DeepLearning.ai深度学习课程笔记
  • Introduction
  • 第一门课 神经网络和深度学习(Neural-Networks-and-Deep-Learning)
    • 第一周：深度学习引言(Introduction to Deep Learning)
      • 1.1 神经网络的监督学习(Supervised Learning with Neural Networks)
      • 1.2 为什么神经网络会流行？(Why is Deep Learning taking off?)
    • 第二周：神经网络的编程基础(Basics of Neural Network programming)
      • 2.1 二分类(Binary Classification)
      • 2.2 逻辑回归(Logistic Regression)
      • 2.3 逻辑回归的代价函数（Logistic Regression Cost Function）
      • 2.4 逻辑回归的梯度下降（Logistic Regression Gradient Descent）
      • 2.5 梯度下降的例子(Gradient Descent on m Examples)
      • 2.6 向量化 logistic 回归的梯度输出（Vectorizing Logistic Regression’s Gradient Output）
      • 2.7 （选修）logistic 损失函数的解释（Explanation of logistic regression cost function ）
      • Logistic Regression with a Neural Network mindset 代码
      • lr_utils.py
    • 第三周：浅层神经网络(Shallow neural networks)
      • 3.1 神经网络概述（Neural Network Overview）
      • 3.2 神经网络的表示（Neural Network Representation ）
      • 3.3 计算一个神经网络的输出（Computing a Neural Network's output ）
      • 3.4 多样本向量化（Vectorizing across multiple examples ）
      • 3.5 激活函数（Activation functions）
      • 3.6 为什么需要（ 非线性激活函数？（why need a nonlinear activation function?）
      • 3.7 激活函数的导数（Derivatives of activation functions ）
      • 3.8 神经网络的梯度下降（Gradient descent for neural networks）
      • 3.9 （选修）直观理解反向传播（Backpropagation intuition ）
      • 3.10 随机初始化（Random+Initialization）
      • Planar data classification with one hidden layer
      • planar_utils.py
      • testCases.py
    • 第四周：深层神经网络(Deep Neural Networks)
      • 4.1 深层神经网络（Deep L-layer neural network）
      • 4.2 前向传播和反向传播（Forward and backward propagation）
      • 4.3 深层网络中的前向传播（Forward propagation in a Deep Network ）
      • 4.4 为什么使用深层表示？（Why deep representations?）
      • 4.5 搭建神经网络块（Building blocks of deep neural networks）
      • 4.6 参数 VS 超参数（Parameters vs Hyperparameters）
      • Building your Deep Neural Network Step by Step
      • dnn_utils.py
      • testCases.py
      • Deep Neural Network Application
      • dnn_app_utils.py
  • 第二门课 改善深层神经网络：超参数调试、 正 则 化 以 及 优 化 (Improving Deep Neural Networks:Hyperparameter tuning, Regulariza
    • 第二门课 改善深层神经网络：超参数调试、正则化以及优化(Improving Deep Neural Networks:Hyperparameter tuning, Regularization and
      • 第一周：深度学习的实用层面(Practical aspects of Deep Learning)
        • 1.1 训练，验证，测试集（Train / Dev / Test sets）
        • 1.2 偏差，方差（Bias /Variance）
        • 1.3 机器学习基础（Basic Recipe for Machine Learning）
        • 1.4 正则化（Regularization）
        • 1.5 为什么正则化有利于预防过拟合呢？（Why regularization reduces overfitting?）
        • 1.6 dropout 正则化（Dropout Regularization）
        • 1.7 理解 dropout（Understanding Dropout）
        • 1.8 其他正则化方法（Other regularization methods）
        • 1.9 归一化输入（Normalizing inputs）
        • 1.10 梯度消失/梯度爆炸（Vanishing / Exploding gradients）
        • 1.11 神经网络的权重初始化（Weight Initialization for Deep Networks）
        • 1.12 梯度的数值逼近（Numerical approximation of gradients）
        • 1.13 梯度检验（Gradient checking）
        • 1.14 梯度检验应用的注意事项（Gradient Checking Implementation Notes）
        • Initialization
        • Gradient Checking
        • Regularization
        • reg_utils.py
        • testCases.py
      • 第二周：优化算法 (Optimization algorithms)
        • 2.1 Mini-batch 梯度下降（Mini-batch gradient descent）
        • 2.2 理解 mini-batch 梯度下降法（Understanding mini-batch gradient descent）
        • 2.3 指数加权平均数（Exponentially weighted averages）
        • 2.4 理解指数加权平均数（Understanding exponentially weighted averages ）
        • 2.5 指 数 加 权 平 均 的 偏 差 修 正 （ Bias correction in exponentially weighted averages ）
        • 2.6 动量梯度下降法（Gradient descent with Momentum ）
        • 2.7 RMSprop( root mean square prop)
        • 2.8 Adam 优化算法(Adam optimization algorithm)
