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Module 6: 人工智能神经网络基础-3 训练神经网络，深度神经网络

1. 训练神经网络核心知识点

推荐教学时长：15分钟

* 超参数 (hyperparameter)

  • 区分于可训练参数，超参数是在开始学习过程之前设置值的参数，而不是通过训练得到的参数数据。通常情况下，需要对超参数进行优化，给学习机选择一组最优超参数，以提高学习的性能和效果。
  • 比如：模型的学习率 learning rate，深层神经网络隐藏层数 hidden layers（在本章后面会介绍） hyper

* 训练集、验证集、测试集 (Train, Validation, Test Sets)

TVT TVT

train_test_split.py

  • 训练集：用来训练模型内参数的数据集
  • 验证集：验证集通常用于调整超参数，根据几组模型验证集上的表现决定哪组超参数拥有最好的性能。
  • 测试集：评估模型的泛化能力（看模型有没有出现过拟合）

* 过拟合（over-fitting ）欠拟合（under-fitting）

fit

  • 欠拟合： 欠拟合是指模型不能在训练集上获得足够低的误差。换句换说，就是模型复杂度低，模型在训练集上就表现很差，没法学习到数据背后的规律。
  • 过拟合： 过拟合是指训练误差和测试误差之间的差距太大。换句换说，就是模型复杂度高于实际问题，模型在训练集上表现很好，但在测试集上却表现很差。模型对训练集"死记硬背"（记住了不适用于测试集的训练集性质或特点），没有理解数据背后的规律，泛化能力差。

* Epoch (中文翻译：时期。一般机器学习工程师直接会用epoch而不是它的中文翻译)

  • 一个Epoch就是将所有训练样本训练一次的过程
  • 目的：在神经网络中传递完整的数据集一次是不够的，而且我们需要将完整的数据集在同样的神经网络中传递多次。但请记住，我们使用的是有限的数据集，并且我们使用一个迭代过程即梯度下降来优化学习过程。如下图所示。因此仅仅更新一次或者说使用一个epoch是不够的。
  • 随着epoch数量增加，神经网络中的权重的更新次数也在增加，曲线从欠拟合变得过拟合。 model

* EXTRA Batch_size (这个课上不用讲解)

  • 所谓Batch就是每次送入网络中训练的一部分数据，而Batch Size就是每个batch中训练样本的数量，这是另一个超参数
  • 优点：通过并行化提高内存的利用率，提高训练速度。适当Batch Size使得梯度下降方向更加准确。

* 模型准确率 (Accuracy)

acc

2. 使用 pytorch 库搭建并训练你的第一个神经网络

pytorch_perceptron.py

dataset.py

推荐教学时长：15分钟

  1. 训练，测试数据
    1. 使用 torch.utils.data 模块的 Dataset
  2. 将整个数据集分成训练集和测试集
  3. 定义神经网络结构
  4. 设置训练模型，参数
    1. optimizer 就是优化器，包含了需要优化的参数有哪些，
    2. loss_func 就是我们设置的损失函数
    3. epoch 是指所有数据被训练的总轮数
  5. 训练模型
    1. 使用当前模型 <训练的参数> 去预测数据相对应的标签 (label)，即 前向传播
    2. criterion() 计算【损失函数】结果， (output, target) 作为输入 (output为网络的输出,target为实际值)
    3. loss.backward 反向传播 - 利用损失函数反向传播计算梯度
    4. optimizer.step 梯度下降，更新模型参数 - 用我们定义的优化器将每个需要优化的参数进行更新
    5. 在训练过程中print出来训练中的损失函数结果（观察损失函数的变化）
  6. 测试模型
  7. 模型在 <训练集> 和 <测试集> 上的表现可视化

pytorch

3. 使用 Tensorflow playground 可视化 比较浅层神经网络和深度神经网络

推荐教学时长：10分钟

  • 什么是深度神经网络？ 深度神经网络是一种具备至少一个隐层的神经网络。 SNN DNN

图一是perceptron（浅层神经网络）；图二是深度神经网络（有>=1个隐层）

https://playground.tensorflow.org/#activation=tanh&batchSize=10&dataset=circle&regDataset=reg-plane&learningRate=0.03&regularizationRate=0&noise=0&networkShape=4,2&seed=0.41236&showTestData=false&discretize=false&percTrainData=50&x=true&y=true&xTimesY=false&xSquared=false&ySquared=false&cosX=false&sinX=false&cosY=false&sinY=false&collectStats=false&problem=classification&initZero=false&hideText=false

playground

引导学生回答下列问题：

  1. 多层神经网络有什么作用？
  2. 观察overfit, underfit (打开test data的distribution）
    • 过度fit原始数据集

预告下周 Module7：

用代码搭建，训练深度神经网络（对于图片数据进行分类）。卷积神经网络introduction

Extra：对于python如何写面向对象编程，这里是一个参考网站：https://www.runoob.com/python/python-object.html