Lesson 3 — 深度學習基礎Basics of Deep Learning
圖靈學院/科楠/2024年8月2日
深度學習是機器學習的一個分支，它使用多層神經網絡來模擬人腦的結構和功能。這部分我們將介紹神經網絡的基本結構、工作原理以及一些流行的深度學習模型，如卷積神經網絡（CNN）和遞歸神經網絡（RNN）。
什麼是深度學習？
深度學習（Deep Learning）是一種通過模擬人腦的神經網絡進行數據分析和模式識別的技術。深度學習使用多層神經網絡（即「深度」），可以處理結構複雜且大量的數據。
我們可以將神經網絡比作一個由許多神經元組成的網絡，每個神經元類似於一個小型計算單元，它們通過層層疊加來學習和處理數據中的複雜模式。
神經網絡的基本結構
神經網絡的基本組成單元是「神經元」，它們通過「層」組織起來。每個神經網絡通常包含三種類型的層：
1. 輸入層：接收外部數據，並將其傳遞給網絡中的第一個隱藏層。
2. 隱藏層：進行數據的處理和特徵提取。網絡中可以有多個隱藏層，每個隱藏層包含若干神經元。
3. 輸出層：生成最終的預測或分類結果。
每個神經元接收來自上一層神經元的輸入，經過加權和激活函數的計算，將結果傳遞給下一層的神經元。這一過程可以用以下數學公式來表示：
其中，W 是權重矩陣， x 是輸入向量，b 是偏置項，f 是激活函數， y 是輸出向量。
激活函數
激活函數是神經網絡中一個關鍵的組成部分，它引入了非線性，使得網絡可以學習和表示複雜的模式。常見的激活函數包括：- Sigmoid 函數：將輸出壓縮到 (0, 1) 區間，適合於二分類問題。
- Tanh 函數：將輸出壓縮到 (-1, 1) 區間，適合於輸出有正負之分的情況。
- ReLU 函數：修正線性單元，對輸入值小於零的部分設為零，適合於大多數深度學習模型。
神經網絡的訓練
神經網絡的訓練過程主要包括前向傳播、損失計算和反向傳播三個步驟。
1. 前向傳播：將輸入數據從輸入層傳遞到輸出層，經過每一層的計算，最終得到預測結果。
2. 損失計算：使用損失函數來衡量預測結果與真實標籤之間的差距。常見的損失函數包括均方誤差（MSE）和交叉熵損失。
3. 反向傳播：通過鏈式法則計算損失函數相對於每個參數的梯度，並使用優化算法（如梯度下降）來更新網絡的參數，以最小化損失函數。
反向傳播的數學公式如下：
其中， L 是損失函數，W 是權重，y 是輸出。
卷積神經網絡（CNN）
卷積神經網絡（Convolutional Neural Network, CNN）是一種專門用於處理圖像數據的深度學習模型。CNN 通過卷積層和池化層提取圖像中的特徵，並使用全連接層進行分類。
- 卷積層：卷積層使用卷積核（或濾波器）在輸入圖像上滑動，提取局部特徵。每個卷積核生成一個特徵圖。
其中，I 是輸入圖像，K 是卷積核。
- 池化層：池化層通過下採樣操作減少特徵圖的尺寸，從而減少計算量和參數量。常見的池化方法包括最大池化和平均池化。
- 全連接層：全連接層將卷積層和池化層提取的特徵展平，並通過一個或多個全連接層進行分類。
CNN 在圖像識別、物體檢測和圖像生成等任務中取得了顯著的成功。
遞歸神經網絡（RNN）
遞歸神經網絡（Recurrent Neural Network, RNN）是一種專門用於處理序列數據的深度學習模型。RNN 能夠記憶並利用序列數據中的時間依賴性，是自然語言處理和時序預測等任務的理想選擇。
- RNN 結構：RNN 的核心是隱藏狀態（hidden state），它能夠記錄前一時刻的輸入信息。對於每個時間步，RNN 將當前輸入和前一時刻的隱藏狀態作為輸入，計算當前的隱藏狀態和輸出。
其中，
是當前的隱藏狀態，
是前一時刻的隱藏狀態，
是當前輸入，
和 
是權重矩陣，b 是偏置項，f 是激活函數。
RNN 在語音識別、機器翻譯和文本生成等任務中得到了廣泛應用。
(Source)
- LSTM：LSTM 包含輸入門、遺忘門和輸出門，用於控制信息的流動和記憶的更新。
- GRU：GRU 結構與 LSTM 類似，但只包含更新門和重置門，計算更加簡單高效。
(Source)
深度學習的應用場景
深度學習在許多領域中都有著廣泛的應用，以下是一些典型的應用場景：
1. 圖像識別：深度學習模型，如CNN，在圖像識別和分類方面表現出色。應用包括面部識別、醫學影像分析和自動標註等。
2. 語音識別：深度學習技術在語音識別中也發揮了重要作用，應用於語音助手（如Siri和Google Assistant）和語音轉文本等領域。
3. 自然語言處理：深度學習模型，如RNN和Transformer，被廣泛應用於機器翻譯、文本摘要和情感分析等自然語言處理任務。
4. 自動駕駛：深度學習技術在自動駕駛汽車的感知和決策系統中扮演著關鍵角色。自動駕駛汽車需要處理來自多種傳感器的數據，如攝像頭和激光雷達，並做出即時決策。
5. 推薦系統：深度學習模型被用於推薦系統中，通過分析用戶的行為數據，提供個性化的產品或內容推薦。這些應用在電商、流媒體和社交媒體平台中非常常見。
結論
深度學習是一個充滿潛力的領域，它使用多層神經網絡來模擬人腦的結構和功能，並在圖像識別、語音識別、自然語言處理等多個領域取得了顯著成果。通過理解神經網絡的基本結構和工作原理，我們可以更好地應用深度學習技術來解決現實世界中的複雜問題。隨著技術的不斷進步，深度學習將在更多領域發揮更大的作用，帶來更多創新和變革。
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