《Machine Learning Yearing》读书笔记

——深度学习的建模、调参思路整合。

写在前面

最近偶尔从师兄那里获取到了吴恩达教授的新书《Machine Learning Yearing》(手稿)，该书主要分享了神经网络建模、训练、调节参数时所需要的一些技巧和经验。我在之前的一些深度学习项目中也遇到过模型优化，参数调节之类的问题，由于当时缺少系统化的解决方案，仅仅依靠感觉瞎蒙乱碰。虽然有时也能获得效果不错的网络模型，但对于该模型是否已到达最佳性能、该模型是否能适配更泛化的数据等问题心理没底。通过阅读这本教材，对于数据集的获取、划分；训练模型的评分标准；在模型训练时需要调节哪些参数等有了更加具体、科学的认知。而这些经验在具体的工程应用中弥足珍贵，这里我将学习的一些内容做笔记整理下来。

书籍可以在其官网上进行查看：http://www.mlyearning.org/  (需连接国际互联网)

也有学者对其进行了翻译：https://xiaqunfeng.gitbooks.io/machine-learning-yearning/content/

本书一共由以下11个大的章节组成：

一. Introduction：

包括chapter 1-4，主要介绍了包括这本书的写作目的与使用方式。

二. Setting up development and test sets：

包括 chapter 5-12，主要介绍了数据集的获取及划分，衡量标准的制定，模型算法的训练、调试流程。

三. Basic Error Analysis：

包括 chapter 13-19，主要介绍了错误分析(Error Analysis)的定义，以及如何使用错误分析来为模型训练调试指明方向。

四. Bias and Variance：

包括 chapter 20-27，主要介绍了两种主要的错误来源bias & variance，以及针对不同错误来源的模型优化策略。

五. Learning curves：

包括 chapter 28-32，主要介绍学习曲线(learning curve)的定义与绘制，以及如何使用它来判断当前模型所处的状态。

六. Comparing to human-level performance：

包括 chapter 33-35，主要介绍使用人类的识别能力作为模型算法目标对比的原因及方法。

七. Training and testing on different distributions：

包括 chapter 36-43， 主要介绍在使用不同来源数据做训练时的一些技巧。

八. Debugging inference algorithms：

包括 chapter 44-46，讲解了一些在复杂建模情况下的调试方法。

九. End-to-end deep learning：

包括 chapter 47-52，主要介绍最近兴起的直接学习(end-to-end learning)及其应用场景，并与分步学习的思路进行比较。

十. Error analysis by parts：

包括 chapter 53-57，介绍了如何对机器学习“管道”中的组件进行验证，判断其是否有性能提升的空间。

十一. Conclusion

第一章(Introduction)笔记：

·常规的神经网络模型优化思路（包括但不限于）：

1.获取更多训练数据；

2.获取更多种类的训练数据(如图像识别任务中，获取不同角度的目标物体图片)；

3.训练更长时间、更多轮次；

4.扩大模型结构（更多神经元，更深的网络）；

5.缩小模型结构；

6.使用正则化（regularization）；

7.改变网络结构（改变激活函数，参数传播路径设计等）。

第二章(Setting up development and test sets)笔记

·Train set、dev set、test set的定义及使用：

Training set——训练集，对算法模型进行训练的数据集。

Dev set(development set)——开发集，使用该数据集来调节参数，即在使用Training set对模型进行训练后，根据模型在Dev set上展现出来的效果进行深入分析，制定模型参数的调整方向，调整训练策略。

Test set——测试集，根据模型在这个数据集上的表现，来对模型进行评分。注意不要使用这个数据集反映出来的问题来确定训练策略。

·数据来源：

Training set的数据来源限制不是很强，但Dev set 和 Test set的数据一定要贴近实际目标。例如在一个人脸识别项目中，为了扩充训练集的样本数目，可以将手工素描的人像作品作为样本加入Training set，但不要将素描作品加入Dev set 和Test set，应使用真实环境的照片来作为Dev set 和Test set中的样本，因为其更贴近我们模型的真实使用环境。

