【1.1】tensorflow的简介

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一、基本概念

1、什么是人工智能

  • 人工智能的概念:机器模拟人的意识和思维
  • 重要人物:艾伦·麦席森·图灵(Alan Mathison Turing)
  • 人物简介:1912 年 6 月 23 日-1954 年 6 月 7 日，英国数学家、逻辑学家，被称为计算机科学之父，人工智能之父。
  • 相关事件:
  1. 1950 年在论文《机器能思考吗?》中提出了图灵测试，一种用于 判定机器是否具有智能的试验方法:提问者和回答者隔开，提问者通过一些装置 (如键盘)向机器随意提问。多次测试，如果有超过 30%的提问者认为回答问题 的是人而不是机器，那么这台机器就通过测试，具有了人工智能。也就是工智能 的概念:“用机器模拟人的意识和思维”。
  2. 图灵在论文中预测:在 2000 年，会出现通过图灵测试具备人工智能的机器。 然而直到 2014 年 6 月，英国雷丁大学的聊天程序才成功冒充了 13 岁男孩，通过 了图灵测试。这一事件比图灵的预测晚了 14 年。
  3. 在 2015 年 11 月 science 杂志封面新闻报道，机器人已经可以依据从未见 过的文字中的一个字符，写出同样风格的字符，说明机器已经具备了迅速学习陌 生文字的创造能力。

消费级人工智能产品：

  • 国外：
  1. 谷歌 Assistant
  2. 微软 Cortana
  3. 苹果 Siri (4)亚马逊 Alexa
  • 国内
  1. 阿里的天猫精灵
  2. 小米的小爱同学

人工智能先锋:

  1. Geoffrey Hinton:多伦多大学的教授，谷歌大脑多伦多分 布负责人，是人工智能领域的鼻祖，他发表了许多让神经网络得以应用的论文， 激活了整个人工智能领域。他还培养了许多人工智能的大家。比如 LeCun 就是他 的博士后。
  2. Yann LeCun:纽约大学的教授，Facebook 人工智能研究室负责人，他改进 了卷积神经网路算法，使卷积神经网络具有了工程应用价值，现在卷积神经网络 依旧是计算机视觉领域最有效的模型之一。
  3. Yoshua Bengio:蒙特利尔大学的教授，现任微软公司战略顾问，他推动了 循环神经网路算法的发展，使循环神经网络得到工程应用，用循环神经网络解决 了自然语言处理中的问题。

2、什么是机器学习

机器学习的概念:机器学习是一种统计学方法，计算机利用已有数据得出某种模 型，再利用此模型预测结果。

特点:随经验的增加，效果会变好。

简单模型举例:决策树模型

预测班车到达时间问题描述: 每天早上七点半，班车从 A 地发往 B 地，到达 B 地的时间如何准确预测?

如果你第一次乘坐班车，你的预测通常不太准。一周之后，你大概能预测出班车 8:00 左右到达 B 地;一个月之后，随着经验的增加，你还会知道，周一常堵车， 会晚 10 分钟，下雨常堵车，会晚 20 分钟。于是你画出了如下的一张树状图，如 果是周一，还下了雨，班车会 8:30 到达;如果不是周一，也没有下雨，班车会 8:00 到达。

机器学习和传统计算机运算的区别:传统计算机是基于冯诺依曼结构，指令预先 存储。运行时，CPU 从存储器里逐行读取指令，按部就班逐行执行预先安排好的 指令。其特点是，输出结果确定，因为先干什么，后干什么都已经提前写在指令 里了。

机器学习三要素:数据、算法、算力

3、什么是深度学习

深度学习的概念:深层次神经网络，源于对生物脑神经元结构的研究。 人脑神经网络:随着人的成长，脑神经网络是在渐渐变粗变壮

生物学中的神经元:下图左侧有许多支流汇总在一起，生物学中称这些支流叫做 树突。树突具有接受刺激并将冲动传入细胞体的功能，是神经元的输入。这些树 突汇总于细胞核又沿着一条轴突输出。轴突的主要功能是将神经冲动由胞体传至 其他神经元，是神经元的输出。人脑便是由 860 亿个这样的神经元组成，所有的 思维意识，都以它为基本单元，连接成网络实现的。

计算机中的神经元模型:1943 年，心理学家 McCulloch 和数学家 Pitts 参考了 生物神经元的结构，发表了抽象的神经元模型 MP。神经元模型是一个包含输入， 输出与计算功能的模型。输入可以类比为神经元的树突，输出可以类比为神经元 的轴突，计算可以类比为细胞核。

4、人工智能 Vs 机器学习 Vs 深度学习

  • 人工智能，就是用机器模拟人的意识和思维。
  • 机器学习，则是实现人工智能的一种方法，是人工智能的子集。
  • 深度学习就是深层次神经网络，是机器学习的一种实现方法，是机器学习的子集。

二、 神经网络的发展历史(三起两落)

