深度学习原理
1 简介
AIGC（Artificial Intelligence Generated Content，即人工智能生成内容）是一种利用人工智能技术自动创建文本、图像、音频和视频等内容的技术。AIGC的核心是通过机器学习和深度学习算法，让计算机模型学会理解和生成人类语言，从而能够自动产生有价值的内容。这是几个关键概念的关系：
生成式AI系统的设计通常基于神经网络模型，尤其是自然语言处理（NLP）领域的模型。这些模型的设计灵感往往来源于人脑的结构和功能，通过模拟神经元的连接和信息传递机制，构建复杂的网络结构。
右边的节点网络中，最左侧的3个浅紫色的点是输入节点，最右边的2个红色节点是输出节点，中间的2层就是处理层（又叫隐藏层神经元）
一个典型的神经网络模型可能包括以下三部分：
（1）输入层：接收输入数据，如文本、语音或图像。
（2）处理层：通过多层的神经网络对输入进行处理和学习，提取关键信息和特征。
（3）输出层：根据学习到的信息生成响应或内容。
对神经网络简化，得到只有一个输入、1个处理和1个输出的模型：
这个图里，输入数据X经过线性函数l和非线性函数r计算，最终得到结果Y’。
要怎么理解上面这个图呢？
下面我们将它用一个例子来讲清楚其原理。
2 用一个求函数表达式的问题解析深度学习原理
首先提出问题：求下图中的y=f(x)关于x的表达式：
可以看到这个函数曲线大致分为了3部分，我们把它标注为下图：
如果要知道f(x)的表达式，那把1、2、3的表达式求出来，他们组合的结果就是f(x)的函数表达式了。
2.1 线性和非线性函数
在进行下一步之前，咱们得先了解下线性函数和非线性函数的区别：
2.1.1 线性函数（Linear Function）
线性函数是指输入和输出之间存在线性关系的函数。在线性函数中，输出是输入的加权和，可能还会加上一个偏置项。线性函数的一般形式可以表示为：
y=wx+b
其中，w 是权重，x 是输入，b 是偏置项，而 y 是输出。线性函数的特点是，当输入增加时，输出成比例地增加；当输入减少时，输出成比例地减少。线性函数无法捕捉输入和输出之间的复杂关系，如非线性模式或特征。
2.1.2 非线性函数（Non-linear Function）
非线性函数是指输入和输出之间不是简单比例关系的函数。非线性函数可以引入数据的复杂模式和结构，使得神经网络能够学习和模拟更加复杂的函数映射。非线性函数在神经网络中又比称为激活函数，常见的激活函数包括：
- ReLU 函数：ReLU(x)=max(0,x)
- Sigmoid 函数：....
- Tanh 函数：....
- Swish 函数：Swish(x)=x⋅σ(x)
非线性函数的特点是，它们可以使得神经网络的输出不仅仅依赖于输入的线性组合，还能够捕捉输入之间的相互作用和复杂的非线性关系。这对于解决实际问题非常重要，因为现实世界中的很多问题都是非线性的。
2.1.3 线性与非线性在神经网络中的作用
在线性神经网络中，如果网络只包含线性函数，那么无论网络有多少层，最终的输出都是输入的线性组合。这意味着多层线性网络的功能与单层线性网络相同，因为线性函数的复合仍然是线性的。这就是为什么我们需要非线性激活函数的原因。非线性激活函数打破了线性，使得每一层都能够学习到新的、更复杂的特征表示，从而使神经网络能够解决更加复杂的任务。
例：
Y=a(c(ex+f)+d)+b
3次线性操作后合并同类项，最终结果会等于：
Y= Ax+B
还是线性函数。
2.2 深度学习原理
2.2.1 函数分段
回到上面的例子，要求解的函数图像分割成3部分
对应上面的1、2、3分段的函数，3部分的表达式组合即可表达函数的y=f(x)。
2.2.2 引入非线性函数
接下来引入一个非线性函数，本例使用上文提到的ReLU函数。其图形如下所示：
2.2.3 非线性函数图形变换
对于坐标轴上的任意一段分段图形，都可通过调整R(x)函数获得，如下图所示：
对应到函数表达式上为：
R(x)1=R(x-1)
R(x)2=3R(x-4)-5
2.2.4 线性操作与非线性操作示例
以R(x)2=3R(x-4)-5 这个变换后得到的图像为例：
对数据X来说，
- x进行一次线性操作： y=x-4 （参数分别是1和4）
- 线性操作的结果做一次非线性操作：y=R(x-4)
- 非线性操作的结果再做一次线性操作：3R(x-4)-5 （参数分别是3和5）
