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深度學習算法簡介
神經網絡：基礎
神經網絡是一個具有相互連接的節點的計算系統，其節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別呢？最明顯的區別是：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督學習算法。本質上，反向傳播計算成本函數的導數的表達式，它是每一層之間從左到右的導數乘積，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)，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化技術來實現的。
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。現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據之間的非線性的關系。
前饋網絡的目標是近似某個函數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逼近的參數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，對象監測和交通標志識別等領域。
在數學中，卷積是一個函數越過另一個函數時兩個函數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，位置由垂直的綠色線表示。灰色區域表示乘積g(tau)f(t-tau)作為t的函數，所以它的面積作為t的函數就是卷積。
這兩個函數在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據而不能泛化時)，這使得他們能夠很好地識別數據之間的空間關系。
＃4循環神經網絡（RNN）
循環神經網絡在許多NLP任務中都非常成功。在傳統的神經網絡中，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，是因為它們對序列的每個元素執行相同的任務，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。這是網絡的“內存”。s_t作為函數取決于先前的狀態和當前輸入x_t：s_t = f（Ux_t + Ws_ {t-1}）。函數f通常是非線性的，例如tanh或ReLU。計算第一個隱藏狀態所需的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的方式。
LSTM中的memory稱為cells，您可以將其視為接受先前狀態h_ {t-1}和當前輸入參數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，當前memory和輸入參數組合在一起。
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。或降低數據中的維度以供以后可視化。或者，當您只需要學習區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。
預測后續的視頻幀。
創建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。
判別器學會從數據中分辨出生成器的假數據。判別器對產生不可信結果的發生器進行懲罰。
建立GAN的第一步是識別所需的最終輸出，并根據這些參數收集初始訓練數據集。然后將這些數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，用于各種NLP任務中，它們都基于Transformers。
＃10圖神經網絡
一般來說，非結構化數據并不適合深度學習。在許多實際應用中，數據是非結構化的，例如社交網絡，化合物，知識圖，空間數據等。
圖神經網絡的目的是對圖數據進行建模，這意味著它們識別圖中節點之間的關系，并對其進行數值表示。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。
