深度学习和神经网络的介绍（一）

1、深度学习和神经网络

1.1 深度学习的介绍

目标：

1. 知道什么是深度学习
2. 知道深度学习和机器学习的区别
3. 能够说出深度学习的主要应用场景
4. 知道深度学习的常见框架

1.1.1 深度学习的概念

深度学习是机器学习的分支，是一种以人工神经网络为架构，对数据进行特征学习的算法。

1.1.2机器学习和深度学习的区别

1. 区别1（特征提取）：
   机器学习需要有人工的特征提取的过程；深度学习没有复杂的人工特征提取的过程，特征提取的过程可以通过深度神经网络自动完成。
2. 区别2（数据量）：
   深度学习需要大量的训练数据集，会有更高的效果；深度学习训练深度神经网络需要大量的算力，因为其中有更多的参数。

机器学习：数据少，效果不是特别好
深度学习：数据多，效果更好

1.1.3 深度学习的应用场景

1.1.3.1图像识别

1. 物体识别
2. 场景识别
3. 人脸检测跟踪
4. 人脸身份认证

1.1.3.2自然语言处理技术

1. 机器翻译
2. 文本识别
3. 聊天对话

1.1.3.3语音技术

1. 语音识别

1.1.4 常见的深度学习框架

目前企业中常见的深度学习框架有很多（TensorFlow、Caffe2、Keras、Theano、PyTorch等等）
其中TensorFlow和Keras是Google出品的，使用者很多，但是语法比较晦涩难懂而且和python的语法不尽相同通，对于入门者上手难度比较高。
所以PyTorch的使用频率会更高，它和python的语法相同，整个操作类似Numpy的操作，并且PyTorch使用的是动态计算，会让代码的调试变得更简单。

1.2神经网络的介绍

目标

1. 知道神经网络的概念
2. 知道什么是神经元
3. 知道什么是单层神经网络
4. 知道什么是感知机
5. 知道什么是多层神经网络
6. 知道激活函数是什么、有什么作用
7. 理解神经网络的思想

1.2.1 人工神经网络的概念

人工神经网络，简称神经网络或类神经网络，是一种模仿生物神经网络（大脑）的结构和功能的数学模型，用于对函数进行估计或近似。
和其他机器学习方法一样，神经网络已经被用于解决各种各样的问题，比如说机器视觉和语音识别，这些问题都是很难被传统基于规则的编程所解决的。

1.2.2 神经元的概念

在生物神经网络中，每个神经元与其他神经元相连，当它“兴奋”时，就会向相连的神经元发送化学物质，从而改变这些神经元内的电位；如果某神经元的电位超过了一个“阈值”，那么它就会被激活，即“兴奋”起来，向其它神经元发送化学物质。
1943年，M-P神经元模型，把许多这样的神经元按一定的层次结构连接起来，就得到了神经网络。

神经网络中的基础单元，相互连接，组成神经网络

一个简单的神经元如下图所示：

其中：

1. a1,a2…an为各输入的分量
2. w1、w2…wn为各个输入分量对应的权重参数
3. b为偏置
4. f为激活函数，常见的激活函数有tanh，sigmoid，relu
5. t为神经元的输出
   是用数学公式表示就是：
   t=f（w^T * A+b）
   可见，一个神经元的功能是求得输入向量与权向量的内积后，经一个非线性传递函数得到一个标量结果。

1.2.3 单层神经网络（不常见）

是最基本的神经元网络形式，由有限个神经元构成，所有神经元的输入向量都是同一个向量。由于每一个神经元都会产生一个标量结果，所以单层神经元的输出是一个向量，向量的维数等于神经元的数目。
示意图如下：

1.2.4 感知机（常见的两层神经网络）

感知机由两层神经网络组成，输入层接收外界输入信号后传递给输出层（输出：+1正例，-1反例），输出层是M-P神经元

感知机的作用：
把一个n维向量空间用一个超平面分割成两部分，给定一个输入向量，超平面可以判断出这个向量位于超平面的哪一边，得到输入时正类或者是反类，对应到2维空间就是一条直线把平面分为两个部分。

简单的二分类的模型，给定阈值，判断数据属于哪一部分

1.2.5 多层神经网络

多层神经网络就是由单层神经网络进行叠加之后得到的，所以就形成了层的概念，常见的多层神经网络有如下结构：

• 输入层，众多神经元接受大量输入消息。输入的消息称为输入向量。
• 输出层，消息在神经元链接中传输、分析、权衡，形成输出结果。输出的消息称为输出向量。
• 隐藏层，简称“隐层”，是输入层和输出层之间众多神经元和链接组成的各个层面。隐层可以有一层或多层。隐层的节点（神经元）数目不定，但数目越多神经网络的非线形越显著，从而神经网络的强健性更显著。
  示意图如下：
  
  概念：全连接层
  全连接层：当前一层和前一层每个神经元相互链接，我们称当前这一次为全连接层。
  
  （不考虑激活函数的情况下就是一次线性变化，所谓线性变化就是平移（+b）和缩放（*W））

1.2.6 激活函数

在前面的神经元中提到了激活函数，下来就进行简单介绍
假设我们有这样一组数据，三角形和四边形，需要把他们分为两类

如上图，右边是sigmoid函数，对感知机的结果，通过sigmoid函数进行处理
如果给定合适的参数w和b，就可以得到合适的曲线，能够完成对最开始问题的非线形分割，所以激活函数的一个非常重要的作用就是：增加模型的非线性分割能力
常见的激活函数：

看图可知：

• sigmoid只会输出正数，以及靠近0的输出变化率最大

• tanh和sigmoid不同的是，tanh输出可以是负数

• Relu是输入只能大于0，如果输入含有负数，Relu就不合适，如果你的输入是图片格式，Relu就是挺常用的，因为图片的像素值作为输入时，取值为[0,255]。
  激活函数的作用除了前面说的增加模型非线性分割能力外，还有

• 提高模型鲁棒性（稳健性）

• 缓解梯度消失问题

• 加速模型收敛等
  （这些做了解即可）

a：线性
i：系统：函数，f，模型，f（x）=y
ii：满足这两个条件为线性：f（x1+x2）=y1+y2；f（kx1）=ky1
即既满足可加性，又满足乘一个数值，结果还为一个数值两个条件就为线性
b：作用：增加模型的非线性分割能力；提供模型的稳健性；缓解梯度消失；加速模型的收敛
c：常见的激活函数：
i：sigmoid：（0,1）
ii：tanh：（-1,1）
iii：relu：max（0，x）图像用的比较多
iv：elu：a（e^x-1） 文本用的比较多

1.2.7 神经网络势力

一个男孩想要找一个女朋友，于是实现了一个女友判定机，随着年龄的增长，他的判定机也一直在变化
14岁时：

在15岁的时候终于找到呢女朋友，但是一顿时间后他发现有各种难以忍受的习惯，最终决定分手。一段空窗期中，他发现找女朋友很复杂，需要更多的条件才能够帮助他找到女朋友，于是在25岁的时候，他再次修改了判定机：

上述的判定机其实就是神经网络，它能够接受基础的输入，通过隐藏层的线性的和非线性的变化最终的到输出。
通过上面例子，希望大家能够理解深度学习的思想：
输出的最原始、最基本的数据，通过模型来进行特征工程，进行更加高级特征的学习，然后通过传入的数据来确定合适的参数，让模型去更好的拟合数据。
这个过程可以理解为盲人摸象，多个人一起摸，把摸到的结果乘上合适的权重，进行合适的变化，让他和目标值趋近一致。整个过程只需要输入基础的数据，程序自动寻找合适的参数。