你有沒有想做一件事，睡不著覺的沖動，有沒有想做一件事，在睜眼的那一刻就能起來的毅力。這兩樣你都有，那你可以好好學(xué)習這個。真的是持之以恒。

不管是AI也好，其他學(xué)科也好，學(xué)習、研究的過程中不斷反思學(xué)科的歷史，總結(jié)學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀，找出最重要的理念，總能讓人能“吾道一以貫之”。軟件工程師James Le近期根據(jù)他研究的經(jīng)驗總結(jié)出了AI研究必須要知道的十種深度學(xué)習方法，非常具有啟發(fā)性。AI科技評論編譯如下。

The 10 Deep Learning Methods AI Practitioners Need to Apply

人們對機器學(xué)習的興趣在過去十年經(jīng)歷了爆炸式的發(fā)展。計算機科學(xué)項目中、業(yè)界會議中、媒體報道中，你都能夠看到機器學(xué)習的影子。但是似乎所有關(guān)于機器學(xué)習的討論中，人們常常會把AI能做什么和他們希望AI能做什么混為一談。

從根本上來講，機器學(xué)習其實就是使用算法從原始數(shù)據(jù)中提取信息，并以某種類型的模型表示出來；然后我們使用這個模型來推斷我們尚未建模的其他數(shù)據(jù)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為機器學(xué)習的一類模型，它們已經(jīng)存在了至少50年。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元是節(jié)點，大致上模仿了哺乳動物大腦中的生物神經(jīng)元的節(jié)點；節(jié)點之間的鏈接（也是模仿生物大腦）隨著時間的推移（訓(xùn)練）而演化。

在上世紀八十年代中期和九十年代早期，許多重要的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架都已經(jīng)做出了，不過要想獲得好的結(jié)果還需要足夠強大的計算能力和大體量的數(shù)據(jù)集，這些當時在當時很不理想，所以也導(dǎo)致人們對機器學(xué)習的熱情逐漸冷淡了下來。在21世紀初，計算機的計算能力呈現(xiàn)了指數(shù)級的增長——業(yè)界見證了計算機技術(shù)的“寒武紀大爆發(fā)”，這在之前幾乎是不可想象的。深度學(xué)習作為這個領(lǐng)域中一個重要的架構(gòu)，在計算能力爆發(fā)式增長的十年中，贏得了許多重要的機器學(xué)習競賽。這個紅利的熱度直到今年仍未降溫；今天，我們看到在機器學(xué)習的每個角落里都會提到深度學(xué)習。

為了更深入地了解這些，我參加了一門“深度學(xué)習”課程，并開發(fā)了一個圖像識別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）和長短項記憶（LSTM）的自然語言處理?？梢匀ノ业腉ithub倉庫中查看這些代碼：

最近，我也開始閱讀一些深度學(xué)習方面的學(xué)術(shù)論文。下面這些是我收集到的幾篇對深度學(xué)習領(lǐng)域的發(fā)展有重大影響的幾篇論文：

1、Gradient-Based Learning Applied to Document Recognition (1998)

意義：向機器學(xué)習世界引進了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

作者：Yann LeCun, Leon Bottou, Yoshua Bengio, and Patrick Haffner

2、Deep Boltzmann 電銷機器人hines (2009)

意義：為玻爾茲曼機提出了一種新的學(xué)習算法，其中包含許多隱藏變量層。

作者：Ruslan Salakhutdinov, Geoffrey Hinton

3、Building High-Level Features Using Large-Scale Unsupervised Learning (2012)

意義：解決了僅從未標記的數(shù)據(jù)構(gòu)建高層次、特定類別的特征檢測器的問題。

作者：Quoc V. Le，Marc’Aurelio Ranzato，Rajat Monga，Matthieu Devin，Kai Chen，Greg S. Corrado，Jeff Dean，Andrew Y. Ng

4、DeCAF?—?A Deep Convolutional Activation Feature for Generic Visual Recognition (2013)

意義：釋放了一個深度卷積激活特征的開源實現(xiàn)——DeCAF，以及所有相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使視覺研究人員能夠深入地在一系列視覺概念學(xué)習范例中進行實驗。

