我如何理解深度学习？

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作者：傅一平  目前就职于某电信运营商，从事大数据相关工作。

Alphgo在围棋上战胜李世石属于里程碑的时间，因此，深度学习也被炒得很热，但什么叫深度学习，为什么是深度，其实大多不知道，如果解释成多层神经网络估计也没多少人明白。

即使你是搞建模的，假如没搞过神经网络，可能也不清楚，甚至你做过神经网络工程，但如果仅仅是调用一下算法库，也可能是一知半解。

当然，大数据时代，我们也许会用就可以了，特别是对于企业来讲，不用知道其原理。但深度学习作为一个方向性的东西，笔者总是想探究一些其本质的东西，特别是希望能理解深度学习理解世界的方式，也许其对于成长有所帮助。

虽然以前网上找过一些深度学习的资料，但一直启发有限，直到最近读到台湾大学李宏毅教授的一个深度学习的课件，还有很多知乎大神的解释，才有更多的领悟，今天，就顺着大师的脉络，以浅显的方式去认知深度学习。

这是篇普及基本知识的文章，有很多的图片辅助理解，笔者也尽量简单的描述，没有晦涩的公式，权当作为自己的读书笔记吧。

认识机器学习。

机器学习=寻找一个合适函数f，就是这么简单，这就是席卷全球的人工智能做的事情，下面一张图已经道尽了一切。

但寻找f这个函数是如此困难，比如下面我要用图像识别一只猫或狗：

我要做什么呢？

首先，寻找一堆的函数，比如f1,f2……。

其次，找到一堆训练用的猫狗图片，将图片输入到f中，获得对应的结果，比如，输入一只猫，函数告诉我这是一只猫，输入一只狗，函数告诉我是一只狗，否则，就换。

最后，选择识别正确的函数f作为结果，也就是我们通常所说的算法，或称模型，或称Alphgo，或者，这个f，就是所谓的人工智能。

下图示例了该过程：

再次，要用前面正确的f,输入一些新的猫的图片，看看这个f（即模型）靠不靠谱，这个过程也叫测试过程，即下图所示的Testing，而上图的过程，叫训练过程Training,大家听到阿尔法狗每天都要自我对局几千万盘，这个过程就叫Training。

这个是机器学习的基础知识，理解深度学习，这个是出发点，我想大多人都懂了，不懂，肯定是没认真看图解字。

人的大脑。

人的大脑有几十亿个被称作neuron（神经细胞、神经元）的微小细胞，这些神经元相互之间通过无数连接线组成，如果一个神经细胞在一段时间内受到高频率的刺激，则它和输入信号的神经细胞之间的连接强度就会按某种过程改变，使得该神经细胞下一次受到激励时更容易兴奋。

这个就是神经网络，人的认知模型，那么如何模拟神经网路，也就是如何模拟人的认知过程，也叫人工神经网络。

那么一个神经元neuron如何模拟？

下图是一个人工neuron的示意：

a指各种输入信息，比如图像信息的输入，w指权重，就是神经连接线被刺激后的大小，b指偏移量，最后，这些信息通过加权形成输入的z，z作为外部刺激的一种表达形式，统一通过一个激活函数σ的转换，给定最终的输出结果a。

这就是一个人工模拟的神经元过程，读懂它，再给你一个案例。

神经网络有太多的neuron,因此，人工神经是有很多人工neuron相互连接构成的，每一个neuron有不同的权重，偏移或者激活函数，如下图：

前向全连接神经网络是一种经常采用的人工神经网络,如下图：

再给一个示例，坚持看下去：

深度学习。

我们可以看到上面的神经网络有很多层，那么抽象一下，下面这种神经网络类型就叫做深度学习。

深度学习是指有多个隐藏层的人工神经网络，我们终于揭开了深度学习这个马甲，从数学角度来讲，它没有什么好神秘的。

一个应用例子。

输入一个手写字，判定属于哪个数字（假如限定0-9），大家似曾相识吧。

图片是256*256像素，数字化后，1代表有色，0代表无色，这样，输入就变成1个256维变量，输出每个位置数据表达的是属于该位置数据的置信度，比如输出分类器自上而下分别代表1,2,3,4,5，..0,输出的数据代表的是这个数字的置信度，这里输出中2的位置的置信度最大是0.7，则判定这张图片分类成2。

图像识别也是这么来的，只不过输出的分类除了数字，可能还包括动物，比如猫，狗，用的识别工具就是人工神经网络，下图示例了识别过程，核心就是，寻找一张合适的神经网络。

那么，到底如何实现呢？

首先，准备一堆的训练图片和标识：

其次，训练目标如下图所示，要求在输入图片1的时候，对应的y1要最大，输入图片2的时候，对应的y2要最大。

再次，要设置一个损失函数L，标识训练的好坏，也就是训练识别的结果跟实际尽量匹配，假如输入的图片是1，则最后y1最好是1，而其他y2-y10最好全是0，这样损失函数L就是最小，即0，如下图示例：

