做AI必須要知道的十種深度學(xué)習(xí)方法

本文作者： camel

2017-11-30 11:22

導(dǎo)語：深度學(xué)習(xí)就像玩樂高，掌握它有一定的挑戰(zhàn)性，但是入門還是很容易的。

雷鋒網(wǎng)AI科技評論按：不管是AI也好，其他學(xué)科也好，學(xué)習(xí)、研究的過程中不斷反思學(xué)科的歷史，總結(jié)學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀，找出最重要的理念，總能讓人能“吾道一以貫之”。軟件工程師James Le近期根據(jù)他研究的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出了AI研究必須要知道的十種深度學(xué)習(xí)方法，非常具有啟發(fā)性。雷鋒網(wǎng)AI科技評論編譯如下。

The 10 Deep Learning Methods AI Practitioners Need to Apply

人們對機(jī)器學(xué)習(xí)的興趣在過去十年經(jīng)歷了爆炸式的發(fā)展。計(jì)算機(jī)科學(xué)項(xiàng)目中、業(yè)界會(huì)議中、媒體報(bào)道中，你都能夠看到機(jī)器學(xué)習(xí)的影子。但是似乎所有關(guān)于機(jī)器學(xué)習(xí)的討論中，人們常常會(huì)把AI能做什么和他們希望AI能做什么混為一談。

從根本上來講，機(jī)器學(xué)習(xí)其實(shí)就是使用算法從原始數(shù)據(jù)中提取信息，并以某種類型的模型表示出來；然后我們使用這個(gè)模型來推斷我們尚未建模的其他數(shù)據(jù)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為機(jī)器學(xué)習(xí)的一類模型，它們已經(jīng)存在了至少50年。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元是節(jié)點(diǎn)，大致上模仿了哺乳動(dòng)物大腦中的生物神經(jīng)元的節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)之間的鏈接（也是模仿生物大腦）隨著時(shí)間的推移（訓(xùn)練）而演化。

在上世紀(jì)八十年代中期和九十年代早期，許多重要的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架都已經(jīng)做出了，不過要想獲得好的結(jié)果還需要足夠強(qiáng)大的計(jì)算能力和大體量的數(shù)據(jù)集，這些當(dāng)時(shí)在當(dāng)時(shí)很不理想，所以也導(dǎo)致人們對機(jī)器學(xué)習(xí)的熱情逐漸冷淡了下來。在21世紀(jì)初，計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力呈現(xiàn)了指數(shù)級(jí)的增長——業(yè)界見證了計(jì)算機(jī)技術(shù)的“寒武紀(jì)大爆發(fā)”，這在之前幾乎是不可想象的。深度學(xué)習(xí)作為這個(gè)領(lǐng)域中一個(gè)重要的架構(gòu)，在計(jì)算能力爆發(fā)式增長的十年中，贏得了許多重要的機(jī)器學(xué)習(xí)競賽。這個(gè)紅利的熱度直到今年仍未降溫；今天，我們看到在機(jī)器學(xué)習(xí)的每個(gè)角落里都會(huì)提到深度學(xué)習(xí)。

為了更深入地了解這些，我參加了一門“深度學(xué)習(xí)”課程，并開發(fā)了一個(gè)圖像識(shí)別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）和長短項(xiàng)記憶（LSTM）的自然語言處理。可以去我的Github倉庫中查看這些代碼：

https://github.com/khanhnamle1994/deep-learning

最近，我也開始閱讀一些深度學(xué)習(xí)方面的學(xué)術(shù)論文。下面這些是我收集到的幾篇對深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域的發(fā)展有重大影響的幾篇論文：

1、Gradient-Based Learning Applied to Document Recognition (1998)

意義：向機(jī)器學(xué)習(xí)世界引進(jìn)了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

作者：Yann LeCun, Leon Bottou, Yoshua Bengio, and Patrick Haffner

2、Deep Boltzmann Machines (2009)

意義：為玻爾茲曼機(jī)提出了一種新的學(xué)習(xí)算法，其中包含許多隱藏變量層。

作者：Ruslan Salakhutdinov, Geoffrey Hinton

3、Building High-Level Features Using Large-Scale Unsupervised Learning (2012)

