《神经网络与深度学习综述DeepLearning15May2014
解读AI技术中的神经网络与深度学习算法
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解读AI技术中的神经网络与深度学习算法AI技术中的神经网络与深度学习算法大致可分为以下几部分:
一、神经网络(Neural Network)
神经网络的主要任务是使用一组由节点组成的多层模型,以复杂的组
合方式学习特征和处理数据。
它的基本组成部分是神经元,这是一种类似
于人脑的结构,它可以控制信号的传递与处理,以及进行记忆存储。
神经
元之间的连接可以组成不同的网络结构,比如简单的输入-输出,多层次,或者卷积神经网络(CNN)等等。
神经网络的基本思想是:网络模型是一种逐层建立,或者说一个系统,它可以将输入数据不断地变换,看看模型是否能够得到最终的结果。
在学
习过程中,模型会不断适应输入数据,有些数据会以比较低的权重传入到
模型,有些数据会以比较高的权重传入到模型,以此让模型做出正确的结果。
在使用神经网络解决问题的时候,一般会给出一些训练样本,通过对
样本做反复的调整,最终找到能够有效使用的参数权重,然后再运行训练
好的神经网络模型,得到较高的预测准确率。
目前神经网络已经被用于各
种机器学习问题,比如计算机视觉,语音识别,语音合成等等,并取得了
不错的效果。
二、深度学习(Deep Learning)。
深度学习(Deep Learning)综述及算法简介
![深度学习(Deep Learning)综述及算法简介](https://img.taocdn.com/s3/m/2b3e013787c24028915fc3cc.png)
Yoshua Bengio, Pascal Lamblin, Dan Popovici and Hugo Larochelle, Greedy Layer-Wise Training of Deep Networks, in J. Platt et al. (Eds), Advances in Neural Information Processing Systems 19 (NIPS 2006), pp. 153-160, MIT Press, 2007
The ICML 2009 Workshop on Learning Feature Hierarchies webpage has a list of references.
The LISA public wiki has a reading list and a bibliography.
Geoff Hinton has readings from last year’s NIPS tutorial.
对于表达sin(a^2+b/a)的流向图,可以通过一个有两个输入节点a和b的图表示,其中一个节点通过使用a和b作为输入(例如作为孩子)来表示b/a ;一个节点仅使用a 作为输入来表示平方;一个节点使用a^2 和b/a 作为输入来表示加法项(其值为a^2+b/a );最后一个输出节点利用一个单独的来自于加法节点的输入计算SIN的最长路径的长度。
传统的前馈神经网络能够被看做拥有等于层数的深度(比如对于输出层为隐层数加1)。SVMs有深度2(一个对应于核输出或者特征空间,另一个对应于所产生输出的线性混合)。
《2024年深度学习相关研究综述》范文
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《深度学习相关研究综述》篇一一、引言深度学习作为机器学习的一个分支,近年来在人工智能领域中获得了显著的突破与成功。
随着数据量的不断增加以及计算能力的提高,深度学习已经逐渐成为了众多领域研究的热点。
本文将对深度学习的基本原理、研究进展以及当前主要研究方向进行综述,旨在为读者提供一个清晰、全面的认识。
二、深度学习的基本原理深度学习是指一类基于神经网络的机器学习方法,通过构建深度神经网络,实现复杂的非线性映射,使机器能够在图像识别、语音识别、自然语言处理等任务中取得卓越的表现。
