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雷鋒網按：本文為大牛講堂算法工程師入門課程第一篇。地平線資深算法工程師羅恒、穆黎森、黃李超將分別帶來深度學習、增強學習、物體檢測的相關課程。本期地平線資深算法研究員羅恒將為大家帶來深度學習簡介，包括神經網絡歷史回顧和神經網絡訓練等內容。
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整個神經網絡，從歷史上就可以把很多東西搞清楚，比如它是怎么變過來的。我認為神經網絡其實是變得越來越簡單，越來越好用的。現在神經網絡常用的東西已經很固定了，你不用再加任何東西就能用。但有些時候你覺得這個東西應該work，但它不work，這種情況該怎么辦。所以盡管現在很多東西已經純標準化，但了解這些對于你找問題找錯誤，還是很重要。所以這次主要講兩個東西，優化和正則化。絕大多數情況，正則化不是問題，我們只關心優化問題，往往你發現需要做正則化的時候多半是數據問題。
神經網絡經歷了三次研究熱潮。第一次是60年代，感知器出來后很多人認為離人工智能已經很近了。但馬上有人寫了本書叫《感知器》，說它不能解決異或問題，這個時候大家一下子又不感興趣了。到80年代，BP算法出來，又開始變得火熱起來。但當時人們認為多層神經網絡優化困難，又對它失去了信心。直到很多年后，2006年出來了Deep Belief Nets。學術界又開始慢慢對神經網絡有興趣，等到神經網絡在語音識別和物體識別上取得突破后，神經網絡的第三次熱潮又開始了，一直持續到現在。
感知器已經有了現代神經網絡的原型，輸入特征與參數w連接，加權累加之后進入神經元，通過激活函數輸出。與現在的網絡的區別主要有兩點，第一是數據要經過人工編碼形成特征；第二是網絡的輸出是離散的二值。前者導致了相當一段時間，人們認為什么是好的特征應該由專家來設計，有了好的特征之后再解決分類問題，從這個角度上看，SVM也只是個特殊的感知器。
關于第二點，輸出的離散的，這個帶來一個問題，就是從輸入到輸出不是一個連續的光滑的，這個其實是限制使用梯度優化網絡的最大障礙。
很快，Minsky和Papert的《感知器》里面證明了上面的感知器不能解決異或等一大類問題，這本書因此也造成了神經網絡研究的第一次低潮。有趣的是，其實也就是在《感知器》里面，作者指出如果在網絡中能夠增加一些額外的類似感知器的單元，那么就能解決那些不能解決的問題。
這類神經元后來被Hinton稱之為隱藏單元（Hidden Units），在傳統的感知器中，輸出神經元是可見的，根據訓練數據，我們知道輸出單元應當是什么樣的狀態，而隱藏單元的狀態則不可知。就像之前提到的，如果隱藏單元的輸出是離散的，那么根據輸入特征，得到對應的輸出就需要考慮隱藏單元的各種可能狀態，那么就是一個組合優化問題，求解困難。
80年代，BP算法的成功的主要原因，就是改變激活函數為光滑連續的函數（可導），這樣一來，對于一個含有隱藏單元的神經網絡，從輸入x到輸入y也是一個關于所有連接參數w的光滑連續的函數。那么使用鏈式法則求導，我們就可以得到網絡所有參數的梯度，也就是說我們現在知道按梯度方向調整參數w就可以使得給定輸入數據x改變網絡的輸出大小，不斷地修正，就可以使得網絡的行為去擬合訓練數據。之后，BP算法大獲成功，神經網絡迎來了第二次的研究熱潮。
80年代到90年代，大量的研究人員使用BP算法訓練神經網絡，但是大家發現優化十分困難，最常見的失敗就是無論怎么調整參數，訓練的loss就是不降。由于神經網絡是優化一個非線性函數，那么意味著理論上存在局部極小點，因此，每當loss不降，大家都是自然而然地認為這是遇到了局部極小點，同時理論上層數越多的神經網絡非線性越強會有更多的局部極小，現實的觀察也發現更深的網絡往往結果更差，從而大量的研究者對神經網絡失去信心，神經網絡進入第二次低潮。90年代末開始的SVM相關研究以及后來對凸優化的癡迷，也都是在這個大背景下發生的。