自此，输入x通过线性+非线性+线性操作，得到一个任意位置的R(x)函数。
2.2.5 函数求解的神经网络图表达
我们将上述例子的求解方法按照前面的神经图来输出，就得到了下图：
图示有3个神经元，每个路径经过1次线性操作L，1次非线性操作R，1次线性操作L，得到1个分段函数f(x)1，3个路径得到3个分段函数组成预测函数Y’。
然而，正常情况下的要求的函数图像并不是规则的，于是就需要更多的处理节点、更多层数的隐藏层去处理，以得到更拟合原有函数y=f(x)的预测结果。
通过在隐藏层增加更多层的处理层，来获得更精确的预测结果。
隐藏层越多、单层的处理节点越多，其参数就越多，模型也越加复杂，结果也就接近正确值，正是因为中间隐藏层很多、很深，所以神经网络模型也叫深度学习模型。
在这个过程中，模型训练就是通过调整每个线性函数的参数（权重Weights和偏移量Biases），使结果更准确的拟合。
2.2.6 损失函数
既然是根据分段来拟合，那必然少不了与原始函数的差异，拟合函数与原函数的差异，我们用损失函数来说表示，损失函数是衡量模型预测结果与真实结果之间差异的指标。在训练过程中，模型的目标是最小化这个损失。
如：使用绝对值均值（Y与Y’在相同x的差值的绝对值的均值）来衡量损失函数的值。在计算得到损失函数的值后，通过优化算法、反向传播算法来调整权重，以找到最小化损失函数的权重值
2.2.6.1 反向传播算法
反向传播算法是神经网络训练中的核心，它通过计算损失函数相对于每个权重的梯度来更新权重。这个过程从输出层开始，逐层向输入层反向传播误差信号，每个神经元的权重都会根据误差梯度进行调整。反向传播通常与梯度下降算法结合使用，以找到最小化损失函数的权重值。
2.2.6.2 优化算法
优化算法用于更新网络中的权重，以减少损失函数的值。最常见的优化算法是随机梯度下降（SGD）及其变体，如Adam等。这些算法通过在每次迭代中调整权重来逐步优化模型的性能。
2.2.7正则化
在深度学习中，正则化是一种用于防止过拟合的技术。过拟合是指模型在训练数据上表现很好，但在未见过的测试数据上表现较差的现象。这通常是因为模型学习到了训练数据中的噪声和细节，而没有捕捉到数据的潜在分布或泛化特征。
常见的正则化方法包括：
L1正则化（Lasso）：在损失函数中添加权重的绝对值之和，倾向于产生稀疏权重矩阵，即许多权重为零。
L2正则化（Ridge）：在损失函数中添加权重的平方和，倾向于让权重均匀地分布，而不是选择少数几个特征。
Dropout：在训练过程中随机丢弃（即暂时移除）网络中的一些节点，防止模型对特定的神经元过度依赖。
早停（Early Stopping）：在训练过程中监控模型在验证集上的表现，当性能不再提升或开始下降时停止训练，以避免过拟合。
正则化是深度学习中提高模型性能的重要手段，通过适当的正则化策略，可以使模型在未知数据上表现得更好。
OK，到这里我们已经把深度学习的整个流程讲完了，总结一下：
深度学习的核心部分，是通过一系列的学习和训练过程来掌握数据的特征和模式。
这个过程可以分为以下几个关键步骤：
（1）前向传播：
当输入数据（如文本序列）被送入模型时，它会通过每一层的神经元进行前向传播。每个神经元都会接收来自前一层的输入，通过加权求和（考虑每个连接的权重）后，通常会通过一个非线性激活函数（如ReLU）进行转换，产生输出到下一层。这个过程会一直重复，直到达到输出层。
（2）权重初始化：
在训练开始之前，模型中的权重通常会被初始化为随机值。这是为了防止权重在训练初期就陷入局部最优解，确保模型能够开始学习。权重初始化的方法有很多种，如随机初始化等，每种方法都旨在帮助模型更有效地学习。
（3）模型训练与参数优化
在训练过程中，模型通过损失函数来衡量模型预测结果与真实结果之间差异，在计算得到损失函数的值后，通过优化算法、反向传播算法来调整权重，以找到最小化损失函数的权重值。这个过程通常涉及到监督学习，即模型通过比较预测结果和真实结果的差异来不断调整自身参数。为了防止模型过拟合（即在训练数据上表现很好但在未见数据上表现差），通常会在训练过程中加入正则化项。
通过这些步骤，模型的处理层能够逐渐学习到如何从输入数据中提取特征，并将这些特征转化为有意义的输出。随着训练的进行，模型的性能会逐渐提高，最终能够生成符合预期的内容。
相信通过这篇文章，也能明白各种大模型里的提到的亿级的参数、模型训练等都是什么意思了。