深度学习的基本原理包括神经网络的构建、前向传播和反向传播等过程。
三、深度学习的研究进展自深度学习概念提出以来,其在计算机视觉、自然语言处理、语音识别等领域取得了显著的成果。
特别是随着深度神经网络的不断发展,其在各类大型比赛中的表现越来越出色。
如:在ImageNet大规模图像识别挑战赛中,基于深度学习的算法取得了历史性的突破;在语音识别领域,深度学习技术已经可以实现在不同噪音环境下的高质量语音识别;在自然语言处理领域,基于深度学习的算法实现了自然语言生成和翻译等方面的技术革新。
四、深度学习的研究方向目前,深度学习领域的研究主要集中在以下几个方面:1. 卷积神经网络:针对图像和视频处理领域,卷积神经网络已经成为了一种有效的深度学习方法。
研究者们通过不断改进网络结构、优化参数等手段,提高了其在各类任务中的性能。
2. 循环神经网络:针对自然语言处理等领域,循环神经网络的应用逐渐得到关注。
通过利用序列数据之间的依赖关系,循环神经网络在文本生成、语音识别等方面取得了显著的成果。
3. 生成式对抗网络:生成式对抗网络是一种无监督学习方法,通过生成器和判别器之间的竞争与协作,实现数据的高质量生成和增强。
在图像生成、视频生成等领域具有广泛的应用前景。
4. 迁移学习与小样本学习:随着深度学习应用场景的扩大,如何在有限的数据下进行有效的学习和预测成为了一个重要的研究方向。
《2024年深度学习相关研究综述》范文
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《深度学习相关研究综述》篇一一、引言随着科技的飞速发展,深度学习作为人工智能领域的重要分支,已经成为当前研究的热点。
深度学习以其强大的特征学习和表示学习能力,在图像识别、语音识别、自然语言处理、机器翻译等多个领域取得了显著的成果。
本文旨在全面综述深度学习的基本原理、发展历程、主要应用以及当前面临的挑战与未来发展趋势。
二、深度学习的基本原理与发展深度学习是基于神经网络的一种机器学习方法,其核心思想是通过构建多层神经网络来模拟人脑的思维方式,实现从原始数据中自动提取高级特征和抽象表示的目的。
深度学习的理论基础主要来源于人工神经网络、统计学和优化理论等学科。
随着硬件技术的进步和计算能力的提升,深度学习的发展经历了从浅层学习到深层学习的过程。
早期的神经网络模型由于计算资源的限制,通常只有几层结构,难以处理复杂的任务。
而随着深度学习算法的改进和计算机性能的飞跃,深度神经网络的层数不断增加,能够更好地处理大规模数据和复杂任务。
三、深度学习的主要应用1. 图像识别:深度学习在图像识别领域取得了显著的成果,如人脸识别、物体检测、图像分类等。
通过训练深度神经网络,可以自动提取图像中的特征,实现高精度的识别效果。
2. 语音识别:深度学习在语音识别领域也取得了重要突破,如语音合成、语音转文字等。
通过构建大规模的语音数据集和复杂的神经网络模型,可以实现高度逼真的语音合成和高效的语音转文字功能。
3. 自然语言处理:深度学习在自然语言处理领域也有广泛的应用,如机器翻译、情感分析、问答系统等。
通过构建语言模型和上下文感知模型,可以有效地理解和生成自然语言文本。
4. 机器翻译:深度学习在机器翻译领域的应用已经取得了巨大的成功。
通过训练大规模的平行语料库和复杂的神经网络模型,可以实现高质量的翻译效果。
四、当前面临的挑战与未来发展趋势尽管深度学习在多个领域取得了显著的成果,但仍面临一些挑战和问题。
首先,深度学习的可解释性仍然是一个亟待解决的问题。
神经网络与深度学习神经网络与深度学习
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绍概率图模型的基本概念,为后面的章节进行铺垫.第12章介绍两种早期的深度
学习模型:玻尔兹曼机和深度信念网络.第13章介绍最近两年发展十分迅速的深
度生成模型:变分自编码器和生成对抗网络.第14章介绍深度强化学习的知识.
IV
第15章介绍应用十分广泛的序列生成模型.