·数据集的大小：

Dev set的大小没有硬性规定，一般只要求能反映出算法的实际效果即可。如果一个广告推荐算法能将点击率提高0.1%，那么由100个样本所组成的Dev set必定反映不出这种增长。一般来讲，dev set包含1000~10000个样本。

Test set的规模应该足够大，以能产生可信的模型评分为标准。传统的机器学习实践中经常以70%/30%的比例来分割训练集、测试集，但是在现在数据量激增的背景下，该分割方法的适用性并不强，应该具体事例具体分析。

·项目实施流程：

深度学习的项目分为三个步骤，想法(建模思路、样本获取等)→编码→实验。之后根据实验的结果来对想法进行调整，修改代码继续实验。整个工作流程形成一个闭合的环状。

其中，在实验步骤之后，根据Dev set所展现出来的结果，来对模型进行调整，即整个工作流程的展开都是以优化模型在Dev set上面的表现为目标。这有可能导致模型对Dev set过拟合，判断其过拟合的方法为：模型在Dev set上表现良好，而在Test set上表现不佳。一般可以使用增加Dev set的样本数目来对过拟合现象进行纠正。

·单一标准评价体系：

在评定模型效果的时候使用单一标准的评分。很多时候多个模型在不同的方面各有优劣，例如有的样本精确率比较高，有的样本召回率比较高。为了能更快的对这些模型进行比较，以提高我们项目实施流程循环的速度，我们需要一个单一标准的衡量体系，可以为每一项指标赋予一个权重，将其进行加权形成单一标准评价体系。

多标准评价矩阵：

单一标准评价矩阵(Single-number evaluation metric)：

当然，在感觉这个单一评价矩阵的权重分配不合适的时候，可以在项目组内部进行讨论，来对各指标的权重进行修改。

·过拟合，数据分布不一致，衡量指标有偏差时的应对措施：

Dev set过拟合时：增加Dev set的样本数；Dev/Test set中包含的数据与所关心数据来源不一致时：获取新的Dev/Test set数据；衡量指标有偏差时：即该单一评价标准无法正确的对各指标进行衡量的时候，可以对单一评价标准的权重进行修改。

第三章(Basic Error Analysis)笔记：

·有了想法之后快速的进行实现：

不要想着一下能设计出来一个最优的建模方式、得到最好的算法模型。有了想法之后快速的上手进行实现，在动手实施项目的时候，往往会产生新的想法来帮助你寻找到更有可能的优化改进方向，之后根据这些优化方向来不断迭代，以第二章所展示的工作流程对项目进行推进，以获得更好的算法模型。

一般来讲快速实现的第一个版本需要在一周之内做出来。

·错误分析(Error Analysis)：

定义：在Dev set中找出一定数量的错分样本(模型对其进行了错误的分类)，对错误类型进行手动分析。（注意：错误分析仅仅针对Dev set，不要将其应用在Test set中）

目的：理解模型出错的原因，提出针对性的改进意见。

·错误统计表：

在错误分析时，列出一个统计表格以统计不同类型的错误，对错误情况有一个直观印象。如下表：

该表即猫咪图像识别项目中，对部分样本进行错误分析的统计表，注意一个错误样本可以有多个错误原因。

根据错误统计表，可以提出针对性的改进方案，如在上述猫咪图像识别任务中，有两个优化方案：

1.增加一个分类器以区分猫和狗；

2.增加一个分类器以区分宠物猫和其他大型猫科动物。

通过错误统计表，可以很容易的知道方案2将会带来更大的效果提升。

·Dev set的分割：

当Dev set过大时，可以将其进行分割以减少手工错误分析的工作量。将Dev set分割为两个部分：Eyeball dev set 和 Blackbox dev set。

