十万个深度学习为什么？

十万个深度学习为什么？

逻辑回归是一个分类算法，那么它是在回归什么呢？

答：

逻辑回归是在数据服从伯努利分布的假设下，通过极大似然的方法，运用梯度下降法来求解参数，从而达到将数据二分类的目的。
逻辑回归就是一种减小预测范围，将预测值限定为[0,1]间的一种广义线性回归模型，解决的是分类问题。

分类问题为什么不用 MSE，而是要用交叉熵？

答：

常见的损失函数，常见的激活函数，ELU 函数 了解吗？

答：

常见的损失函数：0-1 损失函数，绝对值损失函数，log 对数损失函数，平方损失函数，指数损失函数，hinge 损失函数，交叉熵损失函数等。

0-1 损失函数

\[L(Y, f(X))=\left\{\begin{array}{l} 1, Y \neq f(X) \\ 0, Y=f(X) \end{array}\right. \]

绝对值损失函数

\[L(Y, f(x))=|Y-f(x)| \]

log 对数损失函数

\[L(Y, P(Y \mid X))=-\log P(Y \mid X) \]

平方损失函数

\[L(Y \mid f(X))=\sum_{N}(Y-f(X))^{2} \]

交叉熵损失函数

\[C=-\frac{1}{n} \sum_{x}[y \ln a+(1-y) \ln (1-a)] \]

Sigmoid 函数：

\[f(x)=\frac{1}{1+e^{-x}} \]

特点：
它能够把输入的连续实值变换为 0 和 1 之间的输出，特别的，如果是非常大的负数，那么输出就是 0；如果是非常大的正数，输出就是 1。
缺点：

1. 在深度神经网络中梯度反向传递时导致梯度消失，其中梯度爆炸发生的概率非常小，而梯度
   消失发生的概率比较大。
2. Sigmoid 的 output 不是 0 均值（即 zero-centered）。
3. 其解析式中含有幂运算，计算机求解时相对来讲比较耗时。对于规模比较大的深度网络，这
   会较大地增加训练时间。

Tanh 函数：

\[\tanh (x)=\frac{e^{x}-e^{-x}}{e^{x}+e^{-x}} \]

特点：它解决了 Sigmoid 函数的不是 zero-centered 输出问题，收敛速度比 sigmoid 要快，然而，
梯度消失（gradient vanishing）的问题和幂运算的问题仍然存在。

ReLU 函数：

\[f(x)=\max (0, x) \]

特点：

1. ReLu 函数是利用阈值来进行因变量的输出，因此其计算复杂度会比剩下两个函数低（后两个函数都是进行指数运算）

2. ReLu 函数的非饱和性可以有效地解决梯度消失的问题，提供相对宽的激活边界。

3. ReLu 的单侧抑制提供了网络的稀疏表达能力。

缺点：

1. ReLU 的局限性:在于其训练过程中会导致神经元死亡的问题。这是由于函数 f(x)=max(0,x)导致负梯度在经过该 ReLU 单元时被置为 0，且在之后也不被任何数据激活，即流经该神经元的梯度永远为 0，不对任何数据产生响应。在实际训练中，如果学习率（Learning Rate）设置较大，会导致超过一定比例的神经元不可逆死亡，进而参数梯度无法更新，整个训练过程失败。

Leaky ReLu 函数：

\[f(x)=\left\{\begin{array}{ll} x & (x>0) \\ a x & (x \leqslant 0) \end{array}\right. \]

LReLU 与 ReLU 的区别在于， 当 z<0 时其值不为 0，而是一个斜率为 a 的线性函数，一般 a 为一个很小的正常数， 这样既实现了单侧抑制，又保留了部分负梯度信息以致不完全丢失。但另一方面，a 值的选择增加了问题难度，需要较强的人工先验或多次重复训练以确定合适的参数值。
基于此，参数化的 PReLU（Parametric ReLU）应运而生。它与 LReLU 的主要区别是将负轴部分斜率 a 作为网络中一个可学习的参数，进行反向传播训练，与其他含参数网络层联合优化。而另一个LReLU 的变种增加了“随机化”机制，具体地，在训练过程中，斜率 a 作为一个满足某种分布的随机采样；测试时再固定下来。Random ReLU（RReLU）在一定程度上能起到正则化的作用。

ELU 函数：

\[f(x)=\left\{\begin{array}{cl} x & , x>0 \\ \alpha\left(e^{x}-1\right) & , x \leq 0 \end{array}\right. \]

