Dive into Deep Learning¶

预备知识¶

要学习深度学习，首先需要先掌握一些基本技能。所有机器学习方法都涉及从数据中提取信息。因此，我们先学习一些关于数据的实用技能，包括存储、操作和预处理数据。

机器学习通常需要处理大型数据集。我们可以将某些数据集视为一个表，其中表的行对应样本，列对应属性。线性代数为人们提供了一些用来处理表格数据的方法。我们不会太深究细节，而是将重点放在矩阵运算的基本原理及其实现上。

深度学习是关于优化的学习。对于一个带有参数的模型，我们想要找到其中能拟合数据的最好模型。在算法的每个步骤中，决定以何种方式调整参数需要一点微积分知识。本章将简要介绍这些知识。幸运的是，autograd包会自动计算微分，本章也将介绍它。

机器学习还涉及如何做出预测：给定观察到的信息，某些未知属性可能的值是多少？要在不确定的情况下进行严格的推断，我们需要借用概率语言。

最后，官方文档提供了本书之外的大量描述和示例。在本章的结尾，我们将展示如何在官方文档中查找所需信息。

线性神经网络¶

在介绍深度神经网络之前，我们需要了解神经网络训练的基础知识。本章我们将介绍神经网络的整个训练过程，包括：定义简单的神经网络架构、数据处理、指定损失函数和如何训练模型。为了更容易学习，我们将从经典算法————线性神经网络开始，介绍神经网络的基础知识。经典统计学习技术中的线性回归和softmax回归可以视为线性神经网络，这些知识将为本书其他部分中更复杂的技术奠定基础。

多层感知机¶

本章中，我们将第一次介绍真正的深度网络。最简单的深度网络称为多层感知机。多层感知机由多层神经元组成，每一层与它的上一层相连，从中接收输入；同时每一层也与它的下一层相连，影响当前层的神经元。当我们训练容量较大的模型时，我们面临着过拟合的风险。因此，本章将从基本的概念介绍开始讲起，包括过拟合、欠拟合和模型选择。为了解决这些问题，本章将介绍权重衰减和暂退法等正则化技术。我们还将讨论数值稳定性和参数初始化相关的问题，这些问题是成功训练深度网络的关键。在本章的最后，我们将把所介绍的内容应用到一个真实的案例：房价预测。关于模型计算性能、可伸缩性和效率相关的问题，我们将放在后面的章节中讨论。

深度学习计算¶

除了庞大的数据集和强大的硬件，优秀的软件工具在深度学习的快速发展中发挥了不可或缺的作用。从2007年发布的开创性的Theano库开始，灵活的开源工具使研究人员能够快速开发模型原型，避免了我们使用标准组件时的重复工作，同时仍然保持了我们进行底层修改的能力。随着时间的推移，深度学习库已经演变成提供越来越粗糙的抽象。就像半导体设计师从指定晶体管到逻辑电路再到编写代码一样，神经网络研究人员已经从考虑单个人工神经元的行为转变为从层的角度构思网络，通常在设计架构时考虑的是更粗糙的块（block）。

之前我们已经介绍了一些基本的机器学习概念，并慢慢介绍了功能齐全的深度学习模型。在上一章中，我们从零开始实现了多层感知机的每个组件，然后展示了如何利用高级API轻松地实现相同的模型。为了易于学习，我们调用了深度学习库，但是跳过了它们工作的细节。在本章中，我们将深入探索深度学习计算的关键组件，即模型构建、参数访问与初始化、设计自定义层和块、将模型读写到磁盘，以及利用GPU实现显著的加速。这些知识将使读者从深度学习“基础用户”变为“高级用户”。虽然本章不介绍任何新的模型或数据集，但后面的高级模型章节在很大程度上依赖于本章的知识。

卷积神经网络¶

在前面的章节中，我们遇到过图像数据。这种数据的每个样本都由一个二维像素网格组成，每个像素可能是一个或者多个数值，取决于是黑白还是彩色图像。到目前为止，我们处理这类结构丰富的数据的方式还不够有效。我们仅仅通过将图像数据展平成一维向量而忽略了每个图像的空间结构信息，再将数据送入一个全连接的多层感知机中。因为这些网络特征元素的顺序是不变的，因此最优的结果是利用先验知识，即利用相近像素之间的相互关联性，从图像数据中学习得到有效的模型。

本章介绍的卷积神经网络（convolutional neural network，CNN）是一类强大的、为处理图像数据而设计的神经网络。基于卷积神经网络架构的模型在计算机视觉领域中已经占主导地位，当今几乎所有的图像识别、目标检测或语义分割相关的学术竞赛和商业应用都以这种方法为基础。

现代卷积神经网络的设计得益于生物学、群论和一系列的补充实验。卷积神经网络需要的参数少于全连接架构的网络，而且卷积也很容易用GPU并行计算。因此卷积神经网络除了能够高效地采样从而获得精确的模型，还能够高效地计算。久而久之，从业人员越来越多地使用卷积神经网络。即使在通常使用循环神经网络的一维序列结构任务上（例如音频、文本和时间序列分析），卷积神经网络也越来越受欢迎。通过对卷积神经网络一些巧妙的调整，也使它们在图结构数据和推荐系统中发挥作用。

在本章的开始，我们将介绍构成所有卷积网络主干的基本元素。这包括卷积层本身、填充（padding）和步幅（stride）的基本细节、用于在相邻区域汇聚信息的汇聚层（pooling）、在每一层中多通道（channel）的使用，以及有关现代卷积网络架构的仔细讨论。在本章的最后，我们将介绍一个完整的、可运行的LeNet模型：这是第一个成功应用的卷积神经网络，比现代深度学习兴起时间还要早。在下一章中，我们将深入研究一些流行的、相对较新的卷积神经网络架构的完整实现，这些网络架构涵盖了现代从业者通常使用的大多数经典技术。

现代卷积神经网络¶

上一章我们介绍了卷积神经网络的基本原理，本章将介绍现代的卷积神经网络架构，许多现代卷积神经网络的研究都是建立在这一章的基础上的。在本章中的每一个模型都曾一度占据主导地位，其中许多模型都是ImageNet竞赛的优胜者。ImageNet竞赛自2010年以来，一直是计算机视觉中监督学习进展的指向标。

这些模型包括：

AlexNet。它是第一个在大规模视觉竞赛中击败传统计算机视觉模型的大型神经网络；
使用重复块的网络（VGG）。它利用许多重复的神经网络块；
网络中的网络（NiN）。它重复使用由卷积层和1×1卷积层（用来代替全连接层）来构建深层网络;
含并行连结的网络（GoogLeNet）。它使用并行连结的网络，通过不同窗口大小的卷积层和最大汇聚层来并行抽取信息；
残差网络（ResNet）。它通过残差块构建跨层的数据通道，是计算机视觉中最流行的体系架构；
稠密连接网络（DenseNet）。它的计算成本很高，但给我们带来了更好的效果。

虽然深度神经网络的概念非常简单——将神经网络堆叠在一起。但由于不同的网络架构和超参数选择，这些神经网络的性能会发生很大变化。本章介绍的神经网络是将人类直觉和相关数学见解结合后，经过大量研究试错后的结晶。我们会按时间顺序介绍这些模型，在追寻历史的脉络的同时，帮助培养对该领域发展的直觉。这将有助于研究开发自己的架构。例如，本章介绍的批量规范化（batch normalization）和残差网络（ResNet）为设计和训练深度神经网络提供了重要思想指导。