AI基础知识？

Jiyang Qi

大家有想补充或者更正的，可以跟我说或者自己加上去，或者考虑分成多篇

一些问题

极大似然与负对数损失

极大似然中，一组参数在一堆数据下的似然值，等于每一条数据在这组参数下的条件概率之积。

而我们通过模型得到的置信度，其实就是那个条件概率，所以我们的目标是让他们的积最大。

但损失函数一般是每条数据的损失之和，为了把和变为上面的积，就对每一项取了对数。让对数之和最大，其实就是让负对数之和最小。于是我们便有了负对数损失(NLL Loss)。

$$L(y) = -\log(\hat{y_i})$$

注意：pytorch中的NLLLoss本身不进行对数运算，只做一个取负

负对数损失与交叉熵损失的关系

交叉熵损失定义如下，其中$Y$为真实label(0/1)，$\hat{Y}$为预测的结果

$$H(Y,\hat{Y})=-Y\cdot \log (\hat{Y})=-\sum_i y_i \cdot \log (\hat{y_i})$$

将最右边的式子展开，得到的其实就是负对数损失。

softmax与交叉熵

softmax中的$e^x$与交叉熵中的$\log(x)$抵消，使模型易于收敛。
因此softmax通常作为输出层的激活函数

注意：pytorch中的CrossEntropyLoss自带softmax

为什么要用softmax

  1. 当使用交叉熵损失时softmax中的$e^x$与交叉熵中的$\log(x)$抵消，使模型易于收敛。
  2. 我们希望特征对概率的影响是乘性的，即各个部分的概率相乘得到最后的概率。但在我们模型中各个概率是相加的，所以以指数的形式将其改为相乘关系。
  3. softmax满足最大熵原则。即在满足一系列限制条件的情况下，对一个多分类问题，没有任何先验知识的系统，最公正的，也就是最没有偏私，才能让不确定性最大，这就必然导致概率分布满足boltamann形式，也就是softmax。

一些术语

下面主要记录一些基础的术语

信息论&概率论

熵(Entropy)

熵在信息论中可以理解为，一个事件包含的信息量。熵越小，事件包含的信息量就越小。必然事件和不可能事件的熵为0（比如“我是我妈生的”这句话为必然事件，不包含任何信息，信息量为0）。熵定义如下：

$$S(x) = -\sum_i P(x_i) \log_b P(x_i)$$

其中S为熵，x为事件，当x必然发生或必然不发生时，$P(x)$为1或0，此时S为0。

KL散度/KL距离/相对熵(relative entropy)

KL散度一般用来计算两个概率分布之间的距离，但它与普通的距离计算不同，因为’A对B的KL距离’不一定等于’B对A的KL距离’。

对离散事件： $D_{KL}(A||B) = \sum_i P_A (x_i) \log \frac{P_A (x_i)}{P_B(x_i)} )$

对连续事件： $D_{KL}(A||B) = \int a(x) \log \frac{a(x)}{b(x)}$

如果A与B的概率分布相同，即$P_A=P_B$，则距离为0。

交叉熵(Cross Entropy)

交叉熵同样用来衡量两个分布之间的差异，其定义如下：

$$H(A,B)= -\sum_i P_A (x_i) \log (P_B (x_i))$$

可以推出来 $D_{KL}(A||B) = -S(A)+H(A,B)$

互信息(mutual information)

直观上理解，互信息度量X与Y之间共享的信息量。

若 p(x,y) 是X和Y的联合概率分布函数，而p(x)和p(y)分别是X和Y的边缘概率分布函数。则X与Y的互信息定义为：

对离散事件： $I(X;Y) = \sum_{x \in X} \sum_{y \in Y} p(x,y)\log (\frac{p(x,y)}{p(x)p(y)})$

对连续事件： $I(X;Y) = \int_Y \int_X p(x,y) \log (\frac{p(x,y)}{p(x)p(y)})$

它其实就是计算了联合概率分布与边缘概率分布乘积之间的KL距离。

$$I(X;Y)=D_{KL}(p(x,y)||p(x)p(y))$$

交叉熵与KL散度的关系

  • 相同点：a. 都不具备对称性 b. 都是非负的
  • 当$S(A)$固定时，最小化KL散度与最小化交叉熵等价。而交叉熵公式更简洁，因此我们一般都使用交叉熵。

