人工智能期末笔记

1. 绪论

• 四大流派

  • 符号主义(知识图谱)

    原理主要为物理符号系统(即符号操作系统)假设和有限合理性原理

    用数理逻辑描述智能行为, 在计算机上实现了逻辑演绎系统。

    举例，其有代表性的成果为启发式程序LT逻辑理论家，证明了38条数学定理，表了可以应用计算机研究人的思维多成，模拟人类智能活动。

  • 连接主义(神经网络)

    认为人工智能源于仿生学，特别是对人脑模型的研究。

    举例，MP神经元，感知机，神经网络

  • 行为主义(智能机器人)

    认为人工智能源于控制论。早期的研究工作重点是模拟人在控制过程中的智能行为和作用，如对自寻优、自适应、自镇定、自组织和自学习等控制论系统的研究，并进行“控制论动物”的研制。

    举例，智能控制和智能机器人

  • 统计主义(机器学习)

    基于概率论与数理统计

    举例，贝叶斯分类器(条件概率)

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• AI，ML，DL的异同、关联

  知乎

  • AI最初的概念，是用计算机构造与人类拥有同样智慧的机器。

    人工智能的研究领域包括专家系统、CV、NLP、推荐系统等等。

    // AI分为弱AI和强AI,

    // 弱 AI 让机器通过观察和感知, 做到一定程度的理解和推理

    // 强 AI 让机器获得自适应能力, 解决没有遇到过的问题

    // 目前的科研工作都集中在弱人工智能这部分，并很有希望在近期取得重大突破

    // 电影里的人工智能多半都是在描绘强人工智能，而这部分在目前的现实世界里难以真正实现。

  • ML 是一种实现人工智能的方法

    ML 根据某些算法，通过大量数据进行训练和学习，然后对真实世界中的事件做出决策和预测。

    算法：决策树、聚类、贝叶斯分类、支持向量机等等。

    学习方法：监督学习（如分类问题）、无监督学习（如聚类问题）、半监督学习、集成学习、深度学习和强化学习。

    预处理：特征工程

  • DL 一种实现机器学习的技术

    DL 利用深度神经网络来进行特征表达，DL的学习过程就是DNN的训练过程

    DNN 本身并不是一个全新的概念，可大致理解为包含多个隐含层的NN

    应用：图像识别、语音识别

    预处理：数据清洗

    存在的问题

    • 深度学习模型需要大量的训练数据，才能展现出神奇的效果，但现实生活中往往会遇到小样本问题，此时深度学习方法无法入手，传统的机器学习方法就可以处理
    • 有些领域，采用传统的简单的机器学习方法，可以很好地解决了，没必要非得用复杂的深度学习方法
    • 深度学习的思想，来源于人脑的启发，但绝不是人脑的模拟，举个例子，给一个三四岁的小孩看一辆自行车之后，再见到哪怕外观完全不同的自行车，小孩也十有八九能做出那是一辆自行车的判断，也就是说，人类的学习过程往往不需要大规模的训练数据，而现在的深度学习方法显然不是对人脑的模拟

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• 机器学习的两个阶段

  • 训练(三步曲)

    • define Model

      定义 model

    • goodness of a function

      定义Loss function

    • pick the best function

      通过 GD 调整参数，使得损失函数达到最小值，此时的 function 就是某个 Model 中的最佳function

      # 所有训练数据用了一次
      for e in epoch:
          # 迭代多少次
          for it in iteration:
              GD(batchsize)
              update(W)
      
      # Epoch: 
      # All sample data in the train set are used once in 1 epoch
      # Iteration (Batch):
      #
      # Batch-size:
      # The number of data in one iteration

      误差反向传播, 与GD一起使用, 更新权值, 训练模型

  • 测试

    在 Dev set / Test set 上进行测试

    前向传播, err = y - predict(x), acc = y - err, 给定输入, 预测输出, 计算准确率

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• 机器学习的分类(区分差异, 举例说明)

