深度学习最基础理论知识总结 (CS231课程总结，持续更新) - 好文

因为有在看CS231学习深度学习的简单知识，所以打算整理成blog，持续更新中。。。

一、损失函数loss function

1、SVM：最简单的loss function

其中为真实label对应的分数，为label j对应的分数，Li为每个样本的分类损失，目的是最大化真实label对应分数。

在初始化时，Li的初始值接近于C-1，其中C为分类的个数，因为所有的分数都接近于0，对应为（C-1）个1相加。

所有样本的loss表示为：

2、softmax

二、模型正则项

通常为了防止模型过拟合，使得模型在效果和复杂度之间达到平衡，常常引入正则项。不同的正则项都是为了模型简单化，但是对简单的定义各异。

1) L1范式：鼓励稀疏，也就是鼓励权重向量中0的个数，从而使得模型简单化

2) L2范式：鲁棒性更好，控制向量中的整体分布，各个位置的数值均影响模型更好，即各个位置的数值较为平均。

3) dropout：随机将每一层上的一些神经元设为0，常在全连接层使用。训练时间加长，但训练后鲁棒性增强。

4) bach normalization：见下

5) dropconnect：和3不同，不是丢弃神经元，而是丢弃一些权重矩阵

6) stochastic depth：随机丢弃一些层。

三、Bach Normalization

深度学习中，通常为了能让激活函数更好地激活，防止梯度消失或者梯度爆炸 (后面会有解释)，需要对特征进行归一化，将特征向量变成均值为0，方差为1的向量

通常在全连接层和卷积层之后使用，每一层保证高斯分布，对向量的每个维度进行归一化。

四、正向传播与反向传播

神经网络中最主要的操作就是正向传播与反向传播。

正向传播：值，从输入层开始计算各个层的值，依次向后传播直至输出层；

反向传播：从输出层将损失进行反向传播，传播的是梯度，基于链式法则。

五、卷积神经网络 convolutional neural network (CNN)

全连接层：整图input x，经过权重矩阵W，进行矩阵相乘Wx得到输出

卷积层：对于一个矩阵x（N*N*depth），使用一个卷积核 (filter) w (F*F*depth)，在x上按行向下滚动点乘
(将对应位置上的元素相乘)，通常会有滚动的间隔stride，以下图为例，对应卷积操作为：

1) 从第一行开始，在对应位置使用卷积核点乘；

2) 将卷积核向右移动一个stride，得到第二幅图，进行点乘；

3) 一直向右以stride为间隔移动，直至到达最右端。然后从第二行开始继续执行1、2步。

所以在经过一次卷及操作后，输出的尺寸大小为s=
(N-F)/stride+1，其中F为卷积核的尺寸，N为原始尺寸,输出的大小为s*s*1。通常每一个卷积层会有k个不同的卷积核，所以得到的输出层尺寸为s*s*k。

处理边角位置：使用zero pad在外围一层填空，或是复制边缘值。目的：在stride=1时保证输出和原始尺寸相同，减少信息损失
(图片尺寸快速减小)，减小边角信息损失。

常用的卷积核大小：3*3,5*5,7*7。使用不同的卷积核，为了使输出尺寸保持不变，zero pad的宽度会随之变化。

对于n个m*m的卷积核，对应的参数个数为（m*m*3+1）*n，其中3为depth的值，通常为RGB三通道；1为偏差项；n通常设置为2的次方（32,64，……）。

池化层 pooling layer:不改变深度，只改变尺寸。

max pooling: 使用m*m的filter，stride=m (没有重叠区域，降采样)，每一个小块取其中的最大值。

采用max而不是mean的原因：为了表示对应区域的受激程度。

通常的深度网络结构：((CONV-RELU)*N-POOL)*M-(FC-RELU)*K,SOFTMAX

其中RELU为激活函数，下面会讲到。通常。

六、激活函数activation function

1、sigmoid

其中第二个分段函数是感知机。

存在的问题：

* 饱和神经元使梯度消失：x很大/很小时，梯度变为0，传递到下游节点，梯度消失；
* 非零中心函数：当输入wx+b，x均为正值时，梯度均为正或者均为负，在参数更新时只朝一个方向移动，无法得到理想参数，更新效率低；
* exp(-x)的计算代价较高。

2、Relu

优点：

* 不会饱和，避免梯度消失；
* 计算成本小；
* 收敛速度快；
* 更具有生物合理性。
缺点：

* 非零中心函数；
* x<0时会出现梯度消失的问题，dead relu
* 不适用较大梯度，参数更新后不再激活，梯度为0。
3、Leaky-Relu

4、PRelu

5、tanh

优点：零中心

缺点：仍有梯度消失问题

6、Maxout

优点：不饱和，no die

缺点：参数数量翻倍

7、ELU

七、数据预处理 data preprocessing

1、zero-centered: x-=np.mean

1) 对所有通道取均值 AlexNet

2) 对每个channel取均值 VGGNet

2、normalized data: x/=np.std(X,axis=0)

八、权重初始化 weight initialization

初始化时可能面临的问题：

* 如果将w均初始化为0，则所有神经元都在做相同的事情。
* 权值设置过小 (0.01)，不断传播后数值变得过小
* 权值设置过大，饱和，梯度变为0
所以常使用Xavier initialization：

np.random.randn(in,out)/np.sqrt(in)或者

np.random.randn(in,out)/np.sqrt(in/2) 解决Relu每次有一般不会被激活的问题 (x<0)。

九、babysitting参数监控

* 如果loss为NaN，说明学习速率设置过大
* 如果loss值下降很缓慢，说明学习速率过小
* 交叉验证，如果训练集的accuracy不断增加，而测试集不变，说明可能过拟合，需要调整正则化项

十、随机梯度下降 stochasitc gradient decent (SGD)

梯度：沿着梯度方向函数值上升最快

梯度更新：计算好当前状态下损失函数在每个参数下的梯度后，再更新每个参数；而不是计算一个参数就更新一个参数，然后再计算一个参数，因为这时第一个参数已经改变。
这里提到的是同步更新的概念。

缺点：

* 在某个方向loss下降很快，某个方向loss下降很慢
* 局部最小点：如下所示红点位置

* 鞍点：saddle point，一个方向上梯度大于0，一个方向上梯度小于0。在高维数据上容易发生

* stochastic：曲折着走向optimal，耗时。

十一、学习率learning rate decay method

1、exponential decay

2、 1/t decay

十二、VGG Net

1) smaller filter：3*3卷积核

参数量较小，可以使用更多的filters来增加深度

2) same effective field

使用3层，3*3 C个filters，对应的视野域和7*7的相同，但是参数远远小，3*（3*3*C*C）<(7*7*C*C)。

effective
field:第一层3*3；第二层也是3*3，但其中每个点都对应第一层中的一个3*3区域，按照stride=1滚动，所以第二层中的3*3实际对应了原始中5*5的区域；同理，第三层对应到的实际是7*7的区域。

所以视野域和直接使用7*7的卷积核是一样的，但是参数变少了，减少了计算负担。

十三、GoogleNet

无全连接层，含有一个inception layer,
包含了3个conv层和1个pooling层，最终结果将4个输出串联为最终输出，每个conv层，pooling层尺寸相同，深度 (通道数)不同。

但是这种方法，计算量大。解决方案：加入bottleneck层，使用1*1 conv先降低输入深度。

例如，m*m*256经过1*1 filter后，变成m*m*32，这样再传入conv层能够减少运算。

十四、ResNet

Hypothsis: the problem is an optimization problem, deeper models are harder t
optimize. 所以并不是越深的网络就一定越好。

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