Eyeball dev set(开发集-观测)：即需要手动对其进行错误分析的部分。

Blackbox dev set(开发集-黑盒)：即不需要手动进行错误分析的部分，只对其错误率进行统计。

用法：使用Eyeball dev set 进行手动分析，制定优化方案。将优化后的模型同时在Eyeball dev set和Blackbox dev set上进行应用，如两者效果相当，则优化成功；如优化后模型在Eyeball dev set上的表现明显优于blackbox dev set，则说明该优化方案对Eyeball dev set 过拟合，此时需要对eyeball dev set进行修改，可以重新划分或通过对其增加样本的方式进行。

·Eyeball dev set的大小：

一般来讲，手动错误分析需要有足够的错误样本，例如：当Eyeball dev set中仅有10个错误样本的话，你无法准确的评判各种错误类型所占的比例。一般要求Eyeball dev set中含有50个以上的错误样本，100个为佳。因此：

如一个模型的分类准确率为90%，要求Eyeball dev set中具有100个错误样本，即Eyeball dev set 中需要100/(1-90%)=1000个样本。在Dev set规模不大的时候，将Dev set整个作为Eyeball dev set也是可行的，即手动分析Dev set中的所有错误样本。

第四章(Bias and Variance)笔记：

·Bias 和 Variance的定义：

(注：直接将Bias和Variance翻译为偏差和方差不能准确的表明其在本书中的含义，这里直接使用其英文名称了。)

Bias：测试集(Training set)的错误率。

Variance：开发集(Dev set)的错误率减去Bias，即模型在Dev set上的表现比其在Training set上表现更差的程度。

Avoidable bias：表示可以优化的bias，使用Bias减去最优情况下的错误率得到。如一个语音识别的项目中，部分样本有杂音，人类识别的错误率为14%，可定义最优情况的错误率为14%，模型识别错误率为15%，即bias=15%，此时Avoidable bias=15%-14%=1%。

·根据Bias 和 Variance来调整优化方向：

Bias小、Variance大：即模型对训练集过拟合。

优化策略：扩充训练样本数目，或简化模型结构，或减少训练时间。其中，扩充训练样本数目最为常用、效果最好。

例——Training set的错误率为1%，Dev set的错误率为11%，此时bias=1%，variance=10%，即bias小，variance大，可判断为对训练集过拟合。

Bias大、Variance小：即模型对训练集欠拟合。

优化策略：增加网络复杂度(可同时使用正则化或dropout，以减少增加variance的风险)，改变网络结构，增加训练轮次(增长训练时间)。

例——Training set的错误率为15%，Dev set的错误率为16%，此时bias=15%，variance=1%，即模型展现出的效果不佳，判断其为欠拟合。