  • 监督学习

    数据集带标签, 即训练集的 y 已知, 可以计算 err = y - h(x)

    举例，线性回归，图像识别

  • 非监督学习

    数据集无标签，y 未知，需要通过某种方法自动组织成一个个类别

    举例，聚类算法

  • 半监督学习

    数据集一部分有标签，一部分没标签

  • 强化学习

    强化学习也是使用未标记的数据。

    在监督学习中，能直接得到每个输入的对应的输出。强化学习中，训练一段时间后，你才能得到一个延迟的反馈，并且只有一点提示说明你是离答案越来越远还是越来越近。

    游戏AI，AlphaGo，Dota，不是马上就能得到游戏结果，但是可以在一段时间延迟后知道自己离胜利是否越来越近。

    DeepMind 利用强化学习令游戏 AI 大幅进步，以 AlphaGo 的成功最为典型。

  • 迁移学习

    https://blog.csdn.net/jiandan...

    从源领域（Source Domain）学习了东西，应用到新的目标领域（Target Domain）

    源领域和目标领域之间有区别，有不同的数据分布

    样本迁移、特征迁移、模型迁移、关系迁移

    训练数据少（容易过拟合），原先某个训练好的模型，部分组件可以重用，部分组件需要修改，用于新的场景，

    类似面向对象，可重用性，或者某个web框架可以快速搭建各种web应用

    原来识别猫，现在可以识别狗（四条腿的特征可以重用），或者其他动物

    训练真实图片，识别卡通图片

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线性回归

• 机器学习定义

  机器学习，对于某类任务 T 和性能度量 P，模型程序可以通过经验 E 学习和改进，提升它在任务 T 上的性能 P

  T 预测

  P 准确率

  E 训练集

• 线性回归

  Y = h(x) = WX + b

  X(1) = 28x1, Y(1) = 10x1

• 三步曲

  model, loss function, 通过 GD 使 loss 最小

  训练集上表现不好 ---> 欠拟合 ---> 使用更复杂的模型，使用更多特征作为输入

  训练集表现好 -> 测试集表现不好 --> 过拟合 ---> 正则化，增加训练数据

• 误差来源分析

  Testing Error = Bias error + Variance Error

  Bias error ≈ train error = avoidable error + unavoidable error

  Variance error ≈ 测试集 上的表现比训练集上差多少

  = test error - train error

  • 欠拟合：bias error 高, variance error 低
  • 过拟合：bias error 低, variance error 高
  • Good：bias error 低, variance error 低

  • y5 = W5x^5 + ... + W1x + W0

    y1 = W1x + W0, y1 是 y5 的子集

• 三类数据集

  • 训练集：训练模型参数
  • 开发/验证集：用于挑选超参数
  • 测试集：用于估计泛化误差，衡量模型性能

• 数据集不是特别大时，使用 K-折 交叉验证

  TODO 交叉验证

  将数据集D划分成k个大小相似的互斥子集，

  每次用k-1个子集作为训练集，余下的子集做测试集，最终返回k个训练结果的平均值。

  交叉验证法评估结果的稳定性和保真性很大程度上取决于k的取值。

• 参数，自动学习，W，b

  超参数，某次训练中不会改变的，由 程序员 确定

  lr，正则化系数，模型阶数，batchsize，epoch，梯度优化算法，filter的尺寸、步长

• 正则化

  • L1(θ) = L(θ) + λ[θ]1

    [θ]1 = |w1| + |w2| + ... 参数绝对值之和,

    作用: 特征筛选

  • L2(θ) = L(θ) + λ[θ]2

    [θ]2 = w1^2 + w2^2 + ... 参数平方和

    作用：限制模型复杂度, 避免过拟合, 提高泛化能力

  • Elastic, L1 + L2

    L3(θ) = L(θ) + λ{ρ[θ]1 + (1-ρ)[θ]2}

• 加快模型训练

  • 归一化

  • 使用不同的 GD

    SGD, BGD, miniBGD, AdaGrad, RMSProp, SGDM, Adam,

    TODO: 不同GD之间的比较

  • 微调学习率lr

    TODO: 自适应变化的lr，t++, η--

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分类 classification

• Why not use linear regression model to solve classification?

