cctg: DeepLearning常見名詞

Deep Learning 神經網路模型的發展大約歷經四個時期：

1950~1960 基本的感知器，目前公認鼻祖是 1957 年提出 Perceptron 演算法的 Rosenblatt
1970~1980 發現 multilayer perceptron 多層感知器，有高度非線性函數的能力，甚至有神經網路能解決所有問題的論點
1990~2000 傳統神經網路沈寂，kernel 方法大行其道，主因是機器運算能力不足，資料量太大，網際網路尚未普及。
2006年以後，有些技術進步，促成深度學習的神經網路模型的大量應用。廉價平行計算 GPU 出現，網際網路普及，更容易取得大規模的資料。

通常深度學習適合處理資料量大、具備某些資料規則，但決策函數高度非線性的問題。例如圖形辨識、語音辨識、文字產生、自然語言分析、手寫數字辨識等等。

神經網路的四類函數

組合函數 combination function
輸入層後面的網路中，每一個神經元的功能都是將上一層產生的向量，透過本身的函數產生一個標量值，此標量就是下一個神經元輸入變數。這種在網路中間，將向量映射為標量的函數，就稱為組合函數。常見的組合函數包含線性組合函數與基於歐幾里德距離的函數。
啟動函數 activation function
大部分的神經元都將一維向量的網路輸入變數，透過某個函數映射為另一個一維向量的數值，這個函數稱為啟動函數，產生的值就稱為啟動狀態。

除了輸出層以外，啟動狀態的值透過神經的連結，輸入到下一層的一個或多個神經元中。因啟動函數通常是將一個實數域的值映射到有限域，也稱為塌陷函數。

ex: tanh, logistic 都是將實數域映射到 (-1,1) 或 (0,1) 之間

啟動函數的主要作用是給隱含層引入非線性。一個只有線性關係隱含層的多層神經網路，不會比一般只包含輸入層與輸出層的兩層神經網路更強大。但加入非線性後，多層神經網路的預測能力就提高很多。

對反向傳播演算法來說，啟動函數必須可微分，如果該函數是在有限域，效果更好，例如 logistic, tanh, 高斯函數，這些函數又稱為 sigmoid 函數。tanh, arctan 這種包含正負值域的函數，通常收斂速度較快，這是因為 conditioning number 更好。

隱藏層的啟動函數歷經 sigmoid 到 threshold 的轉變，反映了 deep learning 技術和理論的發展。

早期認為sigmoid 比 threhold 函數好，因為 threshold 函數的誤差函數是 stepwise constant，一階導數為不存在或是 0，導致無法進行有效的反向傳播演算法計算。sigmoid 是連續可微分的函數，參數一點變化，就會帶來輸出的變化，有助於判斷參數變動是否有利於最終函數的最佳化。而 threshold 的參數微小變化，不影響輸出，所以演算法收斂速度較慢。

但 1991年 Sepp Hochreiter 發現，sigmoid 有 gradient vanishing 的問題。梯度消失就是梯度（誤差的訊號）隨著隱藏層數的增加，會指數減少。因反向傳播演算法的梯度計算採用鏈式法則，第 n 層需要乘以前面各層的梯度，但由於 sigmoid 的值域在 (-1,1) 或 (0,1) 之間，很多個很小的數相乘後，第n層的梯度就會趨近於 0，造成模型訓練的問題。而 threshold 啟動函數的值域不是 (-1,1)，因此沒有這個問題，ex: reLU 的值域是 (0, +inf)。

另外 Hard Max 這個 threshold 啟動函數： max(0,x) 可在隱藏層加入稀疏性 sparsity，有助於模型的訓練。

對於輸出層，應該盡量選擇適合變數分佈的啟動函數
- 對只有 0, 1 取值的雙值因變數，可使用 logistic 函數
- 對有多個取值的離散因變數，例如 0~9 數字辨識，可使用 softmax (logistic 的自然衍生函數)
- 對有限值域的連續因變數，可使用 logistic 或 tanh 啟動函數，但需要將因變數的值域伸縮到 logistic/tanh 對應的值域中
- 如果因變數取值為正，但沒有上限，可使用指數函數
- 如果因變數沒有有限值域，或雖是有限值域但邊界未知，可使用線性函數
輸出層的啟動函數，選擇方法跟統計學模型的應用類似，就是統計學廣義線性模型的連結函數 link function 功能。
誤差函數 error function
監督學習的神經網路都需要一個函數，量測模型輸出值 p 跟真實因變數值 y 的差異，一般稱為誤差。但這個值不能直接用來衡量模型的品質。

