深度神经网络

机器学习技术

传统人工神经网络的扩展是深度神经网络。与传统神经网络相比，深度神经网络有两个主要区别。传统的神经网络具有一个或两个隐藏层是肤浅的。另一方面，深度神经网络中有许多隐藏层。例如，谷歌大脑项目使用了一个由数百万个神经元组成的神经网络。

发展

深度神经网络是一种具有多个隐藏层的人工神经网络，与传统神经网络相比，这使得它们更加复杂和资源密集。它们用于各种应用程序，并与基于GPU的架构配合使用，以实现更快的训练时间。

特点

多层的好处是可以用较少的参数表示复杂的函数。

在监督学习中，以前的多层神经网络的问题是容易陷入局部极值点。如果训练样本足够充分覆盖未来的样本，那么学到的多层权重可以很好的用来预测新的测试样本。但是很多任务难以得到足够多的标记样本，在这种情况下，简单的模型，比如线性回归或者决策树往往能得到比多层神经网络更好的结果（更好的泛化性，更差的训练误差）。

非监督学习中，以往没有有效的方法构造多层网络。多层神经网络的顶层是底层特征的高级表示，比如底层是像素点，上一层的结点可能表示横线，三角；而顶层可能有一个结点表示人脸。一个成功的算法应该能让生成的顶层特征最大化的代表底层的样例。如果对所有层同时训练，时间复杂度会太高；如果每次训练一层，偏差就会逐层传递。这会面临跟上面监督学习中相反的问题，会严重欠拟合。

应用

2006年，hinton提出了在非监督数据上建立多层神经网络的一个有效方法，简单的说，分为两步，一是每次训练一层网络，二是调优使原始表示x向上生成的高级表示r和该高级表示r向下生成的x'尽可能一致。方法是

1，首先逐层构建单层神经元，这样每次都是训练一个单层网络。

2，当所有层训练完后，hinton使用wake-sleep算法进行调优。将除最顶层的其它层间的权重变为双向的，这样最顶层仍然是一个单层神经网络，而其它层则变为了图模型。向上的权重用于”认知“，向下的权重用于”生成“。然后使用Wake-Sleep算法调整所有的权重。让认知和生成达成一致，也就是保证生成的最顶层表示能够尽可能正确的复原底层的结点。比如顶层的一个结点表示人脸，那么所有人脸的图像应该激活这个结点，并且这个结果向下生成的图像应该能够表现为一个大概的人脸图像。Wake-Sleep算法分为醒(wake)和睡(sleep)两个部分。

2.1，wake阶段，认知过程，通过外界的特征和向上的权重（认知权重）产生每一层的抽象表示（结点状态），并且使用梯度下降修改层间的下行权重（生成权重）。也就是“如果现实跟我想像的不一样，改变我的权重使得我想像的东西就是这样的“。

2.2，sleep阶段，生成过程，通过顶层表示（醒时学得的概念）和向下权重，生成底层的状态，同时修改层间向上的权重。也就是“如果梦中的景象不是我脑中的相应概念，改变我的认知权重使得这种景象在我看来就是这个概念“。

由于自动编码器（auto-encoder，即上面说的神经网络。广义上的自动编码器指所有的从低级表示得到高级表示，并能从高级表示生成低级表示的近似的结构，狭义上指的是其中的一种，谷歌的人脸识别用的）有联想功能，也就是缺失部分输入也能得到正确的编码，所以上面说的算法也可以用于有监督学习，训练时y做为顶层网络输入的补充，应用时顶层网络生成y'。

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