Bias大、Variance大：即模型在训练集合开发集上均表现不佳，其中开发集更差。

优化策略：同时使用上面的两种情况的优化策略对模型进行优化，或者通过深入分析，改变模型结构以同时减小bias 和 variance。

·减少Bias 的方法总结：

1.增加模型复杂度。

2.对Training set 进行错误分析，根据分析结果，调整输入样本的特征，尽量增加输入特征数目来使模型进行更准确的判断。

3.避免使用正则化或Dropout。正则化和Dropout的使用会增加bias，减少variance。

4.修改模型结构。

·减少Variance的方法总结：

1.增加更多训练数据。

2.增加正则化或Dropout。（该方法有可能在减少variance的同时增大bias）

3.设置训练停止阈值，即在loss减少不明显的情况下终止训练，防止训练迭代轮次过多而产生过拟合。

4.对输入样本的特征进行筛选，减少特征数目。

5.降低模型复杂度。

6.对Dev set进行错误分析，调整样本特征，可增加有利于提升模型表现的特征。

7.改变模型结构。

第五章(Learning Curves)笔记：

·学习曲线(Learning Curve)：

定义：训练样本数目(训练集规模)与Dev set错误率的对应关系图像。

上图即一个学习曲线的示例，随着训练集的增大，Dev set的错误率不断降低。

·包含Bias和最优表现的学习曲线：

定义：在学习曲线的图表中加入模型对训练集的错误率统计(即Bias)，和所期待模型达到的最优错误率，即获得该图表。

上图即一个一般情况下的学习曲线图。

下方的曲线代表模型在训练集上的误差，可以看出随着样本量的增加，训练集上的误差越来越大。这也很容易理解，当训练样本只有1个的时候，模型肯定会完全拟合，错误率为0。当样本越来越多的时候，网络就越来越难以“记忆”这些样本的特性，因此在其上的误差会越来越大，即Bias越来越大。

上方的曲线代表模型在开发集上的误差，随着训练集样本数目的增加，模型的泛化能力增强，因此模型在Dev set上的误差越来越小，最终接近我们所期待的最优效果。

中间的直线代表我们期待模型所能达到的最佳效果。它是一个固定的错误率。一般来讲，随着样本数目的增加，模型训练效果会越来越接近这条直线，但不会与之交叉，一旦越过这条直线，可以判定：①最佳效果的错误率制定有误；②模型对训练集/开发集过拟合。

·使用学习曲线观测Bias和Variance：

根据Bias和Variance的定义，Train Error的值即为Bias，Dev Error和Train Error的差值即为Variance。

·使用学习曲线决定模型优化方向：

在上图这种情况下，Bias很大，Variance很小，并且两者均大于最优错误率。可以判定模型对训练集欠拟合，而且随着训练集的增大(训练样本增多)，模型并没有展现出更进一步的情况。此时，需要对模型的结构进行改变，增加模型的复杂度。

在上图这种情况下，Bias虽然比较大，但它的Avoidable Bias(即Training Error减去 Desired Performance)比较小，因此可以判定其Bias较小，Variance较大。可以使用增加训练样本的方法来降低Dev Error。

·学习曲线的弊端：

将模型在不同数量的训练集下进行训练，会消耗较大的计算量。

第六章(Comparing to human-level performance)笔记：

·定义及作用：

定义：使用人类的能力来和模型进行比对，包括错误率比对(以方便判断该算法模型是否还具有继续提升的空间)，和错误分析比对(使用人类直觉以判断分析模型在哪些方面容易出问题)。

作用：获取标记样本；错误分析时作比对，找出正确改进方向；设置最优错误率(Desired error rate)。

·定义效果超出人类所达到的能力：

可以对模型分类错误的样本进行错误分析（Error Analysis），将错误进行分类，如果在某种错误类型上，人类依然拥有更加优秀的表现，那么就可以朝这个方向继续优化，以使模型达到超越人类的表现。

如：在猫咪图片识别任务中，模型与人类整体表现相当。其中，模型对模糊图像的识别效果更好，人类对大型猫科动物的区分度更高。此时可以通过优化模型对猫科动物的区分能力，以使模型的整体表现优于人类。

第七章(Training and testing on different distributions)笔记：

·使用不同来源的数据进行训练：

情境：当真实环境中的数据量不够的时候，可以将一些模拟数据、生成数据、网络上相关数据加入到训练集中进行训练。以扩展模型识别潜在特征的能力，增强泛化性，使其更好的在未来的实际应用场景中工作。