维行向量
[1 , ⋯ , ]T or [1 ; ⋯ ; ]
维列向量
0 or 0
( 维)全 0 向量
1 or 1
( 维)全 1 向量
or ()
第 维为 1(或 ),
其余为 0 的 one-hot 列向量
T
向量 的转置
∈ ℝ×
∈ℝ
大小为 × 的矩阵
机器学习和深度学习,使读者全面了解相关知识.第2、3章介绍机器学习的基础
知识.第4~6章分别讲述三种主要的神经网络模型:前馈神经网络、卷积神经网络
和循环神经网络.第7章介绍神经网络的优化与正则化方法.第8章介绍神经网络
中的注意力机制和外部记忆.第9章简要介绍一些无监督学习方法.第10章介绍
一些模型独立的机器学习方法:集成学习、自训练和协同训练、多任务学习、迁移
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《2024年深度学习相关研究综述》范文
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《深度学习相关研究综述》篇一一、引言深度学习作为人工智能领域的一个重要分支,近年来在学术界和工业界引起了广泛的关注。
它通过模拟人脑神经网络的运作方式,实现对复杂数据的处理和识别,从而在计算机视觉、自然语言处理、语音识别等多个领域取得了显著的成果。
本文将对深度学习的基本原理、发展历程、主要应用以及当前研究热点进行综述。
二、深度学习的基本原理与发展历程深度学习是机器学习的一个分支,其核心思想是通过构建多层神经网络来模拟人脑神经网络的运作方式。
它通过大量的训练数据,使模型学习到数据的内在规律和表示方法,从而实现更加精准的预测和分类。
自深度学习概念提出以来,其发展经历了几个重要阶段。
早期的神经网络由于计算能力的限制,模型深度较浅,无法充分挖掘数据的内在规律。
随着计算能力的不断提升,尤其是GPU等硬件设备的普及,深度学习的模型深度逐渐增加,取得了显著的成果。
同时,随着数据量的不断增长和大数据技术的不断发展,深度学习的应用领域也在不断扩大。
三、深度学习的主要应用1. 计算机视觉:深度学习在计算机视觉领域的应用非常广泛,包括图像分类、目标检测、人脸识别等。
通过深度神经网络,可以实现图像的自动识别和分类,从而在安防、医疗、自动驾驶等领域发挥重要作用。
2. 自然语言处理:深度学习在自然语言处理领域也取得了显著的成果,包括语音识别、文本分类、机器翻译等。
通过深度神经网络,可以实现对人类语言的自动理解和生成,从而在智能问答、智能助手等领域发挥重要作用。
3. 语音识别:深度学习在语音识别领域也具有广泛的应用,如语音合成、语音识别等。
通过训练深度神经网络模型,可以实现高质量的语音合成和准确的语音识别。
4. 其他领域:除了上述应用外,深度学习还在推荐系统、医疗影像分析、无人驾驶等领域发挥了重要作用。
四、当前研究热点1. 模型优化:针对深度学习模型的优化是当前研究的热点之一。
研究者们通过改进模型结构、优化算法等方式,提高模型的性能和计算效率。
《2024年深度学习相关研究综述》范文
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《深度学习相关研究综述》篇一一、引言深度学习,作为人工智能领域的热门研究领域,已成为众多研究者的研究重点。
随着计算机计算能力的飞速提升以及大数据时代的到来,深度学习技术的研究和应用正在逐渐渗透到各个领域,包括但不限于图像识别、语音识别、自然语言处理、自动驾驶等领域。
本文将对深度学习的相关研究进行综述,以期为读者提供一个全面而深入的理解。
二、深度学习的基本原理深度学习是机器学习的一个分支,它依赖于神经网络进行数据学习和分析。
其基本原理是通过构建深度神经网络模型,利用大量的训练数据对模型进行训练,从而让模型具备学习和识别的能力。
在深度学习的过程中,通过对神经网络的不断调整和优化,模型可以逐步提升对数据的理解和分析能力。
三、深度学习的研究现状目前,深度学习的研究主要集中在以下几个方面:网络结构优化、模型训练方法改进、大规模数据处理技术、多模态融合技术等。
其中,网络结构优化是提高模型性能的关键手段之一,包括卷积神经网络(CNN)、循环神经网络(RNN)、长短期记忆网络(LSTM)等不同结构的探索和改进。
