您應該知道的9種深度學習算法

本文的主要目標是讓您對深度學習領域有一個整體了解，并幫助您了解每種特定情況下應使用的算法。來吧。

神經網絡：基礎

神經網絡是一個具有相互連接的節(jié)點的計算系統(tǒng)，其節(jié)點的工作方式更像是人腦中的神經元。這些神經元在它們之間進行處理并傳遞信息。每個神經網絡都是一系列的算法，這些算法試圖通過一個模擬人類大腦運作的過程來識別一組數(shù)據中的潛在關系。

深度學習算法和經典神經網絡之間有什么區(qū)別呢？最明顯的區(qū)別是：深度學習中使用的神經網絡具有更多隱藏層。這些層位于神經元的第一層（即輸入層）和最后一層（即輸出層）之間。另外，沒有必要將不同層的所有神經元連接起來。

您應該知道的9種深度學習算法

＃1反向傳播

反向傳播算法是一種非常流行的用于訓練前饋神經網絡的監(jiān)督學習算法。本質上，反向傳播計算成本函數(shù)的導數(shù)的表達式，它是每一層之間從左到右的導數(shù)乘積，而每一層之間的權重梯度是對部分乘積的簡單修改（“反向傳播誤差”）。

我們向網絡提供數(shù)據，它產生一個輸出，我們將輸出與期望的輸出進行比較（使用損失函數(shù)），然后根據差異重新調整權重。然后重復此過程。權重的調整是通過一種稱為隨機梯度下降的非線性優(yōu)化技術來實現(xiàn)的。

假設由于某種原因，我們想識別圖像中的樹。我們向網絡提供任何種類的圖像，并產生輸出。由于我們知道圖像是否實際上有一棵樹，因此我們可以將輸出與真實情況進行比較并調整網絡。隨著我們傳遞越來越多的圖像，網絡的錯誤就會越來越少?，F(xiàn)在我們可以給它提供一個未知的圖像，它將告訴我們該圖像是否包含樹。

＃2前饋神經網絡（FNN）

前饋神經網絡通常是全連接，這意味著層中的每個神經元都與下一層中的所有其他神經元相連。所描述的結構稱為“多層感知器”，起源于1958年。單層感知器只能學習線性可分離的模式，而多層感知器則可以學習數(shù)據之間的非線性的關系。

前饋網絡的目標是近似某個函數(shù)f。例如對于分類，=（x）將輸入x映射到類別y。前饋網絡定義了一個映射y = f（x;θ），并學習了導致最佳函數(shù)逼近的參數(shù)θ的值。

這些模型之所以稱為前饋，是因為從x到定義f的中間計算，最后到輸出y，沒有反饋連接。沒有將模型的輸出反饋到自身的反饋連接。當前饋神經網絡擴展為包括反饋連接時，它們稱為循環(huán)神經網絡。

＃3卷積神經網絡（CNN）

卷積神經網絡除了為機器人和自動駕駛汽車的視覺提供幫助外，還成功的應用于人臉識別，對象監(jiān)測和交通標志識別等領域。

在數(shù)學中，卷積是一個函數(shù)越過另一個函數(shù)時兩個函數(shù)重疊多少的積分度量。

綠色曲線表示藍色和紅色曲線的卷積，它是t的函數(shù)，位置由垂直的綠色線表示?；疑珔^(qū)域表示乘積g（tau）f（t-tau）作為t的函數(shù)，所以它的面積作為t的函數(shù)就是卷積。

這兩個函數(shù)在x軸上每一點的重疊的乘積就是它們的卷積。

在某種程度上，他們嘗試對前饋網絡進行正則化，以避免過度擬合（當模型只學習預先看到的數(shù)據而不能泛化時），這使得他們能夠很好地識別數(shù)據之間的空間關系。

＃4循環(huán)神經網絡（RNN）

循環(huán)神經網絡在許多NLP任務中都非常成功。在傳統(tǒng)的神經網絡中，可以理解所有輸入和輸出都是獨立的。但是，對于許多任務，這是不合適的。如果要預測句子中的下一個單詞，最好考慮一下它前面的單詞。

RNN之所以稱為循環(huán)，是因為它們對序列的每個元素執(zhí)行相同的任務，并且輸出取決于先前的計算。RNN的另一種解釋：這些網絡具有“記憶”，考慮了先前的信息。

例如，如果序列是5個單詞的句子，則由5層組成，每個單詞一層。

在RNN中定義計算的公式如下：

x_t-在時間步t輸入。例如，x_1可以是與句子的第二個單詞相對應的one-hot向量。

s_t是步驟t中的隱藏狀態(tài)。這是網絡的“內存”。s_t作為函數(shù)取決于先前的狀態(tài)和當前輸入x_t：s_t = f（Ux_t + Ws_ {t-1}）。函數(shù)f通常是非線性的，例如tanh或ReLU。計算第一個隱藏狀態(tài)所需的s _ {-1}通常初始化為零（零向量）。

o_t-在步驟t退出。例如，如果我們要預測句子中的單詞，則輸出可能是字典中的概率向量。o_t = softmax（Vs_t）

圖像描述的生成

與卷積神經網絡一起，RNN被用作模型的一部分，以生成未標記圖像的描述。組合模型將生成的單詞與圖像中的特征相結合：

最常用的RNN類型是LSTM，它比RNN更好地捕獲（存儲）長期依賴關系。LSTM與RNN本質上相同，只是它們具有不同的計算隱藏狀態(tài)的方式。

LSTM中的memory稱為cells，您可以將其視為接受先前狀態(tài)h_ {t-1}和當前輸入參數(shù)x_t作為輸入的黑盒。在內部，這些cells決定保存和刪除哪些memory。然后，它們將先前的狀態(tài)，當前memory和輸入參數(shù)組合在一起。