ELU 函数是针对 ReLU 函数的一个改进型，相比于 ReLU 函数，在输入为负数的情况下，是有一定的输出的，而且这部分输出还具有一定的抗干扰能力。这样可以消除 ReLU 死掉的问题，不过还是有梯度饱和和指数运算的问题。

熵，交叉熵的概念

答：

在信息论和概率统计中，熵是表示随机变量不确定的度量，随机边量 X 的熵定义如下：

\[H(X)=-\sum_{x} p(x) \log p(x) \]

熵只依赖于 X 的分布，与 X 的取值无关。
条件熵 H(Y|X) 表示在已知随机变量 X 的条件下随机变量 Y 的不确定性，H(Y|X)定义为在给定条件 X 下，Y 的条件概率分布的熵对 X 的数学期望：

\[H(Y \mid X)=\sum_{i=1}^{n} p_{i} H\left(Y \mid X=x_{i}\right) \]

Batch-norm 作用和参数

答：

1. batch norm 对于输入数据做了零均值化和方差归一化过程，方便了下一层网络的训练过程，从而加速了网络的学习。不同 batch 的数据，由于加入了 batch norm，中间层的表现会更加稳定，输出值不会偏移太多。各层之间受之前层的影响降低，各层之间比较独立，有助于加速网络的学习。梯度爆炸和梯度消失现象也得到了一些缓解（我自己加上去的）。

2. batch norm 利用的是 mini-batch 上的均值和方差来做的缩放，但是不同的 mini-batch 上面的数据是有波动的，相当于给整个模型引入了一些噪音，从而相当于有了一些正则化的效果，从而提升表现。
   实际 batch norm 在训练过程中，y，b 参数和 w 相似，直接利用梯度值乘以学习率，更新值就好了。
   需要注意的是，batch norm 中的 z 的均值和方差都是通过每一个 mini-batch 上的训练数据得到的。在测试过程中，不能通过单独样本的数据计算均值和方差，我们可以通过让训练过程中的每一个 mini-batch 的均值和方差数据，计算指数加权平均，从而得到完整样本的均值和方差的一个估计。在测试过程中，使用该值作为均值和方差，从而完成计算。

LR 的损失函数推导

答：

逻辑回归损失函数及梯度推导公式如下：

\[\begin{array}{c} L(w)=\sum_{i}\left(y_{i} * \operatorname{logh}\left(x_{i}\right)+\left(1-y_{i}\right) * \log \left(1-h\left(x_{i}\right)\right)\right) \\ =\sum_{i} y_{i}\left(\operatorname{logh}\left(x_{i}\right)-\log \left(1-h\left(x_{i}\right)\right)\right)+\log \left(1-h\left(x_{i}\right)\right) \\ =\sum_{i} y_{i} \log \frac{h\left(x_{i}\right)}{1-h\left(x_{i}\right)}+\log \left(1-h\left(x_{i}\right)\right) \\ =\sum_{i} y_{i}\left(w^{T} x_{i}\right)+\log \left(1-\frac{1}{1+e^{-w x_{i}}}\right) \\ =\sum_{i}\left(y_{i} *\left(w^{T} x_{i}\right)-\log \left(1+e^{w^{T} x_{i}}\right)\right) \end{array} \]

求导得：

\[\begin{array}{c} \frac{d L}{d w}=y x-\frac{1}{1+e^{w^{T} x}} * e^{w^{T} x} * x \\ =x(y-h(x)) \end{array} \]

残差网络有哪些作用？

答：

解决梯度消失和网络退化问题。

解决梯度消失：

残差模块能让训练变得更加简单，如果输入值和输出值的差值过小，那么可能梯度会过小，导致出现梯度小时的情况，残差网络的好处在于当残差为 0 时，改成神经元只是对前层进行一次线性堆叠，使得网络梯度不容易消失，性能不会下降。

解决网络退化：

随着网络层数的增加，网络会发生退化现象：随着网络层数的增加训练集 loss 逐渐下降，然后趋于饱和，如果再增加网络深度的话，训练集 loss 反而会增大，注意这并不是过拟合，因为在过拟合中训练 loss 是一直减小的。

而残差网络在前向传播时，输入信号可以从任意低层直接传播到高层。由于包含了一个天然的恒等映射，一定程度上可以解决网络退化问题。

交叉熵损失，二分类交叉熵损失和极大似然什么关系？

答：

什么是交叉熵损失？
机器学习的交叉熵损失函数定义为：假设有 N 个样本，

\[J(w)=\frac{1}{N} \sum_{n=1}^{N} H\left(p_{n}, q_{n}\right) \]

