自编码机和受限玻尔兹曼机的区别
结构上：
自编码器编码和解码函数不同：W1，W2
RBM共享权重矩阵W，两个偏置向量
原理上：
自编码器通过非线性变换学习特征，是确定的，特征值可以为任何实数
RBM基于概率分布定义，高层表示为底层特征的条件概率，输出只有两种状态（未激活激活），用二进制0/1表示；
训练优化：
自编码器通过最损失函数L最小化重构输入数据，直接用BP优化求解
RBM基于最大似然，能量函数偏导无法直接计算，基于采样方法进行估计
生成/判别模型：
RBM对联合概率密度建模，是生成式模型；
自编码器直接对条件概率建模，是判别式模型
ReLU更好
解决梯度消失问题的方法
波尔兹曼机的理论和应用意义
BM和RBM数学上很漂亮，且有统计物理学支撑；
但受结构限制严重，生成式模型效果往往不如判别式模型；
主流的深度学习平台甚至都不支持RBM和预训练
理论：
- 模型结构：网络拓扑结构优化
- 学习算法：非线性优化过程近似
应用：
作为一种概率生成式模型应用到了协同滤波推荐、数据降维、时间序列降维问题。
自编码器变种
正则自编码器（Regularized AE）
两个问题
问题1：深层网络的局部极小值是非凸的激活函数导致的么？如果是，为什么不用凸激活函数？
- 深层网络的局部极小值主要是多个隐层符合导致的；
- ReLU就是凸激活函数，但多个凸激活函数的符合也不一定是凸的：比如f(x) = exp(-x)
- 在x>0时凸的，但f(f(x))就是非凸的
问题2：逐层预训练真的是为了找到更阿红的局部极小值么？
深度网络参数太多，梯度下降在非常高维空间进行，很难得到在所有维度上都是局部最小的局部最小值；
大多数情况参数落在了鞍点处：某些维度上时最低点，某些维度上是最高点->增加扰动很容易跳出鞍点。
