用 Pytorch 手工实现 ResNet50 《吴恩达深度学习课程》第四课第二周的作业是：使用 Keras 和 Tensorflow 编写 ResNet50，用程序实现题目中描述的网络结构。由于程序填空提供了不少示例，做完后仍感觉理解不透彻，又使用 Pytorch 实现了一遍。 ResNet50 包含 49 个卷积层和 1 个全连接层，属于较大型的网络，实现起来略有难度。对于理解数据流、卷积层、残差、瓶颈层，以及对大型网络的编写和调试都有很大帮助。 使用的数据仍是第四课第二周中的手势图片识别，题目说明、Keras 例程和相关数据可从以下网址下载：https://blog.csdn.net/u013733326/article/details/80250818 Keras ResNet50 程序填空的代码可从以下网址下载：https://github.com/Kulbear/deep-learning-coursera/blob/master/Convolutional%20Neural%20Networks/Residual%20Networks%20-%20v1.ipynb Tor ...

卷积网络 CNN 卷积网络是近年来非常流行的网络结构，常用于处理图像（2 维卷积）和自然语言（1 维卷积）。在不明觉厉的情况下使用卷积层，往往使用别人设计的结构，凑参数往模型里塞，同复杂的原理书中的内容又有点对不上号。本篇从应用场景，具体用法入手，深入到每一个重要参数：具体用途、用法及计算方法。 为什么使用卷积网络 先来看看全连接网络的参数： 网络有三个输入 x1,x2,x3 和两个输出 y1,y2，具体计算方法是： 如果 y1 与 x3 没有什么关系，通过训练两者之间的参数 w31 可能趋近于 0，但该连接仍然存在。对于输入为 3 输出为 2 的网络需要训练 32=6 个参数。图片数据非常庞大，如果训练一张 10001000 像素，RGB 三通道的图片，则输入元素有 3M 个，如果第一个隐藏层有 1000 个元素，则需要训练 100010003*1000 个参数，使得网络非常庞大，同时需要非常大量的数据才能避免过拟合。 卷积网络的优势在于共享参数，比如一个 3x3 的检测物体边缘卷积核训练好后，即可用于整个图片，此时需要学习的参数只有 3x3=9 个，如果在一层中训练 20 个 ...

归一化 为什么使用归一化 如果输入有多个 feature，且它们的数值范围有很大差异，这样训练时学习率就不能设置得太大，以免大幅调参引发越界。反之，如果各个 feature 有相同的均值和方差，则可使用更高的学习率，使收敛更快。归一化解决了梯度爆炸和梯度消失的问题，使构建更深层的网络成为可能，还避免了梯度爆炸和梯度消失。 使用模型时需要保证训练数据和测试数据同分布。在机器学习中往往对输入数据进行归一化处理，在深度学习中则常对网络的每一层都做归一化处理，以保证每次处理的数据分布一致。这也使得层与层之间更加独立，依赖更小。Batch-Normalize（BN）论文中描述：加入 BN 方法后，模型训练提速 14 倍，且精度也有所提升。 Convariate shift（漂移）问题 从原理上看，归一化缓解了内部协变量的移位问题，即漂移问题。深度神经网络中每一层输入都依赖之前层的输出，在训练的不同阶段，前层输出的分布也不相同。调参幅度越大越可能使分布变化，因此，只能使用较小的学习率，这样又使得收敛变慢。 由调参引发的内部数据分布变化的问题叫做内部协变量的移位问题，也被称作漂移问题。归一化方法可以 ...