進入2000年之后，Hinton發現使用一些非監督方法對多層神經網絡做初始化之后再使用BP算法，能夠成功地訓練并得到更好的結果。再后來，發現直接使用BP算法進行監督訓練就能在很多很多問題上得到非常好的結果。那么為什么90年代的時候沒有成功呢？一個是當時訓練數據相對很少，而且當時的機器訓練起來很慢；另外一個是當時訓練優化方法不太先進，所以有時在訓練的時候梯度會出一些問題。
上面的圖是一個四隱藏層的神經網絡訓練在MNIST上面（激活函數是tanh），大家可以看到訓練一開始，最頂層的神經元的激活值迅速減小，那么意味著從這一層往后傳遞的梯度也會迅速減小，同時也可以觀察到loss會基本保持不變（最后一層的激活函數接近0，那么無論什么樣的輸入到這一層之后都差不多，自然也就無法正確分類降低loss）。
但是隨著訓練的進行，頂層的激活又從0開始慢慢變大，loss最后又開始降。也就是在優化的時候，本來以為是掉到某一個坑里（局部極小），無論把w怎么改變，你的loss都沒辦法降下來。但實際情況是你在一個很平的高原上，你沿各個方向走，這個loss都差不多。現在我們知道使用適當的參數初始化、使用沒有飽和的激活函數（如ReLU）、使用Batch Normalization都可以、使用一些自適應學習率方法（如Adam，RMSProp）都可以緩解上面這種情況，當然更重要的一點是使用GPU。
歷史講完了，接下來講講算法工程師日常工作面臨的問題。我有一堆數據，質量差不多，我要拿到這些數據去訓練一個模型，讓這個模型能夠投入使用。至于訓練模型，我們現在工具已經很完備了，數據整理好之后梳理好命令，機器去跑，拿到一個結果，就最好了。但通常呢，會發現結果不好，結果不好有兩種情況，一種是我剛才說的，模型在訓練集上表現不好，也就是對應我們要講的第一個問題，優化問題。也就是你拿到一個數據，你第一件事情你不要考慮測試集，你就考慮訓練集，我要讓我這個模型在訓練上能做的足夠好，所以這個實際上是一個優化問題。通常我們絕大多數困難都在這個問題。
當這個問題解決之后，可能又開始第二個問題。就是我在訓練集上做的很好，但是在驗證集上做的不好，這個就是overfitting，overfitting有很多種情況，從學術上講比如說訓練數據中包含一些噪聲。我們日常中當你發現你的loss很低，但是在你的驗證集結果不好，通常是你的訓練集和你的測試集不一樣。這個不一樣可能有很多種原因，比如是不同的時間采集的，采集數據的策略發生了變化等等。這時首先需要做的是通過可視化對數據的分布有直覺上的認識，解決數據本身的問題。最簡單的一種可視化辦法，比如說你是一個二分類，你現在數據你就把它全部過一遍，二分類只有一個輸出，每個訓練的數據給它分一個數，你把這個數從大到小排一遍，驗證集也可以得到一個數，也從大到小排一遍。
然后你就從大到小隨機抽一些采樣，就會發現你數據的問題在哪。不斷地做這個過程，不斷地改進新的數據集，這個將會是你的最大的收益。也就是改你的數據擴大你的數據集，使你的數據覆蓋的種類更全，收益可能是幾十個百分點的，而調整你的優化策略可能只是幾個百分點的收益，正則化方法可能只是千分位上的收益。
所以，理解神經網絡背后的優化過程，理解你的數據才是最重要的。具體的可視化、數據采樣的方法往往需要結合問題本身發揮創造力。當訓練、驗證數據大致滿足需求之后，接下來要做的就是訓練網絡，不斷減小訓練集上的loss。如今有大量的開源工具，對于一些主流的任務，通常可以方便的找到適合的網絡結構以及相應的超參數。
