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吴恩达深度学习课程笔记V5.5:全面掌握深度学习与实战应用
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更新于2024-07-18
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深度学习笔记V5.5是由黄海广主编,针对吴恩达教授在Coursera上的深度学习课程"DeepLearning.ai"进行整理编撰的一份详细资料。这份笔记专为那些具备基础编程知识(如Python),并且对机器学习有一定了解的计算机专业人士设计,旨在引导他们深入了解并掌握深度学习这一热门技术。 课程涵盖了深度学习的核心概念,包括但不限于卷积神经网络(CNN)、递归神经网络(RNN)和长短时记忆网络(LSTM)等深度学习常用架构。吴恩达亲自授课,并配以斯坦福大学计算机系的助教支持,使得课程内容权威且实用。学生通过一系列实战项目,将理论知识应用到诸如医疗诊断、自动驾驶、自然语言处理等实际场景,以及音乐生成等领域,提升解决现实问题的能力。 课程主要使用Python语言和Google的TensorFlow框架,强调实践操作,预计学习周期大约需要3-4个月。课程结束后,学生将获得由Coursera颁发的DeepLearning Specialization结业证书,这对于职业发展具有重要意义。由于Coursera提供的字幕不完整,黄海广博士与曹骁威同学组织了一支爱好者团队,负责中英字幕的翻译和整理,以帮助学员克服语言障碍,提高学习效率。 这份笔记不仅提供了深度学习的理论知识,还关注到学习者的需求,注重实用性,是学习者探索深度学习的宝贵资源。通过跟随这份笔记,学习者将能够系统地理解深度学习的原理,掌握相关技术,为在人工智能领域开启职业生涯打下坚实的基础。
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第一门课 神经网络和深度学习(Neural Networks and Deep Learning)-第一周:深度学习引言(Introduction to
Deep Learning)
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你现在不用担心不理解 ReLU 函数,你将会在这门课的后面再次看到它。
如果这是一个单神经元网络,不管规模大小,它正是通过把这些单个神经元叠加在一起
来形成。如果你把这些神经元想象成单独的乐高积木,你就通过搭积木来完成一个更大的神
经网络。
让我们来看一个例子,我们不仅仅用房屋的面积来预测它的价格,现在你有了一些有关
房屋的其它特征,比如卧室的数量,或许有一个很重要的因素,一家人的数量也会影响房屋
价格,这个房屋能住下一家人或者是四五个人的家庭吗?而这确实是基于房屋大小,以及真
正决定一栋房子是否能适合你们家庭人数的卧室数。
换个话题,你可能知道邮政编码或许能作为一个特征,告诉你步行化程度。比如这附近
是不是高度步行化,你是否能步行去杂货店或者是学校,以及你是否需要驾驶汽车。有些人
喜欢居住在以步行为主的区域,另外根据邮政编码还和富裕程度相关(在美国是这样的)。
但在其它国家也可能体现出附近学校的水平有多好。
在图上每一个画的小圆圈都可以是 ReLU 的一部分,也就是指修正线性单元,或者其它
稍微非线性的函数。基于房屋面积和卧室数量,可以估算家庭人口,基于邮编,可以估测步
行化程度或者学校的质量。最后你可能会这样想,这些决定人们乐意花费多少钱。
对于一个房子来说,这些都是与它息息相关的事情。在这个情景里,家庭人口、步行化
第一门课 神经网络和深度学习(Neural Networks and Deep Learning)-第一周:深度学习引言(Introduction to
Deep Learning)
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程度以及学校的质量都能帮助你预测房屋的价格。以此为例,𝑥 是所有的这四个输入,𝑦 是
你尝试预测的价格,把这些单个的神经元叠加在一起,我们就有了一个稍微大一点的神经网
络。这显示了神经网络的神奇之处,虽然我已经描述了一个神经网络,它可以需要你得到房
屋面积、步行化程度和学校的质量,或者其它影响价格的因素。
神经网络的一部分神奇之处在于,当你实现它之后,你要做的只是输入𝑥,就能得到输出𝑦。
因为它可以自己计算你训练集中样本的数目以及所有的中间过程。所以,你实际上要做的就
是:这里有四个输入的神经网络,这输入的特征可能是房屋的大小、卧室的数量、邮政编码
和区域的富裕程度。给出这些输入的特征之后,神经网络的工作就是预测对应的价格。同时
也注意到这些被叫做隐藏单元圆圈,在一个神经网络中,它们每个都从输入的四个特征获得
自身输入,比如说,第一个结点代表家庭人口,而家庭人口仅仅取决于𝑥
1
和𝑥
2
特征,换句话
说,在神经网络中,你决定在这个结点中想要得到什么,然后用所有的四个输入来计算想要
得到的。因此,我们说输入层和中间层被紧密的连接起来了。