意義：解決了僅從未標(biāo)記的數(shù)據(jù)構(gòu)建高層次、特定類別的特征檢測器的問題。

作者：Quoc V. Le，Marc’Aurelio Ranzato，Rajat Monga，Matthieu Devin，Kai Chen，Greg S. Corrado，Jeff Dean，Andrew Y. Ng

4、DeCAF?—?A Deep Convolutional Activation Feature for Generic Visual Recognition (2013)

意義：釋放了一個(gè)深度卷積激活特征的開源實(shí)現(xiàn)——DeCAF，以及所有相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使視覺研究人員能夠深入地在一系列視覺概念學(xué)習(xí)范例中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

作者：Jeff Donahue，Yangqing Jia，Oriol Vinyals，Judy Hoffman，Ning Zhang，Eric Tzeng，Trevor Darrell

5、Playing Atari with Deep Reinforcement Learning (2016)

意義：提供了第一個(gè)可以使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)從高維感官輸入中直接學(xué)習(xí)控制策略的深度學(xué)習(xí)模型。

作者：Volodymyr Mnih，Koray Kavukcuoglu，David Silver，Alex Graves，Ioannis Antonoglou，Daan Wierstra，Martin Riedmiller（DeepMind 團(tuán)隊(duì)）

在這些學(xué)習(xí)和研究中，我發(fā)現(xiàn)大量非常有意思的知識(shí)點(diǎn)。在這里我將分享十個(gè)深度學(xué)習(xí)的方法，AI工程師可能會(huì)將這些應(yīng)用到他們的機(jī)器學(xué)習(xí)問題當(dāng)中。

不過，首先先讓我們來定義一下什么是“深度學(xué)習(xí)”。對很多人來說，給“深度學(xué)習(xí)”下一個(gè)定義確實(shí)很有挑戰(zhàn)，因?yàn)樵谶^去的十年中，它的形式已經(jīng)慢慢地發(fā)生了很大的變化。

先來在視覺上感受一下“深度學(xué)習(xí)”的地位。下圖是AI、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)三個(gè)概念的一個(gè)關(guān)系圖。

做AI必須要知道的十種深度學(xué)習(xí)方法

AI的領(lǐng)域要相對較廣泛，機(jī)器學(xué)習(xí)是AI的一個(gè)子領(lǐng)域，而深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中的一個(gè)子集。

深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)與“典型”的前饋多層網(wǎng)絡(luò)之間是有一些區(qū)別的，如下：

深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)比之前的網(wǎng)絡(luò)有更多的神經(jīng)元
深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)具有更復(fù)雜的連接層的方式
深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)需要用強(qiáng)大的計(jì)算能力來訓(xùn)練
深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行自動(dòng)特征提取

因此深度學(xué)習(xí)可以被定義為在以下四個(gè)基本網(wǎng)絡(luò)框架中擁有大量參數(shù)和層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：

無監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)（Unsupervised Pre-trained Networks）
卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks）
循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recurrent Neural Networks）
遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （Recursive Neural Networks）

在這篇文章中，我主要對后三個(gè)框架比較感興趣。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 基本上就是用共享權(quán)重在空間中進(jìn)行擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)CNN主要是為了通過內(nèi)部卷積來識(shí)別圖片，內(nèi)部卷積可以看到待識(shí)別物體的邊。

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 基本上是在時(shí)間上進(jìn)行擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)檫呥M(jìn)入下一個(gè)時(shí)間步，而不是在同一時(shí)間步進(jìn)入下一個(gè)層。設(shè)計(jì)RNN主要是為了識(shí)別序列，例如語音信號(hào)或者文本。它里面的循環(huán)意味著網(wǎng)絡(luò)中存在短暫的記憶。

遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 更類似于分層網(wǎng)絡(luò)，其中輸入序列沒有真正的時(shí)間面，而是輸入必須以樹狀方式分層處理。

