Deep learning with Python 学习笔记（11）

总结

机器学习（machine learning）是人工智能的一个特殊子领域，其目标是仅靠观察训练数据来自动开发程序［即模型（model）］。将数据转换为程序的这个过程叫作学习（learning）

深度学习（deep learning）是机器学习的众多分支之一，它的模型是一长串几何函数，一个接一个地作用在数据上。这些运算被组织成模块，叫作层（layer）。深度学习模型通常都是层的堆叠，或者更通俗地说，是层组成的图。这些层由权重（weight）来参数化，权重是在训练过程中需要学习的参数。模型的知识（knowledge）保存在它的权重中，学习的过程就是为这些权重找到正确的值

在深度学习中，一切都是向量，即一切都是几何空间（geometric space）中的点（point）。在开始学习之前，我们首先需要将模型输入（文本、图像等）和目标向量化（vectorize），即将其转换为初始输入向量空间和目标向量空间。深度学习模型的每一层都对通过它的数据做一个简单的几何变换。模型中的层链共同形成了一个非常复杂的几何变换，它可以分解为一系列简单的几何变换。这个复杂变换试图将输入空间映射到目标空间，每次映射一个点。这个变换由层的权重来参数化，权重根据模型当前表现进行迭代更新。这种几何变换有一个关键性质，就是它必须是可微的（differentiable），这样我们才能通过梯度下降来学习其参数。直观上来看，这意味着从输入到输出的几何变形必须是平滑且连续的，这是一个很重要的约束条件

深度学习整件事情完全取决于一个核心思想：意义来自于事物之间的成对关系（一门语言的单词之间，一张图像的像素之间等），而这些关系可以用距离函数来表示

深度学习中最常见的三种网络架构: 密集连接网络、卷积网络和循环网络

对于不同的数据进行处理时，我们应该使用不同的架构，以下为输入模式与适当的网络架构之间的对应关系

向量数据：密集连接网络（Dense 层）

图像数据：二维卷积神经网络

声音数据（比如波形）：一维卷积神经网络（首选）或循环神经网络

文本数据：一维卷积神经网络（首选）或循环神经网络

时间序列数据：循环神经网络（首选）或一维卷积神经网络

其他类型的序列数据：循环神经网络或一维卷积神经网络。如果数据顺序非常重要（比如时间序列，但文本不是），那么首选循环神经网络

视频数据：三维卷积神经网络（如果你需要捕捉运动效果），或者帧级的二维神经网络（用于特征提取）+ 循环神经网络或一维卷积神经网络（用于处理得到的序列）

立体数据：三维卷积神经网络

三种网络架构的特点

1. 密集连接网络

密集连接网络是 Dense 层的堆叠，它用于处理向量数据（向量批量）。这种网络假设输入特征中没有特定结构：之所以叫作密集连接，是因为 Dense 层的每个单元都和其他所有单元相连接。这种层试图映射任意两个输入特征之间的关系，它与二维卷积层不同，后者仅查看局部关系

密集连接网络最常用于分类数据（比如输入特征是属性的列表），还用于大多数网络最终分类或回归的阶段。对于二分类问题（binary classification），层堆叠的最后一层是使用 sigmoid 激活且只有一个单元的 Dense 层，并使用 binary_crossentropy 作为损失。目标应该是 0 或 1

对于单标签多分类问题（single-label categorical classification，每个样本只有一个类别，不会超过一个），层堆叠的最后一层是一个 Dense 层，它使用 softmax 激活，其单元个数等于类别个数。如果目标是 one-hot 编码的，那么使用 categorical_crossentropy 作为损失；如果目标是整数，那么使用 sparse_categorical_crossentropy 作为损失

对于多标签多分类问题（multilabel categorical classification，每个样本可以有多个类别），层堆叠的最后一层是一个 Dense 层，它使用 sigmoid 激活，其单元个数等于类别个数，并使用 binary_crossentropy 作为损失。目标应该是 k-hot 编码的

对于连续值向量的回归（regression）问题，层堆叠的最后一层是一个不带激活 Dense 层，其单元个数等于你要预测的值的个数。有几种损失可用于回归问题，最常见的是 mean_squared_error（均方误差，MSE）和 mean_absolute_error（平均绝对误差，MAE）

2. 卷积神经网络

卷积层能够查看空间局部模式，其方法是对输入张量的不同空间位置（图块）应用相同的几何变换。这样得到的表示具有平移不变性，这使得卷积层能够高效利用数据，并且能够高度模块化。这个想法适用于任何维度的空间，包括一维（序列）、二维（图像）、三维（立体数据）等。你可以使用 Conv1D 层来处理序列（特别是文本，它对时间序列的效果并不好，因为时间序列通常不满足平移不变的假设），使用 Conv2D 层来处理图像，使用 Conv3D 层来处理立体数据

卷积神经网络或卷积网络是卷积层和最大池化层的堆叠。池化层可以对数据进行空间下采样，这么做有两个目的：随着特征数量的增大，我们需要让特征图的尺寸保持在合理范围内；让后面的卷积层能够“看到”输入中更大的空间范围。卷积神经网络的最后通常是一个 Flatten 运算或全局池化层，将空间特征图转换为向量，然后再是 Dense 层，用于实现分类或回归

大部分（或者全部）普通卷积很可能不久后会被深度可分离卷积（depthwise separable convolution，SeparableConv2D 层）所替代，后者与前者等效，但速度更快、表示效率更高。对于三维、二维和一维的输入来说都是如此

例子

model.add(layers.SeparableConv2D(64, 3, activation='relu'))

3. 循环神经网络

循环神经网络（RNN，recurrent neural network）的工作原理是，对输入序列每次处理一个时间步，并且自始至终保存一个状态（state，这个状态通常是一个向量或一组向量，即状态几何空间中的点）。如果序列中的模式不具有时间平移不变性（比如时间序列数据，最近的过去比遥远的过去更加重要），那么应该优先使用循环神经网络，而不是一维卷积神经网络

Keras 中有三种 RNN 层：SimpleRNN、GRU 和 LSTM。对于大多数实际用途，你应该使用GRU 或 LSTM。两者中 LSTM 更加强大，计算代价也更高。你可以将 GRU 看作是一种更简单、计算代价更小的替代方法

想要将多个 RNN 层逐个堆叠在一起，最后一层之前的每一层都应该返回输出的完整序列（每个输入时间步都对应一个输出时间步）。如果你不再堆叠更多的 RNN 层，那么通常只返回最后一个输出，其中包含关于整个序列的信息

返回与不返回的差别

# 不返回
model.add(layers.LSTM(32, input_shape=(num_timesteps, num_features)))
# 返回
model.add(layers.LSTM(32, return_sequences=True, input_shape=(num_timesteps, num_features)))

全书学习完

Deep learning with Python 学习笔记（10）