作者：Jeff Donahue，Yangqing Jia，Oriol Vinyals，Judy Hoffman，Ning Zhang，Eric Tzeng，Trevor Darrell

5、Playing Atari with Deep Reinforcement Learning (2016)

~vmnih/docs/dqn.pdf

意義：提供了第一個可以使用強化學(xué)習從高維感官輸入中直接學(xué)習控制策略的深度學(xué)習模型。

作者：Volodymyr Mnih，Koray Kavukcuoglu，David Silver，Alex Graves，Ioannis Antonoglou，Daan Wierstra，Martin Riedmiller（DeepMind 團隊）

在這些學(xué)習和研究中，我發(fā)現(xiàn)大量非常有意思的知識點。在這里我將分享十個深度學(xué)習的方法，AI工程師可能會將這些應(yīng)用到他們的機器學(xué)習問題當中。

不過，首先先讓我們來定義一下什么是“深度學(xué)習”。對很多人來說，給“深度學(xué)習”下一個定義確實很有挑戰(zhàn)，因為在過去的十年中，它的形式已經(jīng)慢慢地發(fā)生了很大的變化。

先來在視覺上感受一下“深度學(xué)習”的地位。下圖是AI、機器學(xué)習和深度學(xué)習三個概念的一個關(guān)系圖。

AI的領(lǐng)域要相對較廣泛，機器學(xué)習是AI的一個子領(lǐng)域，而深度學(xué)習是機器學(xué)習領(lǐng)域中的一個子集。

深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)與“典型”的前饋多層網(wǎng)絡(luò)之間是有一些區(qū)別的，如下：

因此深度學(xué)習可以被定義為在以下四個基本網(wǎng)絡(luò)框架中擁有大量參數(shù)和層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：

在這篇文章中，我主要對后三個框架比較感興趣。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 基本上就是用共享權(quán)重在空間中進行擴展的標準神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計CNN主要是為了通過內(nèi)部卷積來識別圖片，內(nèi)部卷積可以看到待識別物體的邊。

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 基本上是在時間上進行擴展的標準神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，因為邊進入下一個時間步，而不是在同一時間步進入下一個層。設(shè)計RNN主要是為了識別序列，例如語音信號或者文本。它里面的循環(huán)意味著網(wǎng)絡(luò)中存在短暫的記憶。

遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 更類似于分層網(wǎng)絡(luò)，其中輸入序列沒有真正的時間面，而是輸入必須以樹狀方式分層處理。

以下10種方法可以應(yīng)用于所有這些體系結(jié)構(gòu)。

1、反向傳播

反向傳播是“誤差反向傳播”的簡稱，它是一種計算函數(shù)（在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中以函數(shù)形式存在）偏微分的方法。當你要用一個基于梯度的方法來解決一個最優(yōu)問題時（注意梯度下降只是解決這類問題的一種方法），你希望在每一次迭代中計算函數(shù)梯度。

對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而言，目標函數(shù)具有合成的形式。那么如何計算梯度呢？一般情況下有兩種常見的方法：

1）微分分析法。當你知道這個函數(shù)的形式時，你只需要用鏈式法則計算導(dǎo)數(shù)即可；

2）用有限差分方法來近似微分。這種方法的計算量很大，因為函數(shù)評估的數(shù)量是O（N），其中N是參數(shù)的數(shù)量。與微分分析法相比，這是比較昂貴的。不過，有限差分通常在調(diào)試時驗證后端實現(xiàn)。

2、隨機梯度下降

一個直觀理解梯度下降的方法是去想象一條溯源山頂?shù)暮恿?。這條河流會沿著山勢梯度的方向流向山麓下的最低點。

如果讓人來走，可能就不一樣了，你可能會先隨便選一個方向，然后沿著這個方向的梯度向下走；過一會兒再隨機換一個方向向下走；最后你發(fā)現(xiàn)自己差不多也到了谷底了。

數(shù)學(xué)化的理解就是：

隨機梯度下降主要用來求解類似于如下求和形式的優(yōu)化問題：

梯度下降法：

當n很大時，每次迭代計算所有的梯度會非常耗時。隨機梯度下降的想法就是每次在Delta f_i 中隨機選取一個計算代替上面的Delta f_i，以這個隨機選取的方向作為下降的方向。這樣的方法反而比梯度下降能夠更快地到達（局部）最優(yōu)解。