模型训练方法改进则关注于如何更有效地进行模型参数的更新和调整,包括反向传播算法的改进和梯度下降方法的优化等。
而大规模数据处理技术和多模态融合技术则是提高模型准确性的关键因素,对于实现更加智能化和人性化的应用至关重要。
四、深度学习在各领域的应用1. 图像识别:深度学习在图像识别领域的应用已经取得了显著的成果,如人脸识别、目标检测、图像分割等。
通过构建复杂的神经网络模型,深度学习可以有效地处理大量的图像数据,并从中提取出有用的特征信息。
2. 语音识别:深度学习在语音识别领域的应用也十分广泛,如语音合成、语音翻译等。
通过对大量的语音数据进行学习和分析,深度学习可以实现高度准确的语音识别和转化。
3. 自然语言处理:自然语言处理是人工智能领域的又一重要方向,深度学习在自然语言处理方面的应用也日益广泛。
包括文本分类、情感分析、问答系统等任务都可以通过深度学习技术实现。
神经网络及深度学习(包含matlab代码).pdf
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神经网络及深度学习(包含matlab代码).pdf
神经网络可以使用中间层构建出多层抽象,正如在布尔电路中所做的那样。
如果进行视觉模式识别,那么第1 层的神经元可能学会识别边;第2 层的神经元可以在此基础上学会识别更加复杂的形状,例如三角形或矩形;第3 层将能够识别更加复杂的形状,以此类推。
有了这些多层抽象,深度神经网络似乎可以学习解决复杂的模式识别问题。
正如电路示例所体现的那样,理论研究表明深度神经网络本质上比浅层神经网络更强大。
《深入浅出神经网络与深度学习》PDF+代码分析
《深入浅出神经网络与深度学习》PDF中文,249页;PDF英文,292页;配套代码。
提取码: 6sgh
以技术原理为导向,辅以MNIST 手写数字识别项目示例,介绍神经网络架构、反向传播算法、过拟合解决方案、卷积神经网络等内容,以及如何利用这些知识改进深度学习项目。
学完后,将能够通过编写Python 代码来解决复杂的模式识别问题。
neural networks and deep learning题解
![neural networks and deep learning题解](https://img.taocdn.com/s3/m/eba02122b6360b4c2e3f5727a5e9856a561226c2.png)
neural networks and deep learning题解(原创版)目录1.神经网络与深度学习的关系2.神经网络的基本原理3.深度学习的发展与应用4.我国在神经网络与深度学习领域的发展正文神经网络与深度学习是当下人工智能领域的热门话题。
随着科技的发展,人工智能已经从概念逐渐变为现实,而神经网络与深度学习正是这一过程中的关键技术。
那么,神经网络和深度学习之间究竟有何关系?它们是如何工作的?又在我国的发展中扮演了怎样的角色呢?首先,我们要明确神经网络和深度学习的关系。
简单来说,深度学习是神经网络的一种拓展和发展。
神经网络是深度学习中最基本的单元,而深度学习则是利用多层神经网络进行学习和预测的一种技术。
因此,神经网络是深度学习的基础,深度学习是神经网络的延伸。
接下来,我们来了解神经网络的基本原理。
神经网络由多个神经元组成,每个神经元接收一组输入信号,根据一定的权重计算出输出信号,并将输出信号传递给其他神经元。
这个过程类似于人脑神经元的工作方式,通过不断调整权重和连接,神经网络可以在训练过程中自动学习并提取数据中的有用信息。
在神经网络的基础上,深度学习技术得到了快速发展。
深度学习不仅在图像识别、语音识别等领域取得了显著的成果,还在自然语言处理、推荐系统等方面发挥了巨大作用。
随着深度学习技术的不断完善,人工智能正逐渐渗透到人们的日常生活中。
在我国,神经网络与深度学习领域的发展也取得了举世瞩目的成就。
政府高度重视人工智能发展,出台了一系列政策支持和鼓励。
同时,企业和科研机构也在这一领域不断加大投入。
目前,我国在神经网络和深度学习方面的研究已达到国际领先水平,为我国人工智能产业的快速发展奠定了基础。
总之,神经网络和深度学习是人工智能领域的重要技术,它们之间的关系密切。
在深度学习的发展过程中,神经网络起到了关键作用。
我国在神经网络与深度学习领域的发展也取得了显著成果,为我国人工智能产业的繁荣做出了贡献。
神经网络与深度学习讲义