        • 2.9 学习率衰减(Learning rate decay)
        • 2.10 局部最优的问题(The problem of local optima)
        • Optimization
        • opt_utils.py
        • testCases.py
      • 第 三 周 超 参 数 调 试 、 Batch 正 则 化 和 程 序 框 架 （Hyperparameter tuning）
        • 3.1 调试处理（Tuning process）
        • 3.2 为超参数选择合适的范围（Using an appropriate scale to pick hyperparameters）
        • 3.3 超参数训练的实践： Pandas VS Caviar（Hyperparameters tuning in practice: Pandas vs. Caviar）
        • 3.4 归一化网络的激活函数（ Normalizing activations in a network）
        • 3.5 将 Batch Norm 拟合进神经网络（Fitting Batch Norm into a neural network）
        • 3.6 Batch Norm 为什么奏效？（Why does Batch Norm work?）
        • 3.7 测试时的 Batch Norm（Batch Norm at test time）
        • 3.8 Softmax 回归（Softmax regression）
        • 3.9 训练一个 Softmax 分类器（Training a Softmax classifier）
        • tensorflow tutorial
        • improv_utils.py
        • tf_utils.py
  • 第三门课 结构化机器学习项目（Structuring Machine Learning Projects）
    • 第三门课 结构化机器学习项目（Structuring Machine Learning Projects）
      • 第一周 机器学习（ML）策略（1）（ML strategy（1））
        • 1.1 为什么是 ML 策略？（Why ML Strategy?）
        • 1.2 正交化（Orthogonalization）
        • 1.3 单一数字评估指标（Single number evaluation metric）
        • 1.4 满足和优化指标（Satisficing and optimizing metrics）
        • 1.5 训练/开发/测试集划分（Train/dev/test distributions）
        • 1.6 开发集和测试集的大小（Size of dev and test sets）
        • 1.7 什么时候该改变开发/测试集和指标？（When to change dev/test sets and metrics）
        • 1.8 为什么是人的表现？（ Why human-level performance?）
        • 1.9 可避免偏差（Avoidable bias）
        • 1.10 理解人的表现（Understanding human-level performance）
        • 1.11 超过人的表现（Surpassing human- level performance）
        • 1.12 改善你的模型的表现（Improving your model performance）
      • 第二周：机器学习策略（2）(ML Strategy (2))
        • 2.1 进行误差分析（Carrying out error analysis）
        • 2.2 清楚标注错误的数据（Cleaning up Incorrectly labeled data）
        • 2.3 快速搭建你的第一个系统，并进行迭代（Build your first system quickly, then iterate）
        • 2.4 在不同的划分上进行训练并测试（Training and testing on different distributions）
        • 2.5 不匹配数据划分的偏差和方差（Bias and Variance with mismatched data distributions）
        • 2.6 定位数据不匹配（Addressing data mismatch）
        • 2.7 迁移学习（Transfer learning）
        • 2.8 多任务学习（Multi-task learning）
        • 2.9 什么是端到端的深度学习？（What is end-to-end deep learning?）
        • 2.10 是否要使用端到端的深度学习？（Whether to use end-to-end learning?）
  • 第四门课 卷积神经网络（Convolutional Neural Networks）
    • 第四门课 卷积神经网络（Convolutional Neural Networks）
      • 第一周 卷积神经网络（Foundations of Convolutional Neural Networks）
        • 1.1 计算机视觉（Computer vision）
        • 1.2 边缘检测示例（Edge detection example）
        • 1.3 更多边缘检测内容（More edge detection）
        • 1.4 Padding
        • 1.5 卷积步长（Strided convolutions）
        • 1.6 三维卷积（Convolutions over volumes）
        • 1.7 单层卷积网络（One layer of a convolutional network）
        • 1.8 简单卷积网络示例（A simple convolution network example）
        • 1.9 池化层（Pooling layers）
        • 1.10 卷积神经网络示例（Convolutional neural network example）
        • 1.11 为什么使用卷积？（Why convolutions?）
        • Convolution model Step by Step
        • Convolutional Neural Networks: Application
        • cnn_utils
      • 第二周 深度卷积网络：实例探究（Deep convolutional models: case studies）
        • 2.1 经典网络（Classic networks）
        • 2.2 残差网络（Residual Networks (ResNets)）
        • 2.3 残差网络为什么有用？（Why ResNets work?）
        • 2.4 网络中的网络以及 1×1 卷积（Network in Network and 1×1 convolutions）
        • 2.5 谷歌 Inception 网络简介（Inception network motivation）
        • 2.6 Inception 网络（Inception network）
        • 2.7 迁移学习（Transfer Learning）
        • 2.8 数据扩充（Data augmentation）
        • 2.9 计算机视觉现状（The state of computer vision）
        • Residual Networks
        • Keras tutorial - the Happy House