值得注意的是神经网络给予了足够多的关于𝑥和𝑦的数据,给予了足够的训练样本有关𝑥
和𝑦。神经网络非常擅长计算从𝑥到𝑦的精准映射函数。
这就是一个基础的神经网络。你可能发现你自己的神经网络在监督学习的环境下是如此
的有效和强大,也就是说你只要尝试输入一个𝑥,即可把它映射成𝑦,就好像我们在刚才房价
预测的例子中看到的效果。
在下一个视频中,让我们复习一下更多监督学习的例子,有些例子会让你觉得你的网络
会十分有用,并且你实际应用起来也是如此。
第一门课 神经网络和深度学习(Neural Networks and Deep Learning)-第一周:深度学习引言(Introduction to
Deep Learning)
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第一门课 神经网络和深度学习(Neural Networks and Deep Learning)-第一周:深度学习引言(Introduction to
Deep Learning)
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1.3 神经网络的监督学习(Supervised Learning with Neural
Networks)
关于神经网络也有很多的种类,考虑到它们的使用效果,有些使用起来恰到好处,但事
实表明,到目前几乎所有由神经网络创造的经济价值,本质上都离不开一种叫做监督学习的
机器学习类别,让我们举例看看。
在监督学习中你有一些输入𝑥,你想学习到一个函数来映射到一些输出𝑦,比如我们之前
提到的房价预测的例子,你只要输入有关房屋的一些特征,试着去输出或者估计价格𝑦。我
们举一些其它的例子,来说明神经网络已经被高效应用到其它地方。
如今应用深度学习获利最多的一个领域,就是在线广告。这也许不是最鼓舞人心的,但
真的很赚钱。具体就是通过在网站上输入一个广告的相关信息,因为也输入了用户的信息,
于是网站就会考虑是否向你展示广告。
神经网络已经非常擅长预测你是否会点开这个广告,通过向用户展示最有可能点开的广
告,这就是神经网络在很多家公司难以置信地提高获利的一种应用。因为有了这种向你展示
你最有可能点击的广告的能力,而这一点击的行为的改变会直接影响到一些大型的在线广告
公司的收入。
计算机视觉在过去的几年里也取得了长足的进步,这也多亏了深度学习。你可以输入一
个图像,然后想输出一个索引,范围从 1 到 1000 来试着告诉你这张照片,它可能是,比方
说,1000 个不同的图像中的任何一个,所以你可能会选择用它来给照片打标签。
深度学习最近在语音识别方面的进步也是非常令人兴奋的,你现在可以将音频片段输入
第一门课 神经网络和深度学习(Neural Networks and Deep Learning)-第一周:深度学习引言(Introduction to
Deep Learning)
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神经网络,然后让它输出文本记录。得益于深度学习,机器翻译也有很大的发展。你可以利
用神经网络输入英语句子,接着输出一个中文句子。
在自动驾驶技术中,你可以输入一幅图像,就好像一个信息雷达展示汽车前方有什么,
据此,你可以训练一个神经网络,来告诉汽车在马路上面具体的位置,这就是神经网络在自
动驾驶系统中的一个关键成分。
那么深度学习系统已经可以创造如此多的价值,通过智能的选择,哪些作为𝑥哪些作为
𝑦,来针对于你当前的问题,然后拟合监督学习部分,往往是一个更大的系统,比如自动驾
驶。这表明神经网络类型的轻微不同,也可以产生不同的应用,比如说,应用到我们在上一
个视频提到的房地产领域,我们不就使用了一个普遍标准神经网络架构吗?
也许对于房地产和在线广告来说可能是相对的标准一些的神经网络,正如我们之前见到
的。对于图像应用,我们经常在神经网络上使用卷积(Convolutional Neural Network),通
常缩写为 CNN。对于序列数据,例如音频,有一个时间组件,随着时间的推移,音频被播放
出来,所以音频是最自然的表现。作为一维时间序列(两种英文说法 one-dimensional time
series / temporal sequence).对于序列数据,经常使用 RNN,一种递归神经网络(Recurrent
Neural Network),语言,英语和汉语字母表或单词都是逐个出现的,所以语言也是最自然
的序列数据,因此更复杂的 RNNs 版本经常用于这些应用。
对于更复杂的应用比如自动驾驶,你有一张图片,可能会显示更多的 CNN 卷积神经网
络结构,其中的雷达信息是完全不同的,你可能会有一个更定制的,或者一些更复杂的混合
的神经网络结构。所以为了更具体地说明什么是标准的 CNN 和 RNN 结构,在文献中你可能
见过左图这样的图片,这是一个标准的神经网络。而右图是一个卷积神经网络的例子。
我们会在后面的课程了解这幅图的原理和实现,卷积网络(CNN)通常用于图像数据。
你可能也会看到这样的图片,而且你将在以后的课程中学习如何实现它。
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