![神经网络与深度学习讲义](https://img.taocdn.com/s3/m/e9f84e9eda38376baf1faeee.png)
1 2
3 3 3 3 4 4 4 5 6
2.4 导数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4.1 向量导数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
D 时间 2.3.1 常见的矩阵 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
编译 2.3.2 矩阵的范数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4 总结和深入阅读 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
第五章 人工神经网络
40
5.1 神经元 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
-12 6.5.1 卷积层的梯度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
R 015 6.5.2 子采样层的梯度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
R 201 2.2 矩阵 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
深度学习研究综述
![深度学习研究综述](https://img.taocdn.com/s3/m/a38a15b5bb0d4a7302768e9951e79b89680268f6.png)
深度学习研究综述深度学习研究综述深度学习是机器学习领域中的一种研究方法,它通过构建具有多个层次结构的神经网络来模拟人类大脑的功能和思维过程。
近年来,随着计算机硬件性能的提升和大数据的普及,深度学习已经取得了众多重要的研究和应用成果,成为人工智能领域的热点之一。
一、深度学习的基本原理深度学习的基本原理可以概括为三个层次。
首先是输入层,它接受外部输入的数据,并将数据传递给隐藏层。
隐藏层是深度学习网络的核心部分,它通过处理和提取数据的特征来实现模式识别和分类。
最后是输出层,它将隐藏层处理后的数据进行分类或回归的预测结果。
深度学习的核心是神经网络的构建和训练。
神经网络由多个神经元以及它们之间的连接构成。
每个神经元都有一个权重和一个偏差值,通过调整这些权重和偏差值,使得神经网络可以对输入数据进行准确的预测。
训练神经网络的过程就是不断优化权重和偏差值的过程,使得神经网络的预测结果与真实结果尽可能接近。
二、深度学习的应用领域深度学习在很多领域都有广泛的应用。
在图像识别方面,深度学习可以通过学习大量图片的特征来识别和分类图片中的物体。
在语音识别方面,深度学习可以通过学习大量的语音数据来实现声音的识别和转录。
在自然语言处理方面,深度学习可以通过学习大量的文本数据来实现自动翻译和语义理解。
此外,深度学习还可以在医疗影像分析、智能交通、金融风险预测等领域发挥重要作用。
三、深度学习的优势与挑战深度学习相比传统的机器学习方法具有一些明显的优势。
首先,深度学习可以通过学习大量的数据来自动学习特征,无需手动设计特征。
其次,深度学习可以处理非常复杂和高维度的数据,具有较强的表达能力。
此外,深度学习还可以自动进行特征的层次化表达,从而更好地适应复杂问题的建模和解决。
然而,深度学习也面临一些挑战。
首先,深度学习需要大量的数据来进行训练,而数据的收集和标注成本较高。
其次,深度学习网络的训练过程需要大量的计算资源和时间,不适合在一般的计算机上进行。
深度学习与神经网络
![深度学习与神经网络](https://img.taocdn.com/s3/m/4ac00b3377c66137ee06eff9aef8941ea76e4b21.png)
深度学习与神经网络深度学习(Deep Learning)和神经网络(Neural Networks)是现代人工智能的核心技术。
它们的出现和发展极大地推动了计算机在图像识别、语音处理、自然语言处理等领域的能力。
