AI基础知识

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1.激活函数

1️⃣ 激活函数的作用

激活函数为神经网络引入非线性，如果没有激活函数，即使网络层数再多，也只能处理线性可分问题。

2️⃣ sigmoid函数

sigmoid函数将输入变换为(0,1)上的输出。它将范围(-inf,inf)中的任意输入压缩到区间(0,1)中，函数表示为：
$$sigmoid(x)=\frac{1}{1+e^{-x}}$$

其梯度可以表示为：
$$\frac{d}{dx}sigmoid(x)=\frac{e^{-x}}{(1+e^{-x}{)}^2}=sigmoid(x)[1-sigmoid(x)]$$

可以发现，sigmoid函数的梯度在0到0.25之间。输入很大或很小时会趋于0，当网络变得越来越深时，会出现梯度消失问题。

优点：

• 能够将自变量的值全部压缩到(0,1)之间
• 连续可导

缺点：

• 输入趋于无穷大或无穷小时会出现梯度消失问题
• 存在幂运算，计算复杂度大

3️⃣ tanh函数

tanh函数将其输入压缩转换到区间(-1,1)上，公式如下：
$$tanh(x)=\frac{1-e^{-2x}}{1+e^{-2x}}$$

tanh函数的梯度是：
$$\frac{d}{dx}tanh(x)=1-tan{h}^2(x)$$

可以发现当输入接近0时，tanh函数的梯度接近最大值1。与sigmoid函数的梯度类似，输入在任一方向上远离0点，梯度越接近0，因此也存在梯度消失问题。

优点

• 相比于Sigmoid，tanh在输入靠近0的区域，梯度为1，有助于收敛。但输入趋于无穷大或无穷小时会出现梯度消失问题

缺点

• 和sigmoid函数一样，输入趋于无穷大或无穷小时会出现梯度消失问题
• 同样存在幂运算，计算复杂度大

4️⃣ ReLu

线性整流单元（ReLU）提供了一种非常简单的非线性变换，被定义为：
$$ReLu(x)=max(x,0)$$

其梯度可以表示为：
$$f^{{}^{\prime }}(x)=\{\begin{array}{ll}1,\text{x}>0& \\ 0,\text{x}<0& \end{array}$$

当输入为正时，ReLU函数的梯度为1；当输入值等于0时，梯度可以当成1也可以当成0，实际应用中并不影响；输入小于0时，梯度直接为0，但在神经网络训练过程中，输入小于0的神经元占比很少。因此ReLu函数可以有效缓解梯度消失问题。

优点

• 相较于sigmoid和tanh，relu在输入大于0时，梯度恒为1，不会出现梯度消失问题
• 线性函数，收敛快

缺点：

• dead relu问题：当输入小于0时，梯度为0，导致参数无法更新

5️⃣ Leaky ReLU

在小于0的部分引入一个斜率，使得小于0的取值不再是0（通常a的值为0.01左右）：
$$f(x)=\{\begin{array}{llc}a\cdot x& \text{ x <=0}& \\ x& \text{ x>0}& \end{array}$$
其梯度可以表示为：
$$f^{\prime }(x)=\{\begin{array}{llc}a& \text{ x <=0}& \\ 1& \text{ x>0}& \end{array}$$
优点：

• 解决了dead relu问题

缺点：

• 负斜率需要预先设定，但不同任务的斜率可能不同

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2.Softmax函数

softmax函数常用于多分类任务，将输入映射成一个0到1范围的概率，且所有的输出和为1

假设输入为$z=[z_1,z_2,\dots ,z_n]$ ,Softmax 函数的输出为：
$$\mathrm{softmax}(z_i)=\frac{e^{z_i}}{{\sum }_{j=1}^n{e}^{z_j}}$$

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3.优化器

1️⃣ 优化器的作用

优化器的作用是调整模型参数，以最小化损失函数

2️⃣ BGD（批梯度下降）

在更新参数时使用所有样本进行更新，假设样本总数为N：
$${\theta }^{\prime }=\theta -\eta \cdot \frac{1}{N}\sum _{i=1}^N{\nabla }_{\theta }J(\theta )$$
其中，$\eta$为学习率，${\nabla }_{\theta }J(\theta )$是损失函数对网络参数$\theta$的梯度。

