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第一章 概述
机器学习简单的说机器学习就是让机器去分析数据找规律,并通过找到的
规律对新的数据进行处理。机器学习理论主要是设计和分析一些让计算机可以
自动“学习”的算法。机器学习算法是一类从数据中自动分析获得规律,并利用
规律对未知数据进行预测的算法。因为学习算法中涉及了大量的统计学理论,
机器学习与推断统计学联系尤为密切,也被称为统计学习理论。算法设计方面,
机器学习理论关注可以实现的,行之有效的学习算法。很多推论问题属于无程
序可循难度,所以部分的机器学习研究是开发容易处理的近似算法。
神经网络简单点将就是由好多个神经元组成的系统。这是模拟人类的神经
网络,如下图。
图 1.1 神经元系统
在大数据时代,更复杂的模型才能充分发掘海量数据中蕴藏的有价值的信
息。深度学习通过组合低层特征形成更加抽象的高层属性,以发现数据的分布
式特征表示,这使得特征的自动学习得以实现(相对于传统的手工构造特征),极
大地推进了人工智能的自动化。简而言之,深度学习提供了一个深度思考的大脑,
使大数据得以充分利用。
深度学习(也称为深度结构化学习 或分层学习)是基于学习数据表示的更
广泛的机器学习方法系列的一部分,而不是特定于任务的算法。学习可以是监
督,半监督或无监督。深度学习架构,如深度神经网络,深度置信网络和递归
神经网络,已应用于计算机视觉,语音识别,自然语言处理,音频识别,社交
网络过滤,机器翻译,生物信息学,药物设计,医学图像分析等领域。 材料检
查和棋盘游戏程序,它们产生的结果可与人类专家相媲美,在某些情况下优于
人类专家。深度学习模型受到生物神经系统中信息处理和通信模式的模糊启发,
但与生物大脑(尤其是人类大脑)的结构和功能特性存在各种差异,这使得它
们与神经科学证据不相容。
深度学习的本质是通过构建具有很多隐层的机器学习模型和海量的训练数
据,来自动学习隐藏的有用特征,从而提升分类或预测的自动化与准确性。深度
模型是手段,特征学习目的。区别于传统的浅层学习,深度学习的特点在于:①
强调了模型结构的深度,通常有五层、六层,甚至十多层的隐层节点;② 明确突
出了特征自动学习的重要性,也就是说,通过逐层特征变换,将样本在原空间的
特征表示变换到一个新特征空间,从而使分类或预测更加容易。与人工规则构造
特征(硬编码,如专家库)的方法相比,利用大数据来自动学习特征,更能够刻画数
据的丰富内在信息。如下图,将深度学习分成三步:匹配一系列函数、优化函
数和最优函数。
图 1.2 映射函数实例图
第二章 深度学习基础
2.1 线性模型
线性回归输出是一个连续值,因此适用于回归问题。回归问题在实际中很
常见,如预测房屋价格、气温、销售额等连续值的问题。与回归问题不同,分
类问题中模型的最终输出是一个离散值。我们所说的图像分类、垃圾邮件识别、
疾病检测等输出为离散值的问题都属于分类问题的范畴。softmax 回归则适用
于分类问题。
由于线性回归和 softmax 回归都是单层神经网络,它们涉及的概念和技术
同样适用于大多数的深度学习模型。我们首先以线性回归为例,介绍大多数深
度学习模型的基本要素和表示方法。
2.1.1 线性实例
我们以一个简单的房屋价格预测作为例子来解释线性回归的基本要素。这
个应用的目标是预测一栋房子的售出价格(元)。我们知道这个价格取决于很
多因素,如房屋状况、地段、市场行情等。为了简单起见,这里我们假设价格
只取决于房屋状况的两个因素,即面积(平方米)和房龄(年)。接下来我们
希望探索价格与这两个因素的具体关系。
2.1.2 线性模型
设房屋的面积为 x1,房龄为 x2,售出价格为 y。我们需要建立基于输入
x1 和 x2 来计算输出 y 的表达式,也就是模型(model)。顾名思义,线性回
归 假 设 输 出 与 各 个 输 入 之 间 是 线 性 关 系 :
y^=x1w1+x2w2+b,y^=x1w1+x2w2+b,
其中 w1 和 w2 是权重(weight),b 是偏差(bias),且均为标量。它
们是线性回归模型的参数(parameter)。模型输出 y^是线性回归对真实价
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