深度学习是一种基于神经网络的机器学习方法,它模仿了人脑神经元之间的连接和信息传递方式。
深度学习的核心思想是通过多层神经网络进行特征提取和表示学习,从而实现对复杂数据的分析和理解。
神经网络是深度学习的基本组成单元,它由大量的人工神经元(Artificial Neurons)相互连接而成。
每个神经元接收来自其他神经元的输入信号,并通过激活函数(Activation Function)进行非线性变换后,将输出传递给下一层神经元。
通过多层神经元之间的连接和信息传递,神经网络可以学习到数据中的复杂特征和模式。
在深度学习中,常用的神经网络结构包括卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,简称CNN)和循环神经网络(Recurrent Neural Networks,简称RNN)。
卷积神经网络是一种专门用于处理图像和视觉数据的神经网络结构。
它通过卷积层(Convolutional Layer)和池化层(Pooling Layer)的交替组合,实现对图像中的局部特征的提取和感知。
卷积层通过使用卷积核(Convolutional Kernel)对输入图像进行卷积操作,从而得到特征图(Feature Map)。
池化层则用于对特征图进行降采样,减少特征图的维度,提取图像的主要特征。
卷积神经网络在图像识别、物体检测、图像生成等任务中表现出色。
循环神经网络是一种具有记忆能力的神经网络结构,它通过在网络中引入循环连接,实现对序列数据的建模和处理。
循环神经网络的一个重要特点是可以处理不定长度的序列数据。
它通过时间步的递归计算,将当前时刻的输入和上一时刻的隐藏状态结合起来,产生当前时刻的输出和新的隐藏状态。
深度学习Deep-Learning【精品PPT文档】
![深度学习Deep-Learning【精品PPT文档】](https://img.taocdn.com/s3/m/3e949a8adaef5ef7ba0d3c84.png)
• 减轻梯度消失问题的一个方法是使用线性激活函数(比如rectifier
函数)或近似线性函数(比如softplus 函数)。这样,激活函数的 导数为1,误差可以很好地传播,训练速度得到了很大的提高。
目录
• • • • • • • • 深度学习简介 数学基础 机器学习简介 感知器 前馈神经网络 卷积神经网络 循环神经网络 深度学习应用
向量函数及其导数
按位计算的向量函数及其导数
logistic函数
softmax函数
softmax函数
softmax函数
softmax函数
目录
• • • • • • • • 深度学习简介 数学基础 机器学习简介 感知器 前馈神经网络 卷积神经网络 循环神经网络 深度学习应用
机器学习中的一些概念
目录
• • • • • • • • 深度学习简介 数学基础 机器学习简介 感知器 前馈神经网络 卷积神经网络 循环神经网络 深度学习应用
向量
向量的模和范数
常见的向量
矩阵
矩阵的基本运算
矩阵的基本运算
常见的矩阵
常见的矩阵
导数
向量导数
导数法则
导数法则
导数法则
常用函数及其导数
常用函数及其导数
深度学习Deep Learning
目录
• • • • • • • • 深度学习简介 数学基础 机器学习简介 感知器 前馈神经网络 卷积神经网络 循环神经网络 深度学习应用
深度学习概念
• 机器学习(Machine Learning,ML)主要是研究如何使计算机从给定的 数据中学习规律,即从观测数据(样本)中寻找规律,并利用学习到的 规律(模型)对未知或无法观测的数据进行预测。目前,主流的机器学 习算法是基于统计的方法,也叫统计机器学习。 • 人工神经网络(Artificial Neural Network ,ANN),也简称神经网络, 是众多机器学习算法中比较接近生物神经网络特性的数学模型。人工神 经网络通过模拟生物神经网络(大脑)的结构和功能,由大量的节点 (或称“神经元”,或“单元”)和之间相互联接构成,可以用来对数 据之间的复杂关系进行建模。
引言(深度学习)
![引言(深度学习)](https://img.taocdn.com/s3/m/e8f0052e5a8102d276a22fb1.png)
Deep learning neural network
