2022李宏毅老师机器学习课程笔记

news2025/4/26 2:59:10

机器学习笔记目录

1.绪论（内容概述）
2.机器学习和深度学习的基本概念
transformer

1.绪论（内容概述）

机器学习：让机器找一个函数，通过函数输出想要的结果。应用举例：语音识别，图像识别，alphago
深度学习：使用类神经网络去找一个函数
函数的输入可以是向量，矩阵（图像数据)，序列(语音，一段文字），输出可以是一个数值（回归），一个类别（分类），一段文字或图片（结构化信息）
监督式学习：需要提前打标签，投喂学习
自监督式学习：不需要标记，在训练下游任务之前，会预训练（自己先学会如何分类）
预训练模型和下游任务的关系就像操作系统和应用之间的关系一样，因为有了操作系统的支撑，所以开发应用才能如此便捷，预训练模型又称基础模型，经典的基础模型必然会提到BERT模型（有340M参数），后续又出现了更强的模型，例如，ELMo,GPT-2,GPT-3,T5等等
生成对抗网络：直接输入一系列x和一系列y，x与y之间不匹配，通过函数可以使x与y关联起来，例如输入很多段的语音，以及很多段的文字，对抗网络经过自我学习可以自动讲语音与文字结合起来，做到语音识别。
强化学习，当对数据的标记有困难时可以用强化学习，比如，教机器下围棋，人类也不知道该棋盘状态下那一步是最优的，但是人类知道下棋赢的规则，这个时候就可以使用强化学习，告诉机器赢的规则，让机器计算出最优的一步
异常检测是让机器具备异常检测的能力，比如在只投喂了A与B两类数据，面对C数据的测试，机器应该要具备说“我不知道”的能力，而不是在A与B中选择一个作为结果
可解释AI：让机器不仅能够辨别图片，还要让它说出这样分类的原因。
模型攻击：在图A上加上杂片干扰，模型使别之后结果完全不同
领域适配：将训练集和测试集统一，避免出现下图颜色不一样导致正确率大打折扣的问题
网络压缩：将网络压缩，这样可以将模型部署到资源受限的环境中，例如手表，无人机等
终身学习：希望机器能够自己学，越学越强大，就像有了自主思维一样可以自己思考学习
小样本学习（也叫做元数据学习）：机器不再是根据人类告诉他的学习算法进行学习，而是机器根据数据自己思考出学习的算法，再根据算法学习，也就是机器要学会如何学习

2.机器学习和深度学习的基本概念

机器学习的底层就是为了找一个函数，根据输入，由函数来输出结果，函数有好几种类型，其中有回归（Regression），分类（Classification），结构性学习（Structured Learning）。
回归就是让函数输出一个数值，例如预测PM值，输入今天的空气含量值，通过函数可以预测明天的PM浓度，这个预测的过程就是一个回归的过程
机器学习拟合函数的过程可以分为以下几步

先根据特征构造一个带有未知参数的函数，其中除了已知特征值x以外，还应该具有w权重，b偏移值等
定义损失函数，损失函数的输入就是（w,b），输出就是判断训练出来的w和b的数值是否好，那么如何量化这个好的程度呢？我们可以根据已知数据，输入第a天的访问量，使用函数预测a + 1 天的访问量，再将预测结果与实际结果做差，计算出n天的差值，将所有差值进行平均求和，得到的数值就可以量化超参选的是否好，预测结果是否与实际结果较吻合，明显的，损失函数的值越小越好。此外根据对预测结果与实际结果的计算方式不同，可以分为两种平均绝对误差（MAE)和均方误差（MSE）,除了这两种评价指标外，还有很多别的评价指标。特别的，如果预测结果和实际结果都是概率的话，我们通常会采用交叉熵（Cross-entropy）作为评价指标。根据选取不同的w和b计算损失值，可以画出误差曲面（error surfface）
优化，方法：梯度下降。以只有一个参数w举例，随机选取一个w0，计算在w0这一点w对L的微分（也就是斜率），如果斜率是负的，说明曲线在递减，那么随着w增大，Loss会更小，所以应该扩大w，如果斜率是正的，则相反，曲线呈递增状态，应该减小w，使loss减小。那么对w的增大或减小，到底应该一步增/减多少呢？我们使用一个学习速率η来表示一步的大小，这个参数是自设的超参，可以根据斜率的大小来设置的，如果斜率越抖，则w变化的幅度越大。这个方法有一个问题，因为当移动到斜率为0的地方，w就会停止移动了，但是有可能只是移动到了曲线上的一个较低点，不是整个曲线的最低点（出现了局部最优的问题）

根据上述步骤完成之后，发现一开始设置的函数可能不太贴合数据，可以根据可视化的结果重新设置函数，将特征值×权重 + 偏移的这种构造方法叫做线性模型。根据下面的图我们可以看到，当函数进行修改后，误差是在不断减小的，说明根据数据的特有性，合理的设置函数非常重要，当然这个优化也是有局限的，所以除了最简单基础的线性模型以外，还应该探索更复杂的函数去拟合实际问题，使误差能够进一步的减少。

线性模型具有局限，不能更好的拟合曲线的波动，这样的问题我们可以称为model bias
红色函数可以通过函数+一堆蓝色函数去表示，当出现转角的时候就可以用一个蓝色函数去拟合
所有的分段线性曲线都可以通过常数项+蓝色函数进行拟合
但是如果对于不是线性曲线，其实我们也是可以使用蓝色函数进行拟合的，只是需要的数量需要非常大。
前面一直用蓝色函数进行代称，其实这个蓝色的函数通常叫做hard sigmoid，在实际应用中我们通常使用sigmod函数（s型函数）去拟合

transformer

sequence-to-sequence的model，输入序列，输出也是一个序列，但是输出序列的长度由模型决定。
绝大多数的nlp问题都可以看成是问答问题（QA），所有的QA都可以使用seq2seq的模型进行求解。当然，针对各式各样的内容，例如语音辨识，能够专门根据语音的特性设计一个专用模型来处理，效果肯定是最佳的，但是这里想强调的是seq2seq的模型可以处理，但是不是最好用的。
除了上面介绍的语音辨识或者翻译等任务可以使用seq2seq以外，例如还有多分类问题，我们也可以使用seq2seq模型直接输出类别，假设对一篇文章分类，我们并不能确定类别结果的个数，多以可以直接使用seq2seq模型得到结果。甚至对于目标检测的任务我们也可以使用seq2seq的模型硬解得到结果。
说到seq2seq的模型，最容易想到的就是现在流行的transformer模型，如下图所示

在这里插入图片描述

seq2seq模型的encoder部分需要做的事情就是对于输入的一排向量，输出也是一排向量，当然RNN和CNN等模型也可以做到输入一排向量，输出一排向量。
在encoder里面，输入的向量要经过好几个block的处理，才可以得到输出的向量，其中一个block又是有好几个层构成。
下面这张图就是上图的一个block中的细节，首先输入的向量先采用注意力机制，

BERT确实是Transformer模型中Encoder部分的一个应用实例，主要利用了Transformer模型中的Encoder部分，来捕捉文本的上下文信息。结合特殊的预训练任务和输入表示方法，成为了一种非常有效的预训练语言表示模型。
当然上面讲解的是transformer最原始的encoder架构，后人也对这个架构进行了一些升级改造取得了更好的结果，例如下图b改变了norm步骤的顺序也使模型更优了，此外也可以考虑别的norm方法进行改进，可以自行深入了解
选取一个得分最高的作为下一轮的输入