如果有一個完美的模型，其誤差為 0，但一般誤差為偏離0 的絕對值。誤差越趨近 0 越好。誤差函數也稱為損失函數 loss function。

常用的 loss function：
- 均方誤差(MSE)：\( \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} ( y^{(i)} - f_𝜃(x^{(i)} ) )^2 \)
  通常用在實數值域連續變數的迴歸問題，對於誤差較大的情況給予更多權重。
- 平均絕對誤差(MAE)：\( \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} | y^{(i)} - p^{i} | \)
  應用在迴歸問題，或是時間序列預測問題。每個誤差對總體誤差的貢獻，與其誤差的絕對值成線性比例，MSE 沒有這個特性。
- 交叉熵損失(cross entropy)：也稱為對數損失函數，是針對分類模型的效能比較，依照分類模型是二分類或是多分類，還可分為二分類交叉熵與多分類交叉熵兩種。
  \( \sum_{c=1}^{C} \sum_{i=1}^{N} -y_{c,i} log_2(p_{c,i}) \)
  
  C是類別數，N 是所有的資料數。\( y_{c,i} \) 是binary indicator (0 or 1) from one hot encode (第i筆資料屬於第c類真實類別)。\( p_{c,i} \)是第i筆資料屬於第c類預測出來的機率。
  
  cross-entropy 就是映射到最可能類別機率的對數，當預測值的分佈跟實際因變數的分佈一致時，交叉熵最小。
目標函數 object function
在訓練階段直接最小化的函數。神經網路的訓練結果，是在最小化訓練資料的預測值與真實值的誤差。結果可能會發生 overfitting 的狀況。例如模型在訓練資料上表現很好，但在測試資料或真實應用時，表現較差。也就是模型普適化不好。

一般會用正規化，減少 overfitting 的狀況。這時目標函數為誤差函數與正規函數的和。例如採用 weight decay 方法時，正規函數是權重的平方和，這跟一般 ridge regression 的技巧一樣。如果使用貝氏定理，也可以將權重先驗分佈的對數，作為正則項。如果不使用正則項，目標函數就和總體或平均誤差函數一樣。

批量 Batch

有兩種

對應到模型訓練方法，就是將所有資料處理完後，一次性更新權重或參數的估計值
對應到模型訓練中的資料，是指一次輸入模型計算的資料量

批量概念的模型訓練，一般是以下步驟：

初始化參數
重複以下步驟
2.1 處理所有資料
2.2 更新參數

遞增演算法的步驟

初始化參數
重複以下步驟
2.1 處理一個或一組資料點
2.2 更新參數

差別是批量演算法一次處理所有資料，遞增演算法，處理一或多個資料，就要更新一次參數。

反向傳播演算法中，「處理」就是計算損失函數的梯度變化曲線。
批量驗算法中，「處理」是計算平均或總體損失函數的梯度變化曲線
遞增演算法中，損失函數僅計算對應於該觀測值或數個觀測值的梯度變化曲線。

「更新」是從既有的參數值，減去梯度變化率和學習速率的乘積。

online/offline learning

online learning 的觀測值，處理後就會被丟棄，同時更新參數。永遠是一種遞增演算法。

offline learning 的資料可重複取得，有以下優點

對任何固定個數的參數，可直接計算出目標函數，很容易驗證模型訓練是否往所需方向前進
計算精度可達到任意合理的程度
可使用各種不同的演算法，避免局部最佳化的情況
可採用訓練、驗證、測試三分法，針對模型的普適化進行驗證
可計算預測值及其信賴區間

online learning 不儲存資料，無法重複取得資料，因此無法在訓練集上計算 loss function，無法在驗證集上計算誤差。所以online learning 演算法比較不穩定。

bias 偏移值

通常在計算網路輸入時，會加入一個 bias 偏移值。如果是線性輸出神經元，bias 就是線性迴歸中的截距。

跟截距的作用類似，bias 視為一個由特殊神經元引出的連結權重，這是因為它通常連結到一個固定單位值的偏移神經元。例如在多層感知器 MLP 神經網路中，某一個神經元的輸入參數為 N 維，這個神經元在高維空間根據參數畫出一個超平面，一邊是正值，一邊是負值。參數決定了超平面在輸入空間的相對位置，如果沒有 bias，超平面就需要通過原點，這就限制了平面的位置。

每個隱藏層和輸出層的神經元都有自己的 bias，但如果輸入資料已經等比例轉換到一個有限值域，例如 [0,1]區間，那麼第一個隱藏層的神經元設定 bias 後，後面任何層內跟這個神經原有連結的其他神經元，就不需要再設定 bias 了。

標準化資料

有三種常見的標準化

rescaling
加上一個向量，或減去一個常數，再乘上或除以一個常數。例如將華氏溫度轉換為攝氏溫度。
normalization
將一個向量除以其範數，例如採用歐幾里得距離，則使用向量的變異量數作為範數來正規化向量。deep learning 通常用全距作為範數，也就是向量減去最小值，然後除以全距，可讓數值落於 0~1 之間
standardization
將一個向量移除其位置與規模的度量。例如遵循常態分佈的向量，可減去平均值，除以變異數，來標準化資料。可得到一個遵守標準常態分佈的向量。

在 deep learning 要視情況決定要不要做標準化，一般來說，如果啟動函數的值域在 0~1 之間，那麼正規化資料到 [0,1] 比較合理，另外正規化資料，能讓計算過程穩定，特別是資料值域範圍有較大差別的時候。