而如何让L最小呢，这是神经网络最核心的东西，大家前面已经看到，实际上这个网络的未知数有权重w，偏移量b（常量）,我们一般叫它神经网络的参数θ，这是一个未知数求解的问题。

如何选择θ，让L最小，需要进行求解。

不做非常艰难的公式推导，我只给出结果，由于L是w的函数，假设向量W是两维w1,w2，则函数图形化后如下：

我们的目的就是去寻找这张图L的最低点，一旦最低点确定，w1,w2也确定了，那整个神经网络就确定了，一般采用梯度下降方法，就是对W求导，能够明确参数增减的方向，如果你微积分还记得的话。

寻找的办法一般步骤如下：

首先，初始化W，也就是w1,w2，就是随便找一组初始化参数。

其次，计算L对W的导数（也就是梯度），判断W参数应该的走向，然后重置W：

最后，当选择的W使得L最小值变化不大时，就终止，表示此时选择的参数可以满意了。

就好比你在玩帝国时代，需要探索地图的最低点：

由于神经网络有很多层次，很多激活函数，因此这个求解的方法非常复杂，其中反向传播算法（Backpropagation）是最通用的一种求解方法。

好了，深度学习原理部分基本讲完了，当然，这仅仅是术的追求，笔者也只是知道皮毛，那这类深度学习对于我们理解这个世界到底有什么帮助？

首先，深度学习的神经网络这么一层层构建到底在干什么？

从物理理解的角度讲，通过现有的不同物质的组合形成新物质，给你举个例子，碳和氧原子通过组合，可以形成三个新物质，见下图：

形成的新物质之间又可以相互组合，形成更为复杂的新物质，如此循环，从而形成我们这个世界，这是其物理意义。

从数学的视角，其实就是在做一层层的空间变换，让原来无法区隔的空间变成可以区分，你要理解，这个世界绝对不是线性的。

空间变换有五种形式，回忆一下前面讲的。

其中：

aw：做的空间变换是升维/降维、放大/缩小及旋转；

b：做的空间变换是平移；

σ：实现弯曲

神经网络的解决方法依旧是转换到另外一个空间下，用的是所说的5种空间变换操作。比如下图就是经过放大、平移、旋转、扭曲原二维空间后，在三维空间下就可以成功找到一个超平面分割红蓝两线：

上面是一层神经网络可以做到的，设想网络拥有很多层时，对原始输入空间的“扭曲力”会大幅增加，如下图，最终我们可以轻松找到一个超平面分割空间。

所谓监督学习就是给予神经网络网络大量的训练例子，让网络从训练例子中学会如何变换空间。每一层的权重W就控制着如何变换空间，我们最终需要的也就是训练好的神经网络的所有层的权重矩阵。

这就是深度学习的变换空间本质。

从物质组成的角度讲，前面由碳氧原子通过不同组合形成若干分子的例子。从分子层面继续迭代这种组合思想，可以形成DNA，细胞，组织，器官，最终可以形成一个完整的人。继续迭代还会有家庭，公司，国家等。这种现象在身边随处可见。并且原子的内部结构与太阳系又惊人的相似。不同层级之间都是以类似的几种规则再不断形成新物质。你也可能听过分形学这三个字。可通过观看从1米到150亿光年来感受自然界这种层级现象的普遍性。

图像识别中的人脸识别，只是一种应用，图像由像素组成，像素可以形成菱角，棱角可以形成五官，五官可以形成不同的人脸，每一层代表不同的物质层面 (如分子层)。而每层的W存储着如何组合上一层的物质从而形成新物质。

最后，再看一个空间变换后的案例，左边的红绿是原始空间，右侧是转化后的高纬空间的扭曲图，这个时候，所有的红绿点都被扭曲到了一侧，惊奇的发现可以线性可分了：

那么，再问一个深度的问题，当然这个是术的问题，为什么深度学习是深度，而不是宽度？ 比如：

有以下论文用实验数据证明了为什么深度学习网络应该是高个子，而不是矮胖子：

为什么要分那么多层，除了激活函数更多，空间变换能力更强，还有啥奥妙？

因为，如果层数太少，可能样本也太少,如下图：

分了层后，每一层会有更多的样本,如下图：

最后，如何系统的进行深度学习的使用，下面一张图已经概括了，TensorFlow+theano+keras：

深度学习的介绍就到这里了，希望你能看到这里，遗憾的是笔者也仅仅是纸上谈兵，没有实操的经验，看得再多，也没有实际做过一个深度学习项目来得实在。

阿尔法狗采用的是卷积神经网络，如果要深入学习，可以看看其实现过程，有很多的技巧，当然，这要付出很大的代价，但道理是相通的。

希望于你有所启发。