3、學(xué)習率衰減

在訓(xùn)練模型的時候，通常會遇到這種情況：我們平衡模型的訓(xùn)練速度和損失（loss）后選擇了相對合適的學(xué)習率（learning rate），但是訓(xùn)練集的損失下降到一定的程度后就不在下降了，比如training loss一直在0.7和0.9之間來回震蕩，不能進一步下降。如下圖所示：

遇到這種情況通常可以通過適當降低學(xué)習率（learning rate）來實現(xiàn)。但是，降低學(xué)習率又會延長訓(xùn)練所需的時間。

學(xué)習率衰減（learning rate decay）就是一種可以平衡這兩者之間矛盾的解決方案。學(xué)習率衰減的基本思想是：學(xué)習率隨著訓(xùn)練的進行逐漸衰減。

學(xué)習率衰減基本有兩種實現(xiàn)方法：

4、dropout

在當前的大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中有兩個缺點：

Dropout 可以很好地解決這個問題。Dropout說的簡單一點就是在前向傳導(dǎo)的時候，讓某個神經(jīng)元的激活值以一定的概率p停止工作，示意圖如下：

每次做完dropout，相當于從原始的網(wǎng)絡(luò)中找到一個更瘦的網(wǎng)絡(luò)。

Hinton在其論文中做了這樣的類比，無性繁殖可以保留大段的優(yōu)秀基因，而有性繁殖則將基因隨機拆了又拆，破壞了大段基因的聯(lián)合適應(yīng)性；但是自然選擇了有性繁殖，物競天擇，適者生存人工智能，可見有性繁殖的強大。dropout 也能達到同樣的效果，它強迫一個神經(jīng)單元，和隨機挑選出來的其他神經(jīng)單元共同工作，消除減弱了神經(jīng)元節(jié)點間的聯(lián)合適應(yīng)性，增強了泛化能力。

5、max pooling

池化（Pooling）是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中另一個重要的概念，它實際上是一種形式的向下采樣。有多種不同形式的非線性池化函數(shù)，而其中“最大池化（Max pooling）”是最為常見的。它是將輸入的圖像劃分為若干個矩形區(qū)域，對每個子區(qū)域輸出最大值。

直覺上，這種機制能夠有效地原因在于，在發(fā)現(xiàn)一個特征之后，它的精確位置遠不及它和其他特征的相對位置的關(guān)系重要。池化層會不斷地減小數(shù)據(jù)的空間大小，因此參數(shù)的數(shù)量和計算量也會下降，這在一定程度上也控制了過擬合。通常來說，CNN的卷積層之間都會周期性地插入池化層。

6、批標準化

包括深度網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要仔細調(diào)整權(quán)重初始化和學(xué)習參數(shù)。批標準化使這些變得輕松許多。

權(quán)重問題：

在反向傳播過程中，這些現(xiàn)象會導(dǎo)致梯度彌散。這就意味著在學(xué)習權(quán)重產(chǎn)生所需要的輸出前，必須對梯度的異常值進行補償，這將導(dǎo)致需要額外的時段來收斂。

批量歸一化使這些梯度從分散到正常值并在小批量范圍內(nèi)流向共同目標（通過歸一化）。

學(xué)習率問題：一般來說，學(xué)習率需要保持較低的值，使得只有一小部分的梯度來校正權(quán)重，原因是要使異常激活的梯度不影響已學(xué)習到的激活。通過批量標準化，可以減少這些異常激活，因此也就可以使用更高的學(xué)習率來加速學(xué)習過程。

7、long short-term memory

LSTM網(wǎng)絡(luò)具有以下三個方面，使其與循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的常見神經(jīng)元不同：

1）它能夠決定何時讓輸入進入神經(jīng)元；

2）它能夠決定何時記住上一個時間步中計算的內(nèi)容；

3）它決定何時讓輸出傳遞到下一個時間步。

LSTM的美妙之處在于它能夠根據(jù)當前的輸入本身來決定所有這些。 所以你看下面的圖表：

當前時間的輸入信號x（t）決定所有上述3個點。 輸入門決定點1，遺忘門決定點2，輸出門決定點3。任何一條輸入都能夠采取所有這三個決定。這種設(shè)計其實是受到了我們大腦如何工作的啟發(fā)，并且可以基于輸入來處理突然的上下文切換。