        • kt_utils.py
      • 第三周 目标检测（Object detection）
        • 3.1 目标定位（Object localization）
        • 3.2 特征点检测（Landmark detection）
        • 3.3 目标检测（Object detection）
        • 3.4 卷积的滑动窗口实现（Convolutional implementation of sliding windows）
        • 3.5 Bounding Box预测（Bounding box predictions）
        • 3.6 交并比（Intersection over union）
        • 3.7 非极大值抑制（Non-max suppression）
        • 3.8 Anchor Boxes
        • 3.9 YOLO 算法（Putting it together: YOLO algorithm）
        • 3.10 候选区域（选修）（Region proposals (Optional)）
        • Autonomous driving application - Car detection
        • yolo_utils.py
      • 第四周 特殊应用：人脸识别和神经风格转换（Special applications: Face recognition &Neural style transfer）
        • 4.1 什么是人脸识别？（What is face recognition?）
        • 4.2 One-Shot学习（One-shot learning）
        • 4.3 Siamese 网络（Siamese network）
        • 4.4 Triplet 损失（Triplet 损失）
        • 4.5 面部验证与二分类（Face verification and binary classification）
        • 4.6 什么是深度卷积网络？（What are deep ConvNets learning?）
        • 4.7 代价函数（Cost function）
        • 4.8 内容代价函数（Content cost function）
        • 4.9 风格代价函数（Style cost function）
        • 4.10 一维到三维推广（1D and 3D generalizations of models）
        • Art Generation with Neural Style Transfer
        • nst_utils.py
        • Face Recognition for the Happy House
        • fr_utils.py
        • inception_blocks.py
  • 第五门课 序列模型(Sequence Models)
    • 第五门课 序列模型(Sequence Models)
      • 第一周 循环序列模型（Recurrent Neural Networks）
        • 1.1 为什么选择序列模型？（Why Sequence Models?）
        • 1.2 数学符号（Notation）
        • 1.3 循环神经网络模型（Recurrent Neural Network Model）
        • 1.4 通过时间的反向传播（Backpropagation through time）
        • 1.5 不同类型的循环神经网络（Different types of RNNs）
        • 1.6 语言模型和序列生成（Language model and sequence generation）
        • 1.7 对新序列采样（Sampling novel sequences）
        • 1.8 循环神经网络的梯度消失（Vanishing gradients with RNNs）
        • 1.9 GRU单元（Gated Recurrent Unit（GRU））
        • 1.10 长短期记忆（LSTM（long short term memory）unit）
        • 1.11 双向循环神经网络（Bidirectional RNN）
        • 1.12 深层循环神经网络（Deep RNNs）
        • Building your Recurrent Neural Network
        • rnn_utils.py
        • Dinosaurus Island -- Character level language model final
        • utils.py
        • shakespeare_utils.py
        • Improvise a Jazz Solo with an LSTM Network
      • 第二周 自然语言处理与词嵌入（Natural Language Processing and Word Embeddings）
        • 2.1 词汇表征（Word Representation）
        • 2.2 使用词嵌入（Using Word Embeddings）
        • 2.3 词嵌入的特性（Properties of Word Embeddings）
        • 2.4 嵌入矩阵（Embedding Matrix）
        • 2.5 学习词嵌入（Learning Word Embeddings）
        • 2.6 Word2Vec
        • 2.7 负采样（Negative Sampling）
        • 2.8 GloVe 词向量（GloVe Word Vectors）
        • 2.9 情感分类（Sentiment Classification）
        • 2.10 词嵌入除偏（Debiasing Word Embeddings）
        • Operations on word vectors
        • w2v_utils.py
        • Emojify
        • emo_utils.py
      • 第三周 序列模型和注意力机制（Sequence models & Attention mechanism）
        • 3.1 基础模型（Basic Models）
        • 3.2 选择最可能的句子（Picking the most likely sentence）
        • 3.3 集束搜索（Beam Search）
        • 3.4 改进集束搜索（Refinements to Beam Search）
        • 3.5 集束搜索的误差分析（Error analysis in beam search）
        • 3.6 Bleu 得分（选修）（Bleu Score (optional)）
        • 3.7 注意力模型直观理解（Attention Model Intuition）
        • 3.8注意力模型（Attention Model）
        • 3.9语音识别（Speech recognition）
        • 3.10触发字检测（Trigger Word Detection）
        • Neural machine translation with attention
        • nmt_utils.py
        • Trigger word detection
        • td_utils.py
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  • Batch Norm 可以加速神经网络训练的原因：
  • 判别是否是猫的分类问题：
  • Batch Norm 解决Covariate shift的问题
  • Batch Norm 正则化效果