深度网络调参 重要的超参数 深度学习网络有很多超参数，下面列出了一些比较重要，常常需要调节的超参数。 最重要 学习率 较重要 mini-batch size hidden units 网络层数 动量参数 学习率衰减 算力不同的调参 算力不同、网络规模、数据量不同，也有不同的调参方法，当模型和计算量较小时，可以使用网格调参；在算力足够的情况下，使用多组参数并行训练模型；反之，如果算力不足，且模型和数据较大，可能需要手动调参，比如训练几天之后，手动下调学习率，动量等超参数，人为地逐渐推进训练过程。 网格调参和随机调参 机器学习中常使用网格调参，即将参数列成表格，按一定步长尝试所有组合的参数，这种方法适用于较小的网络。深度学习网络一般较大，训练时间较长，一般使用随机抽取方法，在重点区域进行更多的抽样（密度更大），这样在一开始不确定哪些超参数重要时，可以广撒网，越往后越有针对性，实现从粗到细调参，同时又兼顾各种可能性，以免陷入局部最优值，类似于蒙特卡洛方法。 非线性轴调参 非线性轴调参也是常见的调参问题，比如设置学习率常常是 0.1, 0.01, 0.001, 0.0001…这样就不能 ...

设置 BatchSize BatchSize 是非常重要的超参数，它不仅影响训练速度，也影响模型精度。本篇来讨论如何选择 BatchSize。 BatchSize 是否越大越好？ BatchSize 一般指同时代入训练模型的实例个数，最直接的经验是如果 GPU 显存不大，又设置较大的 BatchSize 时直接报错“cuda runtime error(2): out of memory”。 是不是只要机器性能允许，就要设置尽可能大的 Batch size 呢？同时训练多个实例比逐个代入单个实例训练速度又能提高多少？ 下图为使用不同的 batchSize，在 LeNet 上训练 mnist 数据的效果，使用的框架为 Theano。 可以看到，使用较大的 batchSize 的确可以提速，但是 batchSize 大到一定程度后，效果并不十分明显。 从图中可以看到如果将所有数据全部代入一次迭代（左图），则在训练集上的代价函数下降比较平滑，如果切分成多个 Batch，代价函数不一定是下降的。这是由于每一个 Batch 中数据的难度不同，造成了代价函数忽大忽小。 如何选择 batch 大 ...

避免过拟合 欠拟合和过拟合 欠拟合是指在训练集和测试集（或验证集）上模型效果都不好，一般由于模型能力不足导致；过拟合是指模型在训练集上表现好，而在测试集上表现不好，一般由于模型过度拟合了训练集中的噪声导致。本文主要讨论解决过拟合问题的方法。 L2 正则化 无论机器学习还是深度学习，L2 正则化项都用于限制参数 W 过大，它被累加在代价函数之中。 代价函数Ｊ除了计算每个实例的误差Ｌ，还加入网络中每层参数Ｗ的 2 范数的平方，并用λ作为参数，当λ较大时，就需要Ｗ接近０，才能得到较小的代价函数，这样一些无关紧要的参数就变成了０，从而减少了模型的复杂度，以及压缩后模型的规模。另外，较小的Ｗ也使层之间传递的数据变小，这样在使用 sigmoid 和 tanh 激活函数时，数据刚好集中在中间类似线性变换的一段，使非线性变换的结果类似线性变换。由于多个线性组合叠加相当于单个线性层，因此也倾向于简化模型。 如果使用 L1 正则化，参数矩阵将变得稀疏，根据经验，一般 L2 效果更好。L2 正则化方法可用于简化决策，但不适用于需要复杂决策的问题。使用该方法时，需要尝试多个λ值。 Dropout 方法 Dr ...

初始化网络参数 #深度学习 为什么要给网络参数赋初值 既然网络参数通过训练得到，那么其初值是否重要？设置初值不佳是否只影响收敛速度而不影响模型结果？网络参数是否可以设置为全 0 或者全 1？ 假设网络的参数Ｗ初值都是０，如下图所示，无论输入任何Ｘ，第一层的输出Ａ将都为０，再向前传递到 y 也是 0，使用误差函数调参时，每一层的梯度只与该层的输入和输出有关，由于 a1,a2 值相等，计算出的梯度调整的值，以及调整后的梯度也相等；第二次迭代也同理，由于 a1,a2 相等，w[2]中各单元的值也相等。因此该层有 100 个单元与 1 个单元没有差异，该问题被称为“对称性”问题。 试想将 w 设置成全 1，则有 a1=x1+x2，a2=x1+x2，a1 与 a2 值仍然相同，对称性问题依然存在。由此，一般将参数设置为随机值。 设置成随机值还不够，还需要设置成较小的随机值，试想如果 w 的均值在 0.5 附近，某一层的输入输出都为 500 个元素，那么经过该层乘和加的运算，输出约是输入值的 250 倍；如果存在多层，250x250x…，很快就爆炸了。如果在层后使用 Sigmoid 函数，将值映 ...