在机器学习中，我们要让模型的分布逼近数据集的分布，而数据集就是上面的A，因此$S(A)$固定

距离度量

欧氏距离(Euclidean distance)

$$d_{12} = \sqrt{(x_1-x_2)^2+(y_1-y_2)^2}$$

曼哈顿距离(Manhattan Distance)

$$d_{12} = |x_1-x_2|+|y_1-y_2|$$

闵可夫斯基距离(Minkowski Distance)

可以看做是欧氏距离和曼哈顿距离的一种推广

$$d_{12} = \sqrt[p]{(x_1-x_2)^p+(y_1-y_2)^p}$$

当$p=1$时，就是曼哈顿距离
当$p=2$时，就是欧氏距离
当$p \to \infty$时，就是切比雪夫距离

马氏距离(Mahalanobis Distance)

前面的距离度量均会受到变量量纲的影响，而马氏距离通过对数据的仿射变换，消除了这种影响。这是它的优点，而在某些情况下也会成为它的缺点。

定义：有m个样本向量$X_1, X_m$，协方差矩阵记为S，则其中向量$X_i$与$X_j$之间的马氏距离定义为：

$$D(X_i,X_j) = \sqrt{(X_i-X_j)^TS^{-1}(X_i-X_j)}$$

余弦距离(Cosine Distance)

与欧氏距离相比，余弦距离对各个特征之间的相对大小更为敏感，对绝对大小却不怎么敏感。在人脸检索等领域，貌似余弦距离与欧氏距离表现差不多？不过毕竟欧氏距离更直观，所以除一些特定问题外还是用欧氏距离吧。

对它比较有兴趣的可以看看这个

编辑距离(Levenshtein Distance)

用来定义两个字符串之间的距离，指两个字串之间，由一个转成另一个所需的最少编辑操作次数。Standardization字符，删除字符。

杰卡德距离(Jaccard Distance)

用于衡量集合间的距离，定义为两集合的交集与并集中元素数量的比值。物体检测中的IoU其实就是杰拉德距离。

$$J(A,B) = \frac{|A\bigcap B|}{|A\bigcup B|}$$

数据预处理

归一化(Normalization)

通过对原始数据进行线性变换把数据映射到[0,1]之间

$$x’ = \frac{x-min}{max-min}$$

标准化(Standardization)

使数据均值为0，标准差为1

$$x’ = \frac{x-\mu}{\sigma}$$

评价标准

首先定义基本的评价标准

| | 预测为真 | 预测为假 |
| :—: | :—: | :—: |
| 实际为真 | TP(真正例) | FN(假反例) |
| 实际为假 | FP(假正例) | TN(真反例) |

接下来的评价标准基本都基于上面这四个

精确率/查准率(precision)

$$P = \frac{TP}{TP+FP}$$

召回率/查全率(recall)

$$R = \frac{TP}{TP+FN}$$

准确率(accuracy)

$$Acc = \frac{TP+TN}{TP+FP+TN+FN}$$

F1 Score

通常我们需要综合精确率和召回率进行考虑，这时我们一般使用F1度量

$$F_1 = \frac{2 \times P \times R}{P + R} = \frac{2 \times TP}{2 \times TP + FP + FN}$$

当对精确率和召回率的重视程度不同时，我们可以采用更一般的$F_\beta$

$$F_\beta = \frac{(1+\beta^2) \times P \times R}{(\beta^2 \times P) + R}$$

P-R曲线

以召回率为横轴，精确率为纵轴，得到的曲线为P-R曲线。

当对两个模型进行比较时，我们可以根据他们P-R曲线下的面积(AP)判断，面积越大性能越好。

ROC曲线

先定义真正例率和假正例率：

$$TPR = \frac{TP}{TP+FN}$$

$$FPR = \frac{FP}{TN+FP}$$

以FPR为横轴，TPR为纵轴即可得到ROC曲线。

AUC

ROC曲线下的面积即为AUC，越大说明模型越好。可以无视正负样本不平衡的影响

mAP(mean average precision)

常用于多类别物体检测。对每个类别均可以绘制一条P-R曲线，其中AP即指P-R曲线下的面积。mAP即为多个类别AP的平均值。

奇怪的卷积

反卷积/转置卷积 (deconvolution / transposed convolution)

可以理解为一种特殊的卷积，只不过它会将feature map放大，达到上采样的效果。

上图可以理解3x3的卷积核，padding=2，stride=1的卷积操作。而同时，在特征图大小变化上，与padding=0，stride=1的卷积操作相反。
用pytorch实现时代码如下，其中kernel_size为3，stride与padding按其对应的卷积操作参数进行设置。