问题：由于数据来源不同，可能导致模型的效果不佳。以人脑来进行比喻，人脑的记忆空间有限，如果外部来源的数据使用过多，有可能会弱化对目标来源数据的判断。

·使用权重来调节不同来源数据所造成的影响：

具体方法是在计算损失函数的时候，加入权重，以增大真实环境数据对网络的影响。

例子：在猫咪识别任务中，假设我们有有200,000个来自互联网的样本图片，以及5000张来自真实环境(手机上传)的样本图片，其比例为40：1。

不使用权重时的损失函数计算公式(此时互联网样本和真实样本对模型的影响比例为40:1)：

加入权重的损失函数计算公式：

其中，β是用户设计的权重值，在上述猫咪识别的例子中，β=1/40时，可以使来自互联网的样本和真实样本对模型产生1:1的影响。

·数据不匹配误差(Data Mismatch Error)：

定义：由训练集和开发集的数据来源分布不一致所造成的误差。假设训练集的数据来源是50%的互联网数据+50%的真实数据。

判定：从训练集中分出一部分，保持和训练集的数据分布相同，将其称作训练-开发集(Training dev set)。该数据集不参与模型训练，仅在训练完成之后用于和训练集、开发集的错误率进行比较。当训练集和训练-开发集的误差相似，而开发集(dev set)的误差比两者要大得多的时候，即可判定出现了数据不匹配误差(Data Mismatch Error)。

解决方法：①通过错误分析等方法判断训练样本和Dev set中样本的差异，针对这些差异性对模型进行改进。②获取更多真实数据来增加训练集中真实数据的比例。

人工数据合成：另外还有手动数据合成的方法来实现增加真实数据样本的目的。如在语音识别任务中，为清晰的语音样本(来自互联网)人为的注入噪声影响，以模拟真实数据。

第八章(Debugging inference algorithm)笔记：

本章讲解了一些在复杂建模情况下的调试方法

·映射函数：

映射函数：在某些不好直接数值化建模的情况下，我们需要一个函数将原始输入转换成一个数值或数值向量，这个函数就叫做映射函数。（书中将这个函数称为Scoring function）

例如：在语音识别任务中，我们有一个输入语音A，以及一个对应的语句字符串S。现在需要通过一个映射函数Score_A(S)来计算出一个得分，这个得分能正确的反映字符串S与语音A的匹配程度，匹配程度越高，得分越高。

基于映射函数的AI设计模式：很多任务里面，可以使用映射函数对一个输出进行评分，之后使用相关机器学习算法来优化这个评分，使其得到最大值。

·优化验证测试(optimization verification test)：

目的：在对具有映射函数的模型进行建模训练时，会面临一个问题，当训练效果不佳时，建模人员不清楚是映射函数不合理还是机器学习算法模型有误。为解决这个问题，引入优化验证测试。

方法：拿出一个错误样本，对其算法模型的输出S_out和正确样本输出S_true分别使用映射函数计算得分，如果 得分(S_out)>=得分(S_true)，则说明映射函数无法正确的对这个样本的输出进行评判。抽取一些错误样本进行测试，当有相当部分的错误样本在映射函数上出了问题时，考虑更换映射函数。

第九章(End-to-end deep learning)笔记：

·机器学习“管道”（machine learning pipeline）：

概念：这里的“管道”指的是机器学习的建模流程。管道左侧为输入，可以是一个语音片段，一张图片或一行文字等等；管道右侧为输出，可以是一行文字，一个识别结果或一个情感分析结果(积极情感、消极情感)等等。

示例：下方图片是一个语音识别项目的机器学习管道，由三个组件组成：特征提取，音素识别器，末端识别器。

·端到端学习（End-to-end learning）：

概念：一个机器学习管道中，可以由多个组件按照某种顺序组合而成；也可以由一个单一的学习算法构成。其中由单一学习算法构成的管道称为端到端学习。

例-包含多组件的学习管道(车辆自动驾驶项目)：

例-端到端学习(车辆自动驾驶项目)：

近年来，在数据样本十分丰富的条件下，端到端学习展现出了非常强大的能力，取得了相当的成功。

·端到端学习的优缺点：

优点：过多“手工设计”的管道组件在进行编码、映射时有可能会丢失部分输入信息，而端到端学习将原始样本进行输入可以将信息全部保留；部分“手工设计”的管道组件并不是一个完美的模型，也许存在部分系统缺陷，端到端学习可以避免引入这部分缺陷；此外，端到端学习在可以应用在人类先验知识较为缺乏的领域。