  • 线性回归无法解决多分类问题
  • 有些问题不是线性可分的（异或问题）

• Why use cross entropy as loss metric, not MSE (Mean Square Error)?

  如果是交叉熵，距离target越远，微分值就越大，就可以做到距离target越远，更新参数越快。而平方误差在距离target很远的时候，微分值非常小，会造成移动的速度非常慢，这就是很差的效果了。

  离目标离目标很近的时候，∂L/∂w 很小导致更新很慢。

• What is Cascading logistic regression model? Why introduce this concept?

  https://blog.csdn.net/soulmee...

  https://cloud.tencent.com/dev...

  串级联的逻辑回归模型可以进行，特征转换，解决非线性的分类，如异或问题

  逻辑回归单元就是神经元的基本结构，可以组成神经网络

逻辑回归 vs 线性回归

• 逻辑

  f(x) = σ(Σwx + b)

  输出 (0, 1)

  Loss = 交叉熵

  TODO: 抄公式

  https://zhuanlan.zhihu.com/p/...

  https://blog.csdn.net/jasonzz...

  https://blog.csdn.net/panglin...

• 线性

  f(x) = Σwx + b

  输出 任何值

  Loss = 均方差

• 二分类(logistic回归, y = 0 or 1)

  sigmoid

• 多分类(softmax回归, y = 1, 2, 3, ..., k)

  softmax

深度学习

• 对比三步曲

  • 定义一个函数集，即网络结构的选择

  • goodness of a function, 定义评价函数，即损失函数的选择

    https://blog.csdn.net/soulmee...

    以识别 MNIST 为例，对于一张图片，计算交叉熵作为 loss

    loss = - ln[yi], 其中 i 是正确的标签对应的下标，即 ^yi = 1, 其他 ^y = 0

    然后对于一个batch，计算 L = total loss = Σ loss

  • pick the best function, 挑选一个最好的函数，即如何更新权重进行学习

    选择使 L 最小的 function (网络参数)，作为最佳 function

    枚举是不现实的，神经元个数太多，组合起来数量太大，需要使用梯度下降

    w = w - η ∂L/∂w，重复这个过程，直到 ∂L/∂w 很小，即 w 的更新量很小

    但是NN是非凸优化的，存在局部最小值

• 反向传播，用于更新模型参数,

  Backpropagation: an efficient way to compute ∂L/∂w in neural network

  To compute the gradients efficiently, we use backpropagation.

  forward pass: 计算 ∂z/∂w

  backward pass 计算 ∂l/∂z = ∂l/∂a ∂a/∂z =

  会计算梯度（偏导）

• 正向传播，用于预测输出，计算loss

• 全连接

  输入层

  隐藏层

  输出层

• 梯度消失，梯度爆炸

  原因：网络太深，激活函数不合适，如sigmoid

  https://zhuanlan.zhihu.com/p/...

  只要是sigmoid函数的神经网络都会造成梯度更新的时候极其不稳定，产生梯度消失或者爆炸问题。

  靠近输出层的单元的梯度大，学习快，会一下子收敛，认为网络已经收敛了。而靠近输入层的单元梯度小，学习慢，且有随机性。这样整个网络就好像是基于随机情况训练而来的。效果不好。

  如果考虑将权重初始化成大一点的值，又可能造成梯度爆炸。

  梯度爆炸和梯度消失问题都是因为网络太深，以及网络权值更新不稳定造成的，本质上是因为梯度反向传播中的连乘效应。

  解决方法，可以用新的激活函数 ReLU

  • 解决梯度消失的问题，因为它大于0的部分是线性的。小于0时即为0。
  • 计算量小

https://zhuanlan.zhihu.com/p/25631496

https://zhuanlan.zhihu.com/p/33006526

• 欠拟合

  https://zhuanlan.zhihu.com/p/...