1
torch.nn.ConvTranspose2d(in_channels, out_channels, kernel_size, stride=1, padding=0)

当卷积操作stride大于1时，此时其对应的转置卷积的stride小于1，此时被称为分数卷积(fractionally-strided convolution)，如下图：

more .gif are here

空洞卷积/扩张卷积(Dilated Convolutions)

空洞卷积可以在基本不增加计算量的前提下，增大感受野。之前如果需要扩大感受野，都是采用池化，但池化会造成分辨率下降。

为了不损失数据的连续性，我们需要选择适当的各层空洞卷积参数，如下图的配置方案。

pytorch中实现有一个空洞的卷积操作，代码如下：

1
torch.nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size, stride=1, padding=0, dilation=2)

其中dilation参数默认为1，为1在pytorch中定义为没有空洞。不同框架中对此参数的定义不同，需要注意。

空洞卷积感受野大的特点使其可以处理长序列问题，甚至可以达到和RNN相差无几的效果。

可变形卷积(Deformable Convolutions)

TODO

深度学习的各种归一化

BN/LN/IN/GN/SN

  • batchNorm是在batch上，对NHW做归一化，对小batchsize效果不好；
  • layerNorm在通道方向上，对CHW归一化，主要对RNN作用明显；
  • instanceNorm在图像像素上，对HW做归一化，用在风格化迁移；
  • GroupNorm将channel分组，然后再做归一化；
  • SwitchableNorm是将BN、LN、IN结合，赋予权重，让网络自己去学习归一化层应该使用什么方法。

机器学习问题

维数灾难

维数（特征）增多主要会带来的高维空间数据稀疏化问题，即有限的数据在高维空间下更稀疏。当数据维度增高，各个维度之间可能的组合数呈指数增长，我们所拥有的数据覆盖了一部分组合，但其覆盖的百分比越来越小。所以当数据维数（特征）较多而数据较少时易造成过拟合。

同时，高维空间下，距离计算更加困难，而且最大与最小欧氏距离之间的相对差距会越来越小($\lim_{d \to \infty} \frac{D_{max}-D_{min}}{D_{min}} \to 0$)，所以收敛会变慢。

实践

预处理一般步骤

一般需要对数据进行：

  1. 去除无用属性，如每个人的id
  2. 填补缺失值
  3. 特征编码，对非数值特征进行独热编码（若此特征只有两种取值，可以直接0/1）
  4. 数据标准化
  5. 打乱数据
  6. 可能需要降维
  7. 划分训练集、验证集、测试集

提高最终结果

  1. bagging/boosting大法
  2. 图片金字塔：对检测等任务，可以将图片缩放为不同大小再输入，最后综合多个结果

训练技巧

预训练

使用别人预训练的模型时，最好要保证自己的数据分布与别人的数据分布一致，比如对于图片分类，若用imagenet预训练模型，最好先将图片每个channel标准化

batchsize大小

一般来讲：

  • batchsize越大，训练越稳定
  • 在一定范围内，增大batchsize不会增加每个batch的运算时间
  • 小batchsize相比大batchsize，相当于在每个iter中增加了噪声，起到一定的正则化效果，可以减小泛化误差。但同时为了维持稳定，需要更小的学习速率，训练更慢

提速

  • GPU占用率<<100%通常表明，此时系统在对数据进行读写或预处理。若这部分时间占用较大，可以考虑提前进行不带随机数的预处理（如转化为灰度图、resize等），并将结果以.pkl文件保存。可以减少IO及预处理时间
  • 在内存足够的情况下多进程读取数据
  • 可以尝试去寻找一个合适的绝对最小批量，batchsize低于它时，不会减少每个batch的运算时间。- 同时batchsize为2的幂时可能会较快

可能存在的误区：训练快慢并不能只看每个epoch需要多少时间，当batchsize增大，每个epoch所需时间减少，但每个epoch内的iter次数（参数更新次数）也减少，不一定收敛快。一般在保证每个iter所需时间几乎最短的情况下增大batchsize即可。

模型保存

  • 日常训练时暂存模型，尽量使用框架提供的方法，仅保存参数。当得到一个较好的模型时，可以考虑将其以.pkl形式保存一份（若定义网络模型的代码有改动，只保存参数会导致无法方便的把参数加载进去）
  • 保存模型参数时一般同时保存当前的epoch数、优化器的参数

延拓法

使用多个损失函数，可以让模型不那么容易被限制在局部最小值点。