  • 第一次兴起:1958 年，人们把两层神经元首尾相接，组成单层神经网络，称做感 知机。感知机成了首个可以学习的人工神经网络。引发了神经网络研究的 第一 次兴起。

  • 第一次寒冬:1969年，这个领域的权威学者 Minsky 用数学公式证明了只有单 层神经网络的感知机无法对异或逻辑进行分类，Minsky 还指出要想解决异或可 分问题，需要把单层神经网络扩展到两层或者以上。然而在那个年代计算机的运 算能力，是无法支撑这种运算量的。只有一层计算单元的感知机，暴露出他的天然缺陷，使得神经网络研究进入了第一个寒冬。

  • 第二次兴起:1986 年，Hinton 等人提出了反向传播方法，有效解决了两层神经 网络的算力问题。引发了神经网络研究的第二次兴起。

  • 第二次寒冬:1995 年，支持向量机诞生。支持向量机可以免去神经网络需要调节 参数的不足，还避免了神经网络中局部最优的问题。一举击败神经网络，成为当 时人工智能领域的主流算法，使得神经网络进入了他的第二个冬季。

  • 第三次兴起:2006 年，深层次神经网络出现，2012 年，卷积神经网络在图像识 别领域中的惊人表现，又引发了神经网络研究的再一次兴起。

三、机器学习的典型应用

1、 应用领域

计算机视觉、语音识别、自然语言处理

2、主流应用:

(1) 预测(对连续数据进行预测) 如，预测某小区 100 平米的房价卖多少钱。 根据以往数据(红色●)，拟合出一条线，让它“穿过”所有的点，并且与各个点 的距离尽可能的小。

我们可以把以前的数据，输入神经网络，让他训练出一个模型，比如这张图中红 色点表示了以往的数据，虚线表示了预测出的模型 Y = ax + b ，大量历史数据 也就是面积 x 和房价 y 作为输入，训练出了模型的参数 a = 3.5, b = 150，则

你家 100 平米的房价应该是 3.5 * 100 + 150 = 500 万。 我们发现，模型不一定全是直线，也可以是曲线;我们还发现，随着数据的增多， 模型一般会更准确

  1. 分类(对离散数据进行分类) 如，根据肿瘤患者的年龄和肿瘤大小判断良性、恶性。 红色样本为恶性，蓝色样本为良性，绿色分为哪类?

假如让计算机判断肿瘤是良性还是恶性，先要把历史数据输入到神经网络进行建 模，调节模型的参数，得到一条线把良性肿瘤和恶性肿瘤分开。比如输入患者的 年龄、肿瘤的大小 还有对应的良性肿瘤还是恶性肿瘤，使用神经网络训练模型 调整参数，再输入新的患者年龄和肿瘤大小时，计算机会直接告诉你肿瘤是良性 还是恶性。比如上图的绿色三角就属于良性肿瘤。

四、Tensorflow的基本概念

这个动图的解释就是，在输入层输入数据，然后数据飞到隐藏层飞到输出层，用梯度下降处理，梯度下降会对几个参数进行更新和完善，更新后的参数再次跑到隐藏层去学习，这样一直循环直到结果收敛。

表示 (Representation)：特征工程

了解数据

  • 可视化：绘制直方图，从最普遍到最不普遍排列。
  • 调试：重复样本？缺少值？离群值？数据与信息中心一致？训练数据与验证数据相似？
  • 监控：特征分位数、样本数量随着时间推移有无变化？

特征组合

  • 线性学习器可以很好地扩展到大量数据，例如 vowpal-wabit、sofia-ml
  • 不过，如果不使用特征组合，这些模型的表现度将受到限制
  • 使用特征组合 + 大量数据是学习高度复杂模型的一种有效策略.预示：神经网络可提供另一种策略

特征组合 (Feature Crosses)：组合独热矢量

正则化

降低模型的复杂度

我们希望尽可能降低模型的复杂度。 我们可以将这种想法纳入训练时所进行的优化中。 结构风险最小化：

  • 旨在减少训练误差
  • 同时平衡复杂度

正则化

  • 如何定义复杂度（模型）？
  • 首选较小的权重
  • 偏离将会产生成本
  • 可以通过 L2 正则化（也称为岭正则化）对这种想法进行编码
    • 复杂度（模型）= 权重的平方和
    • 减少非常大的权重
    • 对于线性模型：首选比较平缓的斜率
    • 贝叶斯先验概率：
      • 权重应该以 0 为中心
      • 权重应该呈正态分布

六、深度学习的框架

七、讨论

1、机器学习，就是在任务 T 上，随经验 E 的增加，效果 P 随之增加。

2、机器学习的过程是通过大量数据的输入，生成一个模型，再利用这个生成的 模型，实现对结果的预测。

3、庞大的神经网络是基于神经元结构的，是输入乘以权重，再求和，再过非线 性函数的过程。

参考资料：

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