以下10種方法可以應(yīng)用于所有這些體系結(jié)構(gòu)。

1、反向傳播

反向傳播是“誤差反向傳播”的簡稱，它是一種計(jì)算函數(shù)（在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中以函數(shù)形式存在）偏微分的方法。當(dāng)你要用一個(gè)基于梯度的方法來解決一個(gè)最優(yōu)問題時(shí)（注意梯度下降只是解決這類問題的一種方法），你希望在每一次迭代中計(jì)算函數(shù)梯度。

做AI必須要知道的十種深度學(xué)習(xí)方法

對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而言，目標(biāo)函數(shù)具有合成的形式。那么如何計(jì)算梯度呢？一般情況下有兩種常見的方法：

1）微分分析法。當(dāng)你知道這個(gè)函數(shù)的形式時(shí)，你只需要用鏈?zhǔn)椒▌t計(jì)算導(dǎo)數(shù)即可；

2）用有限差分方法來近似微分。這種方法的計(jì)算量很大，因?yàn)楹瘮?shù)評估的數(shù)量是O（N），其中N是參數(shù)的數(shù)量。與微分分析法相比，這是比較昂貴的。不過，有限差分通常在調(diào)試時(shí)驗(yàn)證后端實(shí)現(xiàn)。

2、隨機(jī)梯度下降

一個(gè)直觀理解梯度下降的方法是去想象一條溯源山頂?shù)暮恿鳌＿@條河流會(huì)沿著山勢梯度的方向流向山麓下的最低點(diǎn)。

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如果讓人來走，可能就不一樣了，你可能會(huì)先隨便選一個(gè)方向，然后沿著這個(gè)方向的梯度向下走；過一會(huì)兒再隨機(jī)換一個(gè)方向向下走；最后你發(fā)現(xiàn)自己差不多也到了谷底了。

數(shù)學(xué)化的理解就是：

隨機(jī)梯度下降主要用來求解類似于如下求和形式的優(yōu)化問題：

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梯度下降法：

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當(dāng)n很大時(shí)，每次迭代計(jì)算所有的梯度會(huì)非常耗時(shí)。
隨機(jī)梯度下降的想法就是每次在Delta f_i 中隨機(jī)選取一個(gè)計(jì)算代替上面的Delta f_i，以這個(gè)隨機(jī)選取的方向作為下降的方向。這樣的方法反而比梯度下降能夠更快地到達(dá)（局部）最優(yōu)解。

3、學(xué)習(xí)率衰減

在訓(xùn)練模型的時(shí)候，通常會(huì)遇到這種情況：我們平衡模型的訓(xùn)練速度和損失（loss）后選擇了相對合適的學(xué)習(xí)率（learning rate），但是訓(xùn)練集的損失下降到一定的程度后就不在下降了，比如training loss一直在0.7和0.9之間來回震蕩，不能進(jìn)一步下降。如下圖所示：

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遇到這種情況通常可以通過適當(dāng)降低學(xué)習(xí)率（learning rate）來實(shí)現(xiàn)。但是，降低學(xué)習(xí)率又會(huì)延長訓(xùn)練所需的時(shí)間。

學(xué)習(xí)率衰減（learning rate decay）就是一種可以平衡這兩者之間矛盾的解決方案。學(xué)習(xí)率衰減的基本思想是：學(xué)習(xí)率隨著訓(xùn)練的進(jìn)行逐漸衰減。

學(xué)習(xí)率衰減基本有兩種實(shí)現(xiàn)方法：

線性衰減。例如：每過5個(gè)epochs學(xué)習(xí)率減半；
指數(shù)衰減。例如：每過5個(gè)epochs將學(xué)習(xí)率乘以0.1。

4、dropout

在當(dāng)前的大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中有兩個(gè)缺點(diǎn)：

費(fèi)時(shí)；
容易過擬合

Dropout 可以很好地解決這個(gè)問題。Dropout說的簡單一點(diǎn)就是在前向傳導(dǎo)的時(shí)候，讓某個(gè)神經(jīng)元的激活值以一定的概率p停止工作，示意圖如下：

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每次做完dropout，相當(dāng)于從原始的網(wǎng)絡(luò)中找到一個(gè)更瘦的網(wǎng)絡(luò)。