• 位于后脑皮层的不同视觉神经元,与瞳孔所受刺激之间 ,存在某种对应关系。一旦瞳孔受到某一种刺激,后脑 皮层的某一部分神经元就会活跃。 • 例如,从原始信号摄入开始(瞳孔摄入像素 Pixels), 接着做初步处理(大脑皮层某些细胞发现边缘和方向) ,然后抽象(大脑判定,眼前的物体的形状,是圆形的 ),然后进一步抽象(大脑进一步判定该物体是只气球 )。
神经网络与深度学习 任雪梅
Deep learning neural network
20 世纪 80 年代以来,深度学习提供精确识别和预 测的能力一直在提高。 2013,2014,2015 年, ImageNet 图像识别比赛的参赛 者们都使用了深度学习的神经网络结构,并且随着 深度学习的网络结构,训练方法,GPU硬件的不断进 步,深度学习在其他领域也在不断的征服战场 2015 年时,微软亚洲研究院的何凯明等设计的一个 深达152层的ResNet模型已经可以将错误率刷新到了 3.6%
神经网络与深度学习 任雪梅
Deep learning neural network
上图展示了基准数据集的大小如何随着时间的推移而显著增加。这 种趋势是由社会日益数字化驱动的。由于我们的计算机越来越多地 联网在一起,数据变得更容易集中管理,并更容易将它们整理成适 于机器学习应用的数据集。
神经网络与深度学习 任雪梅
• 关键词:分层。而Deep learning的deep就表示存在多少 层,也就是有多深。
神经网络与深度学习 任雪梅
Deep learning neural network
远在古希腊时期,发明家就梦想着创造能自主思考的 机器。 神 话 人 物 皮 格 马 利 翁 (Pygmalion) 、 代 达 罗 斯 (Daedalus) 和赫淮斯托斯 (Hephaestus) 可以被看作 传 说 中 的 发 明 家 , 而 加 拉 蒂 亚 (Galatea) 、 塔 洛 斯 (Talos) 和潘多拉(Pandora) 则可以被视为人造生命。
《2024年深度学习相关研究综述》范文
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《深度学习相关研究综述》篇一一、引言深度学习是人工智能领域中一个重要的研究方向,其通过模拟人脑神经网络的工作方式,实现了对复杂数据的深度学习和处理。
近年来,深度学习在计算机视觉、自然语言处理、语音识别、推荐系统等多个领域取得了显著的成果。
本文将对深度学习的基本原理、研究现状、挑战及未来发展方向进行综述。
二、深度学习基本原理深度学习是一种基于神经网络的机器学习方法,其核心思想是通过构建多层神经网络来模拟人脑神经网络的工作方式。
深度学习的基本原理包括特征提取、模型训练和优化等步骤。
在特征提取阶段,深度学习模型通过自主学习的方式从原始数据中提取出有用的特征信息;在模型训练阶段,深度学习模型使用大量的标注数据进行训练,通过不断调整模型的参数来优化模型的性能;在优化阶段,深度学习模型通过反向传播算法计算误差梯度,并根据梯度下降算法更新模型的参数。
三、深度学习研究现状1. 计算机视觉领域:深度学习在计算机视觉领域的应用已经取得了显著的成果,如图像分类、目标检测、人脸识别等。
深度学习模型可以通过自主学习的方式从图像中提取出有用的特征信息,提高了图像处理的准确性和效率。
2. 自然语言处理领域:深度学习在自然语言处理领域也取得了重要的进展,如文本分类、情感分析、机器翻译等。
深度学习模型可以通过对文本数据的深度学习和处理,提取出文本中的语义信息和上下文关系,提高了自然语言处理的性能。
3. 其他领域:除了计算机视觉和自然语言处理领域外,深度学习还在语音识别、推荐系统、医疗影像分析等领域得到了广泛的应用。
四、深度学习研究的挑战1. 数据稀疏性:深度学习需要大量的标注数据进行训练,但在某些领域,如医疗、航空航天等领域,数据的获取和标注非常困难,导致数据稀疏性的问题。
2. 模型复杂度:深度学习模型的复杂度很高,需要大量的计算资源和时间进行训练和推理。
这给模型的部署和应用带来了一定的挑战。
3. 可解释性:深度学习模型的内部机制比较复杂,难以解释其决策过程和结果,这给模型的信任度和应用范围带来了一定的限制。
深度学习与神经网络
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深度学习与神经网络概述深度学习是一种机器学习算法,它模仿人类大脑的工作原理,通过神经网络来建立模型并进行训练。