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  1. 第二门课 改善深层神经网络：超参数调试、 正 则 化 以 及 优 化 (Improving Deep Neural Networks:Hyperparameter tuning, Regulariza
  2. 第二门课 改善深层神经网络：超参数调试、正则化以及优化(Improving Deep Neural Networks:Hyperparameter tuning, Regularization and
  3. 第 三 周 超 参 数 调 试 、 Batch 正 则 化 和 程 序 框 架 （Hyperparameter tuning）

3.6 Batch Norm 为什么奏效？（Why does Batch Norm work?）

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Batch Norm 可以加速神经网络训练的原因：

  • 和输入层的输入特征进行归一化，从而改变Cost function的形状，使得每一次梯度下降都可以更快的接近函数的最小值点，从而加速模型训练过程的原理有相同的道理，只是Batch Norm是将各个隐藏层的激活函数的激活值进行的归一化，并调整到另外的分布

  • Batch Norm 可以使权重比网络更滞后或者更深层

判别是否是猫的分类问题：

假设第一训练样本的集合中的猫均是黑猫，而第二个训练样本集合中的猫是各种颜色的猫。如果将第二个训练样本直接输入到用第一个训练样本集合训练出的模型进行分类判别，在很大程度上无法保证能够得到很好的判别结果

因为训练样本不具有一般性（即不是所有的猫都是黑猫），第一个训练集合中均是黑猫，而第二个训练集合中各色猫均有，虽然都是猫，但是很大程度上样本的分布情况是不同的，无法保证模型可以仅仅通过黑色猫的样本就可以完美的找到完整的决策边界

这种训练样本（黑猫）和测试样本（猫）分布的变化称之为covariate shift。如下图所示：

深度神经网络中，covariate shift会导致模型预测效果变差，重新训练的模型各隐藏层的W[l]W^{[l]}W[l]和B[l]B^{[l]}B[l]均产生偏移、变化。而Batch Norm的作用恰恰是减小covariate shift的影响，让模型变得更加健壮，鲁棒性更强

使用深层神经网络，使用Batch Norm，该模型对花猫的识别能力应该也是不错

Batch Norm 解决Covariate shift的问题

网络的目的是通过不断的训练，最后输出一个更加接近于真实值的y^\hat yy^​，以第2个隐藏层为输入来看：

对于后面的神经网络，是以第二层隐层的输出值a[2]a^{[2]}a[2]作为输入特征的，通过前向传播得到最终的y^\hat yy^​，但是网络还有前面两层，由于训练过程，参数w[1],w[2]w^{[1]},w^{[2]}w[1],w[2]是不断变化的，对于后面的网络，a[2]a^{[2]}a[2]的值也是处于不断变化之中，所以就有了Covariate shift的问题

如果对z[2]z^{[2]}z[2]使用了Batch Norm，即使其值不断的变化，其均值和方差却会保持。Batch Norm的作用是限制前层的参数更新导致对后面网络数值分布程度的影响，使得输入后层的数值变得更加稳定。Batch Norm减少了各层W[l],B[l]W^{[l]},B^{[l]}W[l],B[l]之间的耦合性，让各层更加独立，实现自我训练学习的效果。如果输入发生covariate shift，Batch Norm的作用是对个隐藏层输出Z[l]Z^{[l]}Z[l]进行均值和方差的归一化处理，让W[l],B[l]W^{[l]},B^{[l]}W[l],B[l]更加稳定，使得原来的模型也有不错的表现

Batch Norm 削弱了前层参数与后层参数之间的联系，使得网络的每层都可以自己进行学习，相对其他层有一定的独立性，有助于加速整个网络的学习

Batch Norm 正则化效果

  • 和Dropout相似，其在每个隐藏层的激活值上加入了一些噪声，（Dropout以一定的概率给神经元乘上0或者1）。Batch Norm 也有轻微的正则化效果

  • 如果使用Batch Norm ，使用大的Mini-batch如256，相比使用小的Mini-batch如64，会引入更少的噪声，会减少正则化的效果

  • Batch Norm的正则化效果比较微弱，正则化不是Batch Norm的主要功能

使用Mini-batch梯度下降，每次计算均值和偏差都是在一个Mini-batch上进行计算，而不是在整个数据样集上。这样在均值和偏差上带来一些比较小的噪声。那么用均值和偏差计算得到的也将会加入一定的噪声