激活函数 为什么使用激活函数 如果没有激活函数，神经网络就变成了线性模型，输出是输入的线性组合，使用一层与使用多层没有区别。如下式所示，输入为 x，经过线性层计算出 a1，将 a1 输入下个线性层得到 a2，展开后可以看出，最终得到的仍然是 wx+b 的线性组合，只是参数值不同。 图片.png 另外，线性层无法解决非线性问题，如在预测房价问题中，如果不使用激活函数，则房价可能计算成负值，这也与实际不符。理论上，加了激活函数后，模型可以逼近任意函数。 激活函数又分线性激活函数和非线性激活函数，一般使用的都是非线性激活函数，线性激活函数与线性层类似，只在输出层偶尔使用，不在此展开讨论。 何时使用激活函数 激活函数一般放置在线性变换之后，在线性变换和激活函数之间，常常插入归一化层，用于解决饱和的非线性激活函数问题（下面 Sigmoid 函数部分详细说明）。 如何选择激活函数 从一些当前流行的深度学习网络代码中，可以看到，当前使用的激活函数绝大部分是 ReLU；在一些特殊情况下，也使用 Sigmoid，比如二分类问题的最后一层使用 Sigmoid 将输出转换到 0-1 之间；又如使用注意 ...

浅析梯度迭代算法 梯度迭代类算法已成为目前各种领域的主流算法。各种现实中的问题分解抽象成机器可以处理的形式之后，基本都可归类为图像、自然语言处理、决策、时序、强化学习这几种类型，而当今解决这些问题的顶尖算法中，梯度迭代（梯度上升或梯度下降）都占据主流地位，比如决策类问题的比赛中，梯度下降决策树 GBDT 类算法是完全的主流，使用深度学习网络处理图片自然语言问题更毋庸置疑。 那么，梯度迭代算法究竟是什么？简单地说，就是代入数据，预测结果，如果结果偏大就调小参数，结果偏小就调大参数。举一个简单的例子，分为三个小问题： 问题一 假设父亲的智商影响儿子的智商，设父亲的智商为ｘ，儿子的智商为ｙ，y=wx，训练一个参数 w 学习二者之间的关系。目前有多个父子智商数据对，其中第一个数据：父亲智商 x=100，儿子智商 w=110，将 w 初值设为 w=1.0；学习率设为 0.00001，计算平均误差。 如下程序用于学习 w。 123456789101112131415161718192021import torch import matplotlib.pyplot as plt %matplo ...

Pytorch 常用函数之一 _ 数据类型 #Pytorch 编程语言和自然语言一样，不理解的词越多，对全文的理解就越差。掌握必要的基础知识，让后期看代码更加流畅。 机器学习需要掌握数据处理工具 Pandas、Numpy，同理，深度学习也需要掌握相应的工具，在 Pytorch 中数据存储在 Tensor 之中，本篇将介绍它们的基本用法以及与之相关的常用函数。 查看版本信息 包含头文件 11. import torch 1．查看 torch 版本 11. print(torch.__version__) 2．查看 CUDA 版本 11. print(torch.version.cuda) GPU 相关操作 1. 查看当前是否支持 GPU 11. device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu') 2．GPU 相关的数据转换 123451. a = torch.Tensor([5]) 2. b = a.to('cuda') # ...