优点：

• BGD得到的是一个全局最优解，

缺点：

• 每迭代一步，都要用到训练集的所有数据，如果样本数巨大，模型训练速度会很慢。

3️⃣ SGD（随机梯度下降）

SGD 是最基本的优化方法。每次更新权重时，使用一个样本或batch size个样本（多个样本则计算平均梯度）计算梯度：

参数更新公式：

$${\theta }^{\prime }=\theta -\eta \cdot {\nabla }_{\theta }J(\theta )$$
其中，$\theta$是参数，$\eta$是学习率，${\nabla }_{\theta }J(\theta )$是损失函数对网络参数$\theta$的梯度。

优点：

• 实现简单、效率高

缺点：

• 收敛速度慢，容易陷入局部最优解

4️⃣ MBGD（Mini Batch梯度下降）

介于批梯度下降和随机梯度下降之间，每次更新参数时使用b个样本。
$${\theta }^{\prime }=\theta -\eta \cdot \frac{1}{b}\sum _{i=1}^b{\nabla }_{\theta }J(\theta )$$

特点：

• 训练过程比较稳定；BGD可以找到局部最优解，不一定是全局最优解；若损失函数为凸函数，则BGD所求解一定为全局最优解。

5️⃣ AdaGrad（自适应学习率优化器）

AdaGrad优点是可以自适应学习率。该优化器在较为平缓处有比较高的学习效率，在陡峭处学习率小，在一定程度上可以避免越过极小值。

6️⃣ RMSProp（Root Mean Square Propagation）

AdaGrad算法虽然解决了学习率无法根据当前梯度自动调整的问题，但是过于依赖之前的梯度，在梯度突然变化时无法快速响应。RMSProp为了解决这一问题，在AdaGrad的基础上增加了衰减速率参数。也就是说在当前梯度与之前梯度之间添加了权重，如果当前梯度的权重较大，那么响应速度也就更快

7️⃣ Adam（Adaptive Momen Estimation，自适应动量估计）

Adam优化算法是在RMSProp的基础上增加了动量。有时候通过RMSProp优化算法得到的值不是最优解，有可能是局部最优解，引入动量的概念后，求最小值就像是一个球从高处落下，落到局部最低点时会继续向前探索，有可能得到更小的值

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4.梯度消失和爆炸

1️⃣ 梯度消失

• 激活函数的特性：sigmoid和tanh在输入趋于无穷大或无穷小时会出现梯度消失问题
• 深度网络层数累计：随着层数增多，反向传播时梯度会逐层相乘，导致梯度逐渐减小
• 权重初始化不当：如果初始化权重过小，反向传播时梯度会减小，导致梯度消失

如何解决？

• 使用relu激活函数
• 使用 Batch Normalization：通过对每一层的输出进行归一化，保持输出在一个稳定的分布范围内，防止梯度逐层缩小

2️⃣ 梯度爆炸

• 深度网络层数累计：若每层的梯度稍大，梯度逐层相乘会导致梯度爆炸
• 权重初始化不当：如果初始化权重过大，反向传播时梯度会变大，导致梯度爆炸

如何解决？

• 合适的权重初始化

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5.输入数据的归一化

输入数据的归一化可以使数据分布一致，加快收敛速度。

1️⃣ 标准化

将数据调整为均值为 0、标准差为1的分布：

$$x^{\prime }=\frac{x-\mu }{\sigma }$$

其中$x$是原始数据，$\mu$是数据的均值，$\sigma$是数据的标准差。

2️⃣最小-最大归一化

$$x^{\prime }=\frac{x-\min (x)}{\max (x)-\min (x)}$$

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6.神经网络层内部的归一化

1️⃣ 批量归一化

没写

2️⃣ 层归一化

没写

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7.如何处理过拟合？

1️⃣ Dropout

训练时随机丢弃部分神经元，减少神经元之间的相互依赖，迫使网络学习更加鲁邦的表示，防止过拟合。

2️⃣ 增大数据量

增大的数据量可以使模型学习到更多的特征，防止过拟合

3️⃣Early Stop。

将数据集分为训练集、验证集、测试集，每个epoch后都用验证集验证一下，如果随着训练的进行训练集Loss持续下降，而验证集Loss先下降后上升，说明出现过拟合，应该立即停止训练

4️⃣Batch Normalization

没写

5️⃣ L1正则化

没写

6️⃣ L2正则化

没写

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8.全连接层的作用

• 特征融合：将前一层的所有特征融合成更高层次的特征
• 决策输出：全连接层放在网络的末端，将提取的特征映射到类别，实现分类任务

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9.池化

1️⃣ 平均池化

2️⃣ 最大池化

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10.卷积的感受野

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