《动手学深度学习》笔记

本笔记主要参考《动手学深度学习》 进行学习记录，不做无意义的书本内容摘抄。

课程网址：https://courses.d2l.ai/zh-v2/

使用深度学习框架为：Pytorch

内容不断更新中$\cdots \cdots$

2 预备知识

2.1 数据处理

2.2 线性代数

矩阵运算：矩阵点积、向量积、矩阵乘法

向量积非叉积，是矩阵与向量的积。下例可以看做$A$的行向量和向量的点积。

A = \begin{pmatrix} a_{11} & \cdots & a_{1m} \\\ a_{21} & \cdots & a_{2m} \\\ \vdots & \ddots & \vdots \\\ a_{n1} & \cdots & a_{nm} \end{pmatrix} , \overrightarrow x = \begin{pmatrix} x_1 \\\ \vdots \\\ x_m \end{pmatrix} \\\ A\overrightarrow x = \begin{pmatrix} a_{11}x_1 + \cdots + a_{1m}x_m \\\ \vdots \\\ a_{n1}x_1 + \cdots + a_{nm}x_m \end{pmatrix}

范数：

$L_1$范数是向量绝对值之和。

$$\|\mathbf{x}\|_1 = \sum_{i=1}^n \left|x_i \right|.$$

$L_2$范数是向量元素根的平方和。

$$\|\mathbf{x}\|_2 = \sqrt{\sum_{i=1}^n x_i^2},$$

$L_p$范数是更一般的范数，公式如下：

$$\|\mathbf{x}\|_p = \left(\sum_{i=1}^n \left|x_i \right|^p \right)^{1/p}.$$

2.3 微积分

3 线性神经网络

3.1 线性回归

3.2 Softmax回归

输出的匹配概率（非负，和为1）

$$\hat{\mathbf{y}} = \mathrm{softmax}(\mathbf{o})\quad \text{其中}\quad \hat{y}_j = \frac{\exp(o_j)}{\sum_k \exp(o_k)}$$

我们选择最优可能的类别

$$\mathop {argmax}_j \hat y_j = \mathop {argmax}_j o_j.$$

损失函数，下式通常称为交叉熵损失。（真实概率中只有一个$y_i$为1，其余全部为0）

$$l(\mathbf{y}, \hat{\mathbf{y}}) = - \sum_{j=1}^q y_j \log \hat{y}_j.$$

交叉熵通常来衡量两个概率的区别：

$$H(p, q) = \sum \limits_i - p_i log(q_i)$$

损失函数的导数

$$\partial_{o_j} l(\mathbf{y}, \hat{\mathbf{y}}) = \frac{\exp(o_j)}{\sum_{k=1}^q \exp(o_k)} - y_j = \mathrm{softmax}(\mathbf{o})_j - y_j.$$

3.3 损失函数

• 均方损失（L2 Loss）

$$l(y, y{'}) =\frac{1}{2}(y - y{'})^2$$

• 绝对值损失（L1 Loss）

$$l(y,y{'}) = |y - y{'}|$$

• Huber’s Robust Loss 鲁棒损失

l(y, y{'}) = \begin{cases} |y - y{'}| & if |y - y{'}| \gt 1 \\\ \frac{1}{2}(y - y{'})^2 & otherwise \end{cases}

4 多层感知机

4.1 多层感知机

单层感知机：

• 回归输出实数
• 解决二分类问题

单层感知机函数，$\sigma$是激活函数

$$o = \sigma (\langle \mathbf{w} , \mathbf{x} \rangle + b )$$

多层感知机：

• 激活函数需要是非线性：如果为线性的话，输出就仍然是线性的，等价于单层感知机

• 使用隐藏层和激活函数来得到非线性模型

• 使用Softmax来处理多分类

• 超参数为隐藏层数和各个隐藏层大小

单隐藏层：

\mathbf{h} = \mathbf{W_1X+b_1} \\\ o = \mathbf{w_2^T h } + b_2

激活函数：

• sigmoid函数，将输出投影到$(0, 1)$

$$sigmoid(x) = \frac{1}{1 + e ^{-x}}$$

• Tanh函数，将输出投影到$(-1, 1)$

$$tanh(x) = \frac{1 - e^{-2x}}{1 + e ^ {-2x}}$$

• ReLU激活函数

$$ReLU(x) = max(x, 0)$$

4.2 模型选择

训练误差：模型在训练数据集上得到的误差

泛化误差：模型在新数据集上得到的误差