  • 调整网络结构，增加层数、神经元数，但是越深 ≠ 越好
  • 新的激活函数
  • MiniBatch and Batch Normalization, 提高训练速度和效果
  • 选择合适的损失函数 loss

• 过拟合

  • Early Stopping

    随着在训练数据上的损失不断减小，在验证集上的误差会在达到某个最小值后反而增大，这时可以考虑提早终止网络的训练，保留一个在训练集和验证集上效果都较好的网络。

  • 正则化
  • dropout, 以一定的概率丢弃部分单元，简化网络。
  • 更多数据进行训练
  • 创造训练数据，比如手写体识别，图片角度倾斜15度又变成了新的数据

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两种特定场景的 NN

• CNN, 卷积神经网络

  图像识别

  提取出图像的不同特征，再搭配全连接网络和softmax进行分类

  • 图像可以用CNN的原因

    • pattern具有局部性
    • 图像的不同区域可能会出现的同样的pattern
    • 对图像进行向下采样，对整体特征的影响不大，

卷积层用到a和b两个原因，池化层用到c原因。

    同时，利用这些原理可以减少计算量。

    且，CNN是稀疏连接，且共享参数，大大减少了计算量，

    CNN可以很好地进行特征提取，再搭配全连接网络和softmax进行图像识别(分类)


    由于图像的特征具有局部性、重复性，因此可以通过卷积核进行特征提取

    另外，降低图像分辨率对图像整体特征的影响较小，因此通过池化进行向下取样，减少计算量

    综上，对比全连接，CNN是稀疏连接，且共享参数，大大减少了计算量，又有很好的识别效果

kernel/filter

*    stride

*    padding

*    超参数

    size, padding, stride, number-of-filters

    TODO：结合下面的输入输出尺寸，实例计算尺寸，计算特征

*    输入尺寸 输出尺寸

• TODO：CNN结构，P41

• RNN, 循环神经网络

  • TODO，结合上次作业

  • 什么是序列数据?举例说明。

    有时间维度的数据称为时间序列数据。如文本段落、语音输入、视频流、DNA序列分析等

  • RNN 特点

    当前的预测值考虑到了之前的运行结果

  • 即使只有一层的RNN模型仍可能出现梯度消失和梯度爆炸，为什么？

    https://zhuanlan.zhihu.com/p/...

    对RNN进行优化需要用到BPTT，用来表示RNN的记忆状态，权值的偏导中存在累乘，如果每一项都小于1，那么乘多了就变0了，如果每一项都大于1，那么乘多了又会很大，所以RNN存在梯度消失和爆炸的原因。

  • LSTM与一般的RNN相比，优势在哪。LSTM的结构

    • 可以避免梯度消失(无法消除梯度爆炸)

      在LSTM中，也有和RNN一样的记忆单元，叫做细胞状态(LSTM Cell)

      从上图可以看到，LSTM的单元状态更新公式中是一个加法而不是乘法

      表示以前的记忆需要忘记多少，表示这一次的输入需要添加多少

      因为是加法，所以不容易导致接近于0的情况。

    • LSTM可以保持长时记忆，LSTM的记忆门可以控制记忆存放多久。不过LSTM可以保持长时间记忆根本原因也是因为LSTM解决了梯度消失的问题吧。
  • 训练LSTM相当于是训练每个block的三个门的输入权值

  • 对于给定问题，能判断出是否该使用 RNN 模型

    当输入和输出有一个是序列数据时使用RNN模型。

    典型RNN任务：语音识别、音乐生成、语义分析、机器翻译。