梯度下降演算法

最佳化決策函數時，通常是針對一個誤差的度量（例如誤差的平方），求得一系列參數，然後最小化這個誤差度量的值來進行。目前一般採用 gradient descent method 梯度下降演算法。

該方法類似遊客在不知名的高山要儘快安全到達谷底，他必須在東西、南北兩個軸向進行選擇，以確保下山路徑又快又安全。如果把軸向想成目標函數的兩個維度，那麼該怎麼取得最佳路徑呢？

因為在山頂不知道路況，有可能因為初始化參數不佳，造成只能得到局部最佳解的狀況。梯度下降法是一種短是的方法，只靠一個傾斜角，看那個方向比較陡，就往該方向下滑一段距離。

通常會用隨機梯度下降法 stochastic gradient descent，這是針對每個觀測值執行梯度下降的最佳化演算，原本的方法稱為 batch 或 offline 演算法，新的方法稱為 incremental 或 online 演算法，因為參數估計值會隨著觀測值的變化而更新。

目前常見是使用一階導函數的梯度下降法，也有基於二階導函數的演算法，稱為牛頓法。這種方法相當於遊客帶了一個高度計，滑下去後，就可查閱結果，如果比原來高，就退回原來的地方，重新跳一小步。

假設有一個函數 f 有兩個變數 \(x_0, x_1\) ，則 f 的梯度法就是

\( x_0' = x_0 - 𝜂 \frac{𝜕f}{𝜕x_0} \)

\( x_1' = x_1 - 𝜂 \frac{𝜕f}{𝜕x_1} \)

其中 𝜂 是學習率，就是一次學習中，要往前增加多少步進值，在訓練前，要先決定 𝜂 是 0.1 或 0.001 或某一個數值，這個值太大，可能會發生找不到最佳解的狀況，太小，則會發生學習速度太慢 (loss rate 下降太慢)的狀況。

因此 𝜂 學習率這種參數稱為 hyperparameter，這跟 weight 權重、bias 不同，這是一個根據經驗設定與調整出來的一個人工設定的參數。

誤差反向傳播演算法

如果神經網路只有一層，只要反覆運用這個方法到 loss function，就可依照公式更新參數，直到收斂就好了。權重參數的 loss function 梯度，可以根據數值微分計算而來。微分的計算很簡單，但計算量大比較花時間。

但如果輸入層跟輸出層之間，有很多隱含層，就需要一個高效率的演算法，減少計算量。為了快速估計深度神經網路的權重值，backpropagation 就是這種演算法，可有效率地計算微分。以 computational graph 來理解這個演算法。

ref: Computational Graph

ref: DL3-Computational Graph & Backpropagation

ref: computational graph 李弘毅

node: 代表 variable (scalar, vector, tensor)

edge: 代表 operation (function)

\( y=f(g(h(x))) \) 可拆解為三個合成函數 \( u=h(x), v=g(u), y=f(v) \)

如果某個節點有兩個 input，可寫成 \( a=f(b,c) \)，就是 b,c 兩個 node 都指向 a

這是 Computational Graph 的一個例子，要由下往上看

因為 computational graph 的概念就是合成函數，而合成函數在計算微分，可以用 chain rule。

case 1 的 \( \frac{dz}{dx} = \frac{dz}{dy}*\frac{dy}{dx} \) note: \( z=h(y) z=h(g(x)) \)

根據 \( \frac{𝜕e}{𝜕b}\) 的公式，\(c=a+b, d=b+1, e=c*d\)，利用 computational graph，由下往上，計算每一個箭頭的偏微分，在合併用在原本的公式中

舉例 a=3, b=2，套用在剛剛的計算過程中

如果由 b=1 開始，往上計算可得到 \( \frac{𝜕e}{𝜕b}=8\) 。可發現跟剛剛一樣，有用到 \( \frac{𝜕e}{𝜕c}=3, \frac{𝜕e}{𝜕d}=5, \frac{𝜕c}{𝜕a}=1, \frac{𝜕c}{𝜕b}=1, \frac{𝜕d}{𝜕b}=1\) 這些偏微分的結果

如果由 a=1 開始，往上計算可得到 \( \frac{𝜕e}{𝜕a}=3\) \( \frac{𝜕e}{𝜕b}=8\) ，跟剛剛一樣，有用到 \( \frac{𝜕e}{𝜕c}=3, \frac{𝜕e}{𝜕d}=5, \frac{𝜕c}{𝜕a}=1, \frac{𝜕c}{𝜕b}=1, \frac{𝜕d}{𝜕b}=1\) 這些偏微分的結果

\(c=a+b, d=b+1, e=c*d\)，一樣使用跟剛剛一樣，有用到 \( \frac{𝜕e}{𝜕c}=3, \frac{𝜕e}{𝜕d}=5, \frac{𝜕c}{𝜕a}=1, \frac{𝜕c}{𝜕b}=1, \frac{𝜕d}{𝜕b}=1\) 這些偏微分的結果，反方向填寫，得到 \( \frac{𝜕e}{𝜕a}=3, \frac{𝜕e}{𝜕b}=8\)