這些類型的單元在捕獲（存儲）長期依賴關系方面非常有效。

＃5遞歸神經網絡

遞歸神經網絡是循環(huán)網絡的另一種形式，不同之處在于它們是樹形結構。因此，它們可以在訓練數(shù)據集中建模層次結構。

由于其與二叉樹、上下文和基于自然語言的解析器的關系，它們通常用于音頻到文本轉錄和情緒分析等NLP應用程序中。然而，它們往往比遞歸網絡慢得多

＃6自編碼器

自編碼器可在輸出處恢復輸入信號。它們內部有一個隱藏層。自編碼器設計為無法將輸入準確復制到輸出，但是為了使誤差最小化，網絡被迫學習選擇最重要的特征。

自編碼器可用于預訓練，例如，當有分類任務且標記對太少時?；蚪档蛿?shù)據中的維度以供以后可視化?；蛘?，當您只需要學習區(qū)分輸入信號的有用屬性時。

＃7深度信念網絡和受限玻爾茲曼機器

受限玻爾茲曼機是一個隨機神經網絡（神經網絡，意味著我們有類似神經元的單元，其binary激活取決于它們所連接的相鄰單元；隨機意味著這些激活具有概率性元素），它包括：

可見單位層

隱藏單元層

偏差單元

此外，每個可見單元連接到所有的隱藏單元（這種連接是無向的，所以每個隱藏單元也連接到所有的可見單元），而偏差單元連接到所有的可見單元和所有的隱藏單元。

為了使學習更容易，我們對網絡進行了限制，使任何可見單元都不連接到任何其他可見單元，任何隱藏單元都不連接到任何其他隱藏單元。

多個RBM可以疊加形成一個深度信念網絡。它們看起來完全像全連接層，但但是它們的訓練方式不同。

＃8生成對抗網絡（GAN）

GAN正在成為一種流行的在線零售機器學習模型，因為它們能夠以越來越高的準確度理解和重建視覺內容。用例包括：

從輪廓填充圖像。

從文本生成逼真的圖像。

制作產品原型的真實感描述。

將黑白圖像轉換為彩色圖像。

在視頻制作中，GAN可用于：

在框架內模擬人類行為和運動的模式。

預測后續(xù)的視頻幀。

創(chuàng)建deepfake

生成對抗網絡（GAN）有兩個部分：

生成器學習生成可信的數(shù)據。生成的實例成為判別器的負面訓練實例。

判別器學會從數(shù)據中分辨出生成器的假數(shù)據。判別器對產生不可信結果的發(fā)生器進行懲罰。

建立GAN的第一步是識別所需的最終輸出，并根據這些參數(shù)收集初始訓練數(shù)據集。然后將這些數(shù)據隨機化并輸入到生成器中，直到獲得生成輸出的基本精度為止。

然后，將生成的圖像與原始概念的實際數(shù)據點一起饋入判別器。判別器對信息進行過濾，并返回0到1之間的概率來表示每個圖像的真實性（1與真相關，0與假相關）。然后檢查這些值是否成功，并不斷重復，直到達到預期的結果。

＃9Transformers

Transformers也很新，它們主要用于語言應用。它它們基于一個叫做注意力的概念，這個概念被用來迫使網絡將注意力集中在特定的數(shù)據點上。

由于LSTM單元過于復雜，因此可以使用注意力機制根據其重要性對輸入的不同部分進行權衡。注意力機制只不過是另一個具有權重的層，它的唯一目的是調整權重，使輸入的部分優(yōu)先化，同時排除其他部分。

實際上，Transformers由多個堆疊的編碼器（形成編碼器層），多個堆疊的解碼器（解碼器層）和一堆attention層（self- attentions和encoder-decoder attentions）組成

Transformers設計用于處理諸如機器翻譯和文本摘要之類的各種任務的有序數(shù)據序列，例如自然語言。如今，BERT和GPT-2是兩個最著名的經過預先訓練的自然語言系統(tǒng)，用于各種NLP任務中，它們都基于Transformers。

＃10圖神經網絡

一般來說，非結構化數(shù)據并不適合深度學習。在許多實際應用中，數(shù)據是非結構化的，例如社交網絡，化合物，知識圖，空間數(shù)據等。

圖神經網絡的目的是對圖數(shù)據進行建模，這意味著它們識別圖中節(jié)點之間的關系，并對其進行數(shù)值表示。它們以后可以在任何其他機器學習模型中用于各種任務，例如聚類，分類等。