1、深度学习(Deep Learning)及其优化方法,1/25,报告人：胡海根E-mail:,浙江工业大学计算机学院,Outline,2/25,深度学习的概念,3/25,什么是deep learning?深度学习：一种基于无监督特征学习和特征层次结构的学习方法。本质：通过构建多隐层的模型和海量训练数据，来学习更有用的特征，从而最终提升分类或预测的准确性。含多隐层的多层感知器就是一种深度学习结构。,DL训练过程,4/25,深度学习的基本思想：对于Deep Learning，需要自动地学习特征，假设有一堆输入I，输出是O，设计一个系统S（有n层），形象地表示为：I=S1=S2=.=Sn=O，通过调整
2、系统中参数，使得它的输出仍然是输入I，那么就可以自动地获取得到输入I的一系列层次特征，即S1，.,Sn。用自下而上的无监督学习 1）逐层构建单层神经元。2）每层采用wake-sleep算法进行调优。每次仅调整一层，逐层调整。,5/25,第二步：自顶向下的监督学习 这一步是在第一步学习获得各层参数进的基础上，在最顶的编码层添加一个分类器（如，SVM等），而后通过带标签数据的监督学习，利用梯度下降法去微调整个网络参数。,DL训练过程,6/25,深度学习的具体模型及方法：1、自动编码器（AutoEncoder）2、稀疏自动编码器(Sparse AutoEncoder)3、限制波尔兹曼机（Restri
3、cted Boltzmann Machine）4、深信度网络（Deep Belief Networks）5、卷积神经网络（Convolutional Neural Networks）,DL训练过程,自动编码器,7/25,1、自动编码器（AutoEncoder）通过调整encoder和decoder的参数，使得重构误差最小，就得到了输入input信号的第一个表示了，也就是编码code了。因为是无标签数据，所以误差的来源就是直接重构后与原输入相比得到。,稀疏自动编码器,8/25,如上图，其实就是限制每次得到的表达code尽量稀疏。因为稀疏的表达往往比其他的表达要有效。,2、稀疏自动编码器(Spar
4、se AutoEncoder)AutoEncoder的基础上加上L1的Regularity限制（L1主要是约束每一层中的节点中大部分都要为0，只有少数不为0），就可以得到Sparse AutoEncoder法。,RBM,9/25,3、限制波尔兹曼机（RBM）定义：假设有一个二部图，同层节点之间没有链接，一层是可视层，即输入数据层（v)，一层是隐藏层(h)，如果假设所有的节点都是随机二值（0，1）变量节点，同时假设全概率分布p(v,h)满足Boltzmann分布，称这个模型是RBM。,RBM,10/25,给定隐层h的基础上，可视层的概率确定：（可视层节点之间是条件独立的）给定可视层v的基础上，隐
5、层的概率确定：给定一个满足独立同分布的样本集：D=v(1),v(2),v(N)，我们需要学习参数=W,a,b。最大似然估计：对最大对数似然函数求导，就可以得到L最大时对应的参数W了。,DBN,10/25,DBNs由多个限制玻尔兹曼机（RBM）层组成，一个典型的神经网络类型如下图所示。,CNN,10/25,5、卷积神经网络（Convolutional Neural Networks）卷积神经网络是一个多层的神经网络，每层由多个二维平面组成，而每个平面由多个独立神经元组成。CNNs是第一个真正成功训练多层网络结构的学习算法。,核心思想：局部感受野、权值共享以及时间或空间子采样这三种结构思想结合起来
6、获得某种程度的位移、尺度、形变不变性。,Loss Function一般形式,10/25,Loss Function一般形式,10/25,回归函数及目标函数以均方误差作为目标函数（损失函数），目的是使其值最小化，用于优化上式。,数学概念,10/25,1、梯度（一阶导数）某一点的梯度方向是在该点坡度最陡的方向，而梯度的大小告诉我们坡度到底有多陡；对于一个含有 n 个变量的标量函数，即函数输入一个 n 维 的向量，输出一个数值，梯度可以定义为：,数学概念,10/25,2、Hesse 矩阵（二阶导数）Hesse 矩阵常被应用于牛顿法解决的大规模优化问题，主要形式如下：,当 f(x)是下列形式：其中x为列向量，A 是 n 阶对称矩阵，b 是 n 维列向量，c 是常数。f(x)梯度是 Ax+b,Hesse 矩阵等于 A。,数学概念,10/25,3、Jacobian 矩阵Jacobian 矩阵实际上是向量值函数的梯度矩阵，假设F:RnRm 是一个从n维欧氏空间转换到m维欧氏空间的函数。这个函数由m个实函数组成:,这些函数的偏导数(如果存在)可以组成一个m行n列的矩阵(m
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