内容安全复习 3 - 深度学习基础
文章目录
- 深度学习概述
- 神经网络简介
- 损失函数
- 反向传播
- 卷积神经网络
- 什么是卷积神经网络
- 卷积
- 最大池化
- 展平
- 典型的神经网络结构
- Transformer（转换器、变压器？）
- 自注意力机制
- 多头注意力机制
深度学习概述
前文提到深度学习分三步：神经网络 – 衡量方程优劣 – 找出最好的方程。我们这节就围绕神经网络展开。
神经网络简介
神经网络的网络结构由多个神经元组成，不同的连接导致不同的结构。
如下图，这是一个网络结构示例：
不难得出，一个网络结构实际是定义了一个方程组。
比如图中的两个例子，在这个网络输入不同的值，计算得出不同的输出。这本质就是一个方程组 f([1, -1])=[0.62, 0.83], f([0, 0])=[0.51, 0.85]。
对于一个完整的神经网络，可以分成如下三层：输入层、隐层、输出层。
损失函数
对于一组给定参数，经过隐层计算后得到输出向量 y y y。此时，利用 y y y， y ^ \hat{y} y^ 这两个向量计算交叉熵。
对所有的训练数据计算出的所有交叉熵，计算总损失 L L L。通过计算总损失，可以找到使总损失最小的方程和网络参数。
反向传播
反向传播为了实现参数的最优化，进而优化神经网络。
在反向传播中，输出与期望的误差的平方和作为目标函数，转入反向传播，逐层求出目标函数对各神经元权值的偏导数，构成目标函数对权值向量的梯量，作为修改权值的依据。
总结，记住反向传播是利用计算梯度来优化神经网络即可。
卷积神经网络
什么是卷积神经网络
这张图展示了一个卷积神经网络的流程——对一个输入进行多次卷积和最大池化，在展平之后交给全连接前馈神经网络。
卷积
对于一个图像，我们首先把他转化成二维矩阵的形式。此时，有 n 个如图所示的小矩阵被称为卷积核。每个卷积核检测一个模式（3 * 3）。意思就是这里一个卷积核只有3*3大小，只能检测这么大。
用第一个矩阵，卷积核 1 来举例。
首先从图像矩阵左上角开始，取 3*3 大小的部分，和该卷积核做点乘运算，得到值 3。
左上角那个3*3大小的矩阵和卷积核1矩阵，内部每个对应位置的元素相乘，然后相加得到结果。
可以看到步长为 1，所以我们将这个 3*3 的小框向右平移 1 格，再次点乘运算，得到值 -1。
如果步长为2，那么一次平移2格。
可以看到过完整个图像矩阵后得到的结果如图所示。
对每个过滤器（卷积核）做同样的处理，得到 n 个 4*4 图像。
红框用的是卷积核1，蓝框用的是卷积核2。
这样，我们就把一个彩色图像转换成了特征图，这样的好处是减少了参数。
最大池化
拿上文中的卷积核 2（蓝框）得到的特征图来进行说明。
我们可以直观地理解为，对于每个 2*2 的窗口，取其中的最大值，这样可以取特征中最强烈的部分进入下一层，去掉冗余信息。
反复的重复卷积操作和最大池化操作，可以得到一张更小的图像。
每一个卷积核实际上是一个通道，通道的个数就是卷积核的个数。通道就是什么RGB通道啊之类的
展平
字面意思，把每个特征图矩阵展平成输入。
典型的神经网络结构
主要记一下顺序和长什么样就行
（1）使用了 ReLU 激活函数: f(x)=max(0,x)
（2）标准化
（3）有效地防止神经网络的过拟合
（4）数据增广
Transformer（转换器、变压器？）
自注意力机制
- Step 1：
首先输入一组 { x 1 , x 2 , x 3 , x 4 } \{x_1, x_2, x_3, x_4\} {x1,x2,x3,x4}，他们分别与权重矩阵 W W W 相乘得到向量 { a 1 , a 2 , a 3 , a 4 } \{a_1, a_2, a_3, a_4\} {a1,a2,a3,a4}。
这些向量分别与不同的变换矩阵 { W q , W k , W v } \{W^q, W^k, W^v\} {Wq,Wk,Wv} 相乘，得到三个向量，记为 { q i , k i , v i } \{q^i, k^i, v^i\} {qi,ki,vi}。其中 q i q^i qi 用来匹配单词； k i k^i ki 为密钥，被 q i q^i qi 匹配； v i v^i vi 则是被抽出的信息。 - Step 2：
q 1 q^1 q1 和 k i k^i ki 遍历做运算，得到 α 1 , i \alpha_{1,i} α1,i 。其中， d d d 是 q q q 和 k k k 的维数，除以 d \sqrt{d} d 是为了消除点乘带来的常数放大。 - Step 3：
将这些 α 1 , i \alpha_{1,i} α1,i 作为输入 Soft-max 函数，得到输出 α ^ 1 , i \hat\alpha_{1,i} α^1,i。
Soft-max 函数被称为归一化指数函数，计算方法如图片上方公式所列出。exp 指自然指数函数。 - Step 4：
上一步得到的 α ^ 1 , i \hat\alpha_{1,i} α^1,i，分别与各自的 v i v^i vi 相乘，得到 b 1 b^1 b1。
同理，算出 α ^ 2 , i \hat\alpha_{2,i} α^2,i，分别与各自的 v i v^i vi 相乘，得到 b 2 b^2 b2。
这一步的 b i b^i bi 是可以并行计算的。
综上，这几步可以概括为：计算 q i q^i qi， k i k^i ki， v i v^i vi；计算 α j , i \alpha_{j, i} αj,i；计算 α ^ j , i \hat\alpha_{j, i} α^j,i；计算 b j b^j bj。
将这个过程转化成矩阵表示如下：
多头注意力机制