Hinton在其論文中做了這樣的類比，無性繁殖可以保留大段的優(yōu)秀基因，而有性繁殖則將基因隨機(jī)拆了又拆，破壞了大段基因的聯(lián)合適應(yīng)性；但是自然選擇了有性繁殖，物競天擇，適者生存，可見有性繁殖的強(qiáng)大。dropout 也能達(dá)到同樣的效果，它強(qiáng)迫一個(gè)神經(jīng)單元，和隨機(jī)挑選出來的其他神經(jīng)單元共同工作，消除減弱了神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)合適應(yīng)性，增強(qiáng)了泛化能力。

5、max pooling

池化（Pooling）是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中另一個(gè)重要的概念，它實(shí)際上是一種形式的向下采樣。有多種不同形式的非線性池化函數(shù)，而其中“最大池化（Max pooling）”是最為常見的。它是將輸入的圖像劃分為若干個(gè)矩形區(qū)域，對每個(gè)子區(qū)域輸出最大值。

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直覺上，這種機(jī)制能夠有效地原因在于，在發(fā)現(xiàn)一個(gè)特征之后，它的精確位置遠(yuǎn)不及它和其他特征的相對位置的關(guān)系重要。池化層會(huì)不斷地減小數(shù)據(jù)的空間大小，因此參數(shù)的數(shù)量和計(jì)算量也會(huì)下降，這在一定程度上也控制了過擬合。通常來說，CNN的卷積層之間都會(huì)周期性地插入池化層。

6、批標(biāo)準(zhǔn)化

包括深度網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要仔細(xì)調(diào)整權(quán)重初始化和學(xué)習(xí)參數(shù)。批標(biāo)準(zhǔn)化使這些變得輕松許多。

權(quán)重問題：

無論權(quán)重的初始化如何，是隨機(jī)的還是經(jīng)驗(yàn)性的選擇，它們離學(xué)習(xí)權(quán)重都會(huì)很遠(yuǎn)。考慮一個(gè)小批量，初期在所需的特征激活方面會(huì)有很多異常值。
深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身是病態(tài)的，初始層中的微小擾動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致后面層的非常大的變化。

在反向傳播過程中，這些現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致梯度彌散。這就意味著在學(xué)習(xí)權(quán)重產(chǎn)生所需要的輸出前，必須對梯度的異常值進(jìn)行補(bǔ)償，這將導(dǎo)致需要額外的時(shí)段來收斂。

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批量歸一化使這些梯度從分散到正常值并在小批量范圍內(nèi)流向共同目標(biāo)（通過歸一化）。

學(xué)習(xí)率問題：一般來說，學(xué)習(xí)率需要保持較低的值，使得只有一小部分的梯度來校正權(quán)重，原因是要使異常激活的梯度不影響已學(xué)習(xí)到的激活。通過批量標(biāo)準(zhǔn)化，可以減少這些異常激活，因此也就可以使用更高的學(xué)習(xí)率來加速學(xué)習(xí)過程。

7、long short-term memory

LSTM網(wǎng)絡(luò)具有以下三個(gè)方面，使其與循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的常見神經(jīng)元不同：

1）它能夠決定何時(shí)讓輸入進(jìn)入神經(jīng)元；

2）它能夠決定何時(shí)記住上一個(gè)時(shí)間步中計(jì)算的內(nèi)容；

3）它決定何時(shí)讓輸出傳遞到下一個(gè)時(shí)間步。

LSTM的美妙之處在于它能夠根據(jù)當(dāng)前的輸入本身來決定所有這些。所以你看下面的圖表：

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當(dāng)前時(shí)間的輸入信號(hào)x（t）決定所有上述3個(gè)點(diǎn)。輸入門決定點(diǎn)1，遺忘門決定點(diǎn)2，輸出門決定點(diǎn)3。任何一條輸入都能夠采取所有這三個(gè)決定。這種設(shè)計(jì)其實(shí)是受到了我們大腦如何工作的啟發(fā)，并且可以基于輸入來處理突然的上下文切換。