8、skip-gram

詞嵌入模型的目標是為每個詞項學(xué)習一個高維密集表示，其中嵌入向量之間的相似性顯示了相應(yīng)詞之間的語義或句法相似性。 Skip-gram是一個學(xué)習詞嵌入算法的模型。

skip-gram模型（以及許多其他的詞語嵌入模型）背后的主要思想如下：兩個詞項相似，如果它們共享相似的上下文。

換句話說，假設(shè)你有一個句子，例如“貓是哺乳動物”；如果你用“狗”而不是“貓”，這個句子還是一個有意義的句子。因此在這個例子中，“狗”和“貓”可以共享相同的上下文（即“是哺乳動物”）。

基于上述假設(shè)，你可以考慮一個上下文窗口（一個包含k個連續(xù)項的窗口），然后你跳過其中一個單詞，試著去學(xué)習一個能夠得到除跳過項外的所有項的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并預(yù)測跳過的這個項。如果兩個詞在一個大語料庫中反復(fù)共享相似的語境，則這些詞的嵌入向量將具有相近的向量。

9、連續(xù)詞袋

在自然語言處理問題中，我們希望學(xué)習將文檔中的每個單詞表示為一個數(shù)字的向量，使得出現(xiàn)在相似的上下文中的單詞具有彼此接近的向量。在連續(xù)的單詞模型中，目標是能夠使用圍繞特定單詞的上下文并預(yù)測特定單詞。

我們通過在一個大的語料庫中采取大量的句子來做到這一點，每當我們看到一個單詞時，我們就提取周圍的單詞。 然后，我們將上下文單詞輸入到一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并預(yù)測在這個上下文中間的單詞。

當我們有成千上萬個這樣的上下文單詞和中間詞時，我們就有一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的實例。 我們訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，最后編碼的隱藏層輸出表示了特定單詞的嵌入。 恰巧，當我們對大量的句子進行訓(xùn)練時，類似語境中的單詞得到相似的向量。

10、遷移學(xué)習

讓我們想一下如何在CNN中處理一張圖片。假設(shè)有一張圖片，你對它進行卷積處理，然后你得到的輸出是像素的組合，我們姑且稱之為“邊”吧。我們再次使用卷積，這時候你得到的輸出將是邊的組合，我們稱之為“線”。如果再次使用卷積，那么你將得到線的組合，等等。

每一層都是在尋找相應(yīng)的特定模式。你的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最后一層一般會給出非常特定的模式。也許你在處理ImageNet，你的網(wǎng)絡(luò)最后一層可能是在找孩子、狗或飛機或別的任何東西。如果你向前兩層看，網(wǎng)絡(luò)可能是在找眼睛、耳朵、嘴巴或者輪子。

深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的每一層的深入都是在構(gòu)建越來越高層次的特征表示。最后兩層會產(chǎn)生你輸入模型的數(shù)據(jù)中的特定模式。換句話說，早期的層提取的特征則廣泛得多，在提取的大量的類中有很多簡單的模式。

遷移學(xué)習就是當你用一個數(shù)據(jù)集訓(xùn)練CNN時，砍掉最后的一（些）層，再用另一個不同的數(shù)據(jù)集重新訓(xùn)練最后一（些）層的模型。直觀地說，你在重新訓(xùn)練模型來識別不同的高級層次特征。作為結(jié)果，訓(xùn)練時間大幅減少。所以當你沒有足夠的數(shù)據(jù)或者訓(xùn)練的資源時，遷移學(xué)習是非常有用的一個工具。

這篇文章只是展示了這些方法的一般概述。我建議閱讀下面這些文章以獲得對這些概念更詳細的解釋：

深度學(xué)習非常注重技術(shù)，而對每一個新的想法卻沒有太多具體的解釋。大多數(shù)新的idea只是用實驗結(jié)果來證明它們的工作。深度學(xué)習就像玩樂高，掌握它有一定的挑戰(zhàn)性人工智能，但是入門還是很容易的。