其中：

\[H(p, q)=-\sum_{i=1}^{K} p\left(x_{i}\right) \log q\left(x_{i}\right) \]

从一个直观的例子感受最小化交叉熵损失与极大似然的关系。

\[J(w)=-\frac{1}{N} \sum_{n=1}^{N}\left[y_{n} \log \hat{y_{n}}+\left(1-y_{n}\right) \log \left(1-\hat{y}_{n}\right)\right] \]

去掉 1/N 并不影响函数的单调性，机器学习任务的也可以是最小化下面的交叉熵损失：

\[J(w)=-\sum_{n=1}^{N}\left[y_{n} \log \hat{y_{n}}+\left(1-y_{n}\right) \log \left(1-\hat{y_{n}}\right)\right] \]

等价于最大化下面这个函数：

\[J(w)=\sum_{n=1}^{N}\left[y_{n} \log \hat{y_{n}}+\left(1-y_{n}\right) \log \left(1-\hat{y_{n}}\right)\right] \]

不难看出，这其实就是对伯努利分布求极大似然中的对数似然函数(log-likelihood)。
也就是说，在伯努利分布下，极大似然估计与最小化交叉熵损失其实是同一回事。

梯度爆炸和梯度消失原因，解决方案

答：

梯度消失：（1）隐藏层的层数过多；（2）采用了不合适的激活函数(更容易产生梯度消失，但是也有可能产生。

梯度爆炸：（1）隐藏层的层数过多；（2）权重的初始化值过大。

梯度消失和梯度爆炸问题都是因为网络太深，网络权值更新不稳定造成的，本质上是因为梯度反向传播中的连乘效应。对于更普遍的梯度消失问题，可以考虑一下三种方案解决：
（1）用 ReLU、Leaky-ReLU、P-ReLU、R-ReLU、Maxout 等替代 sigmoid 函数。
（2）用 Batch Normalization。
（3）LSTM 的结构设计也可以改善 RNN 中的梯度消失问题。

你对 fast rcnn 了解多少？

答：

两阶段目标检测算法
Fast RCNN，是 RCNN 算法的升级版，之所以提出 Fast R-CNN，主要是因为 R-CNN 存在以下几个问题：

1. 训练分多步。通过上一篇博文我们知道 R-CNN 的训练先要 fine tuning 一个预训练的网络，然后针对每个类别都训练一个 SVM 分类器，最后还要用 regressors 对 bounding-box 进行回归，另外region proposal 也要单独用 selective search 的方式获得，步骤比较繁琐。
2. 时间和内存消耗比较大。在训练 SVM 和回归的时候需要用网络训练的特征作为输入，特征保存在磁盘上再读入的时间消耗还是比较大的。
3. 测试的时候也比较慢，每张图片的每个 region proposal 都要做卷积，重复操作太多。虽然在 Fast RCNN 之前有提出过 SPPnet 算法来解决 RCNN 中重复卷积的问题，但是 SPPnet 依然存在和 RCNN 一样的一些缺点比如：训练步骤过多，需要训练 SVM 分类器，需要额外的回归器，特征也是保存在磁盘上。因此 Fast RCNN 相当于全面改进了原有的这两个算法，不仅训练步骤减少了，也不需要额外将特征保存在磁盘上。

池化的作用

答：

1. 保留主要特征的同时减少参数和计算量，防止过拟合。
2. invariance(不变性)，这种不变性包括 translation(平移)，rotation(旋转)，scale(尺度)。

BN 的作用 ，如何做

答：

数据分布更一致，收敛速率增加，可以达到更好的精度。

常见的 attention 机制，说明 channel attention 和 self attention 的原理

答：

self-attention、channel attention、spatial attention、multi-head attention、transformer
自注意力机制是注意力机制的变体，其减少了对外部信息的依赖，更擅长捕捉数据或特征的内部相关性。

softmax 求导

auc 含义公式

AUC 是 ROC 曲线下面的面积，AUC 可以解读为从所有正例中随机选取一个样本 A，再从所有负例中随机选取一个样本 B，分类器将 A 判为正例的概率比将 B 判为正例的概率大的可能性。AUC 反映的是分类器对样本的排序能力。AUC 越大，自然排序能力越好，即分类器将越多的正例排在负例之前。

公式如下：

\[A U C=\frac{\sum_{i \text { ∈positiveClass }} \operatorname{rank}_{i}-\frac{M(1+M)}{2}}{M \times N} \]