8、skip-gram

詞嵌入模型的目標(biāo)是為每個(gè)詞項(xiàng)學(xué)習(xí)一個(gè)高維密集表示，其中嵌入向量之間的相似性顯示了相應(yīng)詞之間的語義或句法相似性。 Skip-gram是一個(gè)學(xué)習(xí)詞嵌入算法的模型。

skip-gram模型（以及許多其他的詞語嵌入模型）背后的主要思想如下：兩個(gè)詞項(xiàng)相似，如果它們共享相似的上下文。

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換句話說，假設(shè)你有一個(gè)句子，例如“貓是哺乳動(dòng)物”；如果你用“狗”而不是“貓”，這個(gè)句子還是一個(gè)有意義的句子。因此在這個(gè)例子中，“狗”和“貓”可以共享相同的上下文（即“是哺乳動(dòng)物”）。

基于上述假設(shè)，你可以考慮一個(gè)上下文窗口（一個(gè)包含k個(gè)連續(xù)項(xiàng)的窗口），然后你跳過其中一個(gè)單詞，試著去學(xué)習(xí)一個(gè)能夠得到除跳過項(xiàng)外的所有項(xiàng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并預(yù)測跳過的這個(gè)項(xiàng)。如果兩個(gè)詞在一個(gè)大語料庫中反復(fù)共享相似的語境，則這些詞的嵌入向量將具有相近的向量。

9、連續(xù)詞袋

在自然語言處理問題中，我們希望學(xué)習(xí)將文檔中的每個(gè)單詞表示為一個(gè)數(shù)字的向量，使得出現(xiàn)在相似的上下文中的單詞具有彼此接近的向量。在連續(xù)的單詞模型中，目標(biāo)是能夠使用圍繞特定單詞的上下文并預(yù)測特定單詞。

做AI必須要知道的十種深度學(xué)習(xí)方法

我們通過在一個(gè)大的語料庫中采取大量的句子來做到這一點(diǎn)，每當(dāng)我們看到一個(gè)單詞時(shí)，我們就提取周圍的單詞。然后，我們將上下文單詞輸入到一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并預(yù)測在這個(gè)上下文中間的單詞。

當(dāng)我們有成千上萬個(gè)這樣的上下文單詞和中間詞時(shí)，我們就有一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的實(shí)例。我們訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，最后編碼的隱藏層輸出表示了特定單詞的嵌入。恰巧，當(dāng)我們對大量的句子進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，類似語境中的單詞得到相似的向量。

10、遷移學(xué)習(xí)

讓我們想一下如何在CNN中處理一張圖片。假設(shè)有一張圖片，你對它進(jìn)行卷積處理，然后你得到的輸出是像素的組合，我們姑且稱之為“邊”吧。我們再次使用卷積，這時(shí)候你得到的輸出將是邊的組合，我們稱之為“線”。如果再次使用卷積，那么你將得到線的組合，等等。

每一層都是在尋找相應(yīng)的特定模式。你的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最后一層一般會(huì)給出非常特定的模式。也許你在處理ImageNet，你的網(wǎng)絡(luò)最后一層可能是在找孩子、狗或飛機(jī)或別的任何東西。如果你向前兩層看，網(wǎng)絡(luò)可能是在找眼睛、耳朵、嘴巴或者輪子。

做AI必須要知道的十種深度學(xué)習(xí)方法

深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的每一層的深入都是在構(gòu)建越來越高層次的特征表示。最后兩層會(huì)產(chǎn)生你輸入模型的數(shù)據(jù)中的特定模式。換句話說，早期的層提取的特征則廣泛得多，在提取的大量的類中有很多簡單的模式。

遷移學(xué)習(xí)就是當(dāng)你用一個(gè)數(shù)據(jù)集訓(xùn)練CNN時(shí)，砍掉最后的一（些）層，再用另一個(gè)不同的數(shù)據(jù)集重新訓(xùn)練最后一（些）層的模型。直觀地說，你在重新訓(xùn)練模型來識(shí)別不同的高級(jí)層次特征。作為結(jié)果，訓(xùn)練時(shí)間大幅減少。所以當(dāng)你沒有足夠的數(shù)據(jù)或者訓(xùn)練的資源時(shí)，遷移學(xué)習(xí)是非常有用的一個(gè)工具。

這篇文章只是展示了這些方法的一般概述。我建議閱讀下面這些文章以獲得對這些概念更詳細(xì)的解釋：