Datawhale AI+X 深度学习入门(一)

一.机器学习的定义和核心

1.机器学习就是让机器具备找一个函数的能力。机器具备找函数的能力以后，它可以做很多事。

2.在机器学习领域里面，除了回归跟分类以外，还有结构化学习（structured learning）。机器不只是要做选择题或输出一个数字，而是产生一个有结构的物体，比如让机器画一张图，写一篇文章。这种叫机器产生有结构的东西的问题称为结构化学习。

3.机器学习找函数的过程，分成 3 个步骤。第一个步骤是写出一个带有未知参数的函数 f，其能预测未来观看次数。比如将函数写成

其中，y 是准备要预测的东西，y 跟 x1 都是数值，b 跟 w 是未知的参数，它是准备要通过数据去找出来的，w 跟 b 是未知的，只是隐约地猜测。猜测往往来自于对这个问题本质上的了解，即领域知识（domain knowledge）。机器学习就需要一些领域知识。总之，y = b + w ∗ x1，而 b 跟 w 是未知的。带有未知的参数（parameter）的函数称为模型（model）。模型在机器学习里面，就是一个带有未知的参数的函数，特征（feature） x1 是这个函数里面已知的而 w 跟 b 是未知的参数。w 称为权重（weight），b 称为偏置（bias）。这个是第一个步骤。

第 2 个步骤是定义损失（loss），损失也是一个函数。这个函数的输入是模型里面的参数，模型是 y = b + w ∗ x1，而 b 跟 w 是未知的，损失是函数 L(b, w)，其输入是模型参数 b 跟w。损失函数输出的值代表，现在如果把这一组未知的参数，设定某一个数值的时候，这笔数值好还是不好。举一个具体的例子，假设未知的参数的设定是 b = 500，w = 1，预测未来的观看次数的函数就变成 y = 500 + x1。

估测的值跟实际的值之间的差距，其实有不同的计算方法，计算 y 与 yˆ 之间绝对值的差距，称为平均绝对误差（Mean Absolute Error，MAE)。如果算 y 与 yˆ 之间平方的差距，则称为均方误差（Mean SquaredError，MSE）。

有一些任务中 y 和 yˆ 都是概率分布，这个时候可能会选择交叉熵（cross entropy），这个是机器学习的第 2 步。

接下来进入机器学习的第 3 步：解一个最优化的问题。找一个 w 跟 b，把未知的参数找一个数值出来，看代哪一个数值进去可以让损失 L 的值最小，就是要找的 w 跟 b，这个可以让损失最小的 w 跟 b 称为 w∗ 跟 b∗ 代表它们是最好的一组 w 跟 b，可以让损失的值最小。梯度下降（gradient descent）是经常会使用优化的方法。为了要简化起见，先假设只有一个未知的参数 w，b 是已知的。w 代不同的数值的时候，就会得到不同的损失，这一条曲线就是误差表面。这一步的步伐的大小取决于两件事情：
(a)第一件事情是这个地方的斜率，斜率大步伐就跨大一点，斜率小步伐就跨小一点。
(b)另外，学习率（learning rate）η 也会影响步伐大小。学习率是自己设定的，如果 η 设大一点，每次参数更新就会量大，学习可能就比较快。如果 η 设小一点，参数更新就很慢，每次只会改变一点点参数的数值。这种在做机器学习，需要自己设定，不是机器自己找出来的，称为超参数（hyperparameter）。

梯度下降有一个很大的问题，没有找到真正最好的解，没有找到可以让损失最小的 w。图示如下：

右侧红点这个位置是真的可以让损失最小的地方，称为全局最小值（global minima），而 wT 这个地方称为局部最小值（local minima），其左右两边都比这个地方的损失还要高一点，但是它不是整个误差表面上面的最低点。所以常常可能会听到有人讲到梯度下降不是个好方法，这个方法会有局部最小值的问题，无法真的找到全局最小值。事实上局部最小值是一个假问题，在做梯度下降的时候，真正面对的难题不是局部最小值。有两个参数的情况下使用梯度下降，其实跟刚才一个参数没有什么不同。如果一个参数没有问题的话，可以很快的推广到两个参数。

在深度学习框架里面，比如 PyTorch 里面，算微分都是程序自动帮计算的。就是反复同样的步骤，就不断的更新 w 跟 b，期待最后，可以找到一个最好的 w，w∗ 跟最好的 b∗。