缺点：由于没有“手工设计”管道组件的预处理步骤，端到端学习的过程相对复杂，需要更长的学习时间，使用更大的数据量。

·学习管道的组件(component)选择：

很多时候我们在数据量缺乏的时候，不能使用端到端学习，因此需要手工设计一个由多组件(模块)组成的学习管道。关于组件(模块)的选择，有以下两个注意事项：

数据可用性：如需将某个组件加入管道，要保证能够较为容易的获取相关数据来对这个组件进行训练。

任务简易性：即对于单个组件，避免使其执行复杂任务。

如在语音识别任务中，将特征提取工作分解成特征计算组件和音素识别两个组件；分别使用现有的MFCC特征提取法和基于语言学的音素识别算法，能够较为容易完成这两个组件的工作，保证了整个学习管道的易用性。

第十章(Error analysis by parts)笔记：

·分部错误分析：

在使用多组件管道进行深度学习任务的时候，一旦整体效果不佳，就需要对管道里的各个组件筛查，以确定哪些组件出了问题。这个筛查的过程就称作分部错误分析(Error analysis by parts)

方法：使用错误样本，输出每一个组件中间步骤的结果，人工对其进行判读，以确定哪些组件问题较大，有继续优化的空间。

例：在暹罗猫识别任务中，设计如下的学习管道：

第一个组件使用原始输入图片对猫咪进行识别，获取猫咪的部分传入第二个组件，第二个组件来判别猫咪是否为暹罗猫。

对于一个错误样本，如果第一个组件(猫咪识别组件)没有正确的将猫咪进行识别，得到类似下图(左)的结果，则可以判定第一个组件有问题；如果第一个组件能够正确识别出猫咪所在区域，得到类似下图(右)的结果，则可以判定第二个组件有问题。

取多个样本进行分部错误分析，对分析结果进行统计，可以判断出哪些组件需要优化提升。

·分部错误分析的一般流程：

错误组件定位流程概括：即从输入至输出的顺序对每个组件逐个排查。使用完美的(正确的)输出对该组件的输出进行替代，如经过替代后该组件可以最终得到正确输出，则判断该组件有问题。

例：对于汽车自动驾驶问题，学习管道如下。

对于这个管道，错误组件定位的方式为：

步骤1：使用该错误样本进行输入，对汽车探测器组件的输出进行修改，使其变成正确的输出，行人探测器组件的输出结果不变，将这两个输出结果传入路径规划组件，如果能够输出正确的汽车运行路线，则说明汽车探测器组件存在问题。如果不能输出正确路线，则进入步骤2。

步骤2：使用该错误样本进行输入，对行人探测器的输出进行修改，使其变成完美的(正确的)输出，看管道能否生成正确的路线，能正确输出的话则说明行人探测器组件存在问题；如依然不能输出正确路线，转至步骤3。

步骤3：路径规划组件存在问题。

·使用人类的水平来对比每一个组件：

为了获得更加准确的输出结果和更强的鲁棒性，我们可以对管道中的每一个组件进行分析，以人类的水准来进行对比，尽可能多的强化学习管道的能力。

例如：在暹罗猫识别任务中，

①先看第一个组件，猫咪探测器的输出如下：

使用人类的水平进行对比，这个输出结果明显是不合格的，说明该组件拥有巨大的提升空间。

②再看第二个组件，猫咪类型探测器的输入：

对于一个猫咪爱好者来说，完全可以根据这个图片判断出来这是一只暹罗猫。证明第二个组件也没有达到人类的识别水平，依然拥有性能提升空间。

注意：一旦管道中所有的组件都达到了接近人类的水准，但管道依然无法提供正确的输出，则说明管道的设计存在问题，需要进行重新设计(新增组件或删改组件)。