大家只要結合自己的計算資源上的限制對這些網絡做些適當的剪裁就可以，這里就不展開了。下面介紹一些訓練過程中常見的情況以及如何調整。訓練中常見的困難是loss不降，常見的情況是輸入數據從下往上傳輸的時候，某一層的表示完全相同（比如某層的激活函數為0），這樣學習自然就無法進行了。
因此在訓練的過程中查看激活函數的相關統計信息是個好習慣。常見的情況，比如到softmax的連接矩陣w迅速變小，這有可能是由于數據類別分布非常不均衡導致的，這時候做些采樣以及適當改變mini-batch的大小可能會有緩解。除了考慮數據樣本的均衡之外，也可以適當地改變這層連接矩陣的參數初始化。當網絡中間某層的激活函數總是輸出0，這種時候loss的下降也會停止。
這時候可以考慮幾個方面，首先在這個激活函數之前是否有Batch Normalization，如果沒有最好加上試試（對于現在的前向網絡，最好保證除softmax之外的激活函數之前都有BN），如果有BN也可以進一步檢查eps是否設的過大，可以適當調小試試；其次也可以檢查一下是否ReLU造成的，這時候也可以試著改變這一層的bias和BN的beta的初始化（初始化成某個正數，比如+1）；第三，如果改變了原始的網絡結構，那么也最好避免表示的瓶頸（這一層的隱單元個數不要比之前層的隱單元個數少得過多）。
如果是從輸入開始的第一層就激活為0，那么就要檢查數據的預處理和相應參數初始化。一種很簡便的方式，則是讓輸入數據先通過一個Batch Normalization層，然后再連接后面的w。訓練集上的loss能夠正常的下降之后，那么接下來就需要看驗證集上的表現了。如果我們是不計代價地獲得驗證集的表現，那么就像Yann LeCun給的建議一樣，首先應當通過不斷地增加網絡的大小使得出現overfitting（訓練集的loss越來越低，而驗證集的loss降低到某個程度之后不變甚至開始變高）。
說到這里，插一句。神經網絡是非常靈活強大的模型，也就是說只要模型的大小足夠，那么應當可以完美地擬合訓練數據。如果當你發現沒有辦法完美擬合訓練集，假如優化過程沒有問題，那么很大的可能性是訓練數據中存在自相矛盾的數據，比如同樣一張圖在訓練集出現多次，并且每次的label又各自不同。語言模型往往很難完美擬合訓練集也是類似的原因，就是不同的詞卻有相同的（或極相似的的）上下文。提升驗證集的效果最直接效果最好的辦法就是在訓練集中增加更多的各式各樣的與驗證集類的數據。
這個聽上去像廢話，這里強調一下是希望大家時刻記住條件允許的時候，這總是應該最先考慮的努力方向；其次，依據關注的問題不同，各式各樣的數據增強往往對結果也會帶來很大的提升。除去上面兩種，那么接下來可以考慮各種正則化方法。先講兩種比較容易被大家忽視的正則化。
首先，盡可能在每輪的訓練中徹底地shuffle訓練數據，這會帶來一定的正則化效果（特別是在到處有Batch Normalization的網絡，充分的shuffle可以避免某些數據總是出現在同一個mini-batch），其次，在訓練效率和問題本身允許的情況下，盡量嘗試更小的mini-batch。小的mini-batch可以使得sgd的過程中產生很多對模型推廣有益的噪聲。此外，dropout、weight decay都應該嘗試，也可以適當的調整他們的參數。這些的調整，對于驗證集的結果提升往往比較有限。
最后，對于那些離散的長尾輸入數據（比如一些語言相關的輸入），也可以考慮在輸入層的參數上加入L1正則化。
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