神经网络是深度学习中的核心组件,由大量的人工神经元组成。
本文将介绍深度学习和神经网络的基本概念、原理和应用。
深度学习深度学习是一种通过多层神经网络进行模式识别和数据分析的方法。
它可以从大规模的数据中提取特征,并进行分类、回归、聚类等任务。
深度学习的核心思想是通过层层抽象,从低级别特征到高级别特征的逐渐提取,以实现更加准确和复杂的模型。
这种层次化的特征提取使得深度学习在图像识别、自然语言处理和语音识别等领域取得了令人瞩目的成果。
深度学习算法的主要特点包括: - 需要大量的数据进行训练,以获得准确的模型。
- 需要计算资源强大的硬件支持,如多核CPU或GPU。
- 可以自动学习特征,无需手动设计特征提取器。
神经网络神经网络是深度学习的基础,它由多个神经元组成,并通过连接权重进行信息传递。
神经网络的基本组成部分包括输入层、隐藏层和输出层。
输入层接收外部数据,隐藏层进行特征提取和变换,输出层生成最终的预测结果。
每个神经元通过激活函数将输入进行变换,并将结果传递给下一层神经元。
常用的激活函数包括sigmoid、ReLU和tanh等。
神经网络的训练过程通过调整连接权重,使神经网络能够在给定输入下产生正确的输出。
通常使用反向传播算法来更新权重,以最小化预测结果与真实结果之间的差异。
深度学习的应用深度学习在各个领域都取得了突破性的成果。
在计算机视觉领域,深度学习可以实现图像分类、目标检测、图像生成等任务。
例如,通过训练深度学习模型,可以实现自动驾驶汽车的视觉感知,让汽车能够识别和理解周围环境。
在自然语言处理领域,深度学习可以实现机器翻译、文本分类、情感分析等任务。
例如,通过深度学习模型,可以将一种语言的文本自动翻译成另一种语言,实现跨语言交流。
在医学领域,深度学习可以实现疾病诊断、药物研发等任务。
例如,通过训练深度学习模型,可以从医学影像中自动诊断疾病,提高临床医生的准确性和效率。
深度学习综述
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目录1 深度学习的概念 (1)1.1 卷积神经网络模型 (2)1.2 深度信任网络模型 (3)1.3堆栈自编码网络模型 (4)2 深度学习算法 (5)2.1深度费希尔映射方法 (5)2.2 非线性变换方法 (5)2.3 稀疏编码对称机算法 (6)2.4 迁移学习算法 (6)2.5 自然语言解析算法 (6)2.6 学习率自适应方法 (6)3 深度学习的实际应用 (6)3.1 语音识别 (7)3.2视频分析 (7)3.3 人脸识别 (7)3.4 图像识别和检索 (8)4 深度学习的问题及发展趋势 (8)5 总结 (9)参考文献 (10)深度学习综述摘要:深度学习是机器学习研究中的一个新领域,在于建立、模拟人脑进行分析学习的神经网络,它模仿人脑的机制来解释数据。
近年来,深度学习在各领域上也取得了丰硕的研究成果。
本文简要论述了深度学习的概念、模型、算法以及在各领域的应用,最后说明深度学习的问题及发展趋势。
关键字:深度学习,神经网络,机器学习Review of Deep LearningAbstract:Deep leaning is a new field in machine learning research.It is a which simulates the human brain to analyze and study the mechanism of the human to interpret the data.In recent years,deep leaning has achieved fruitful results in various fields.This paper briefly discusses the concept,model,algorithm and application in various fields of deep learning. Finally, explains the problems and development trend of deep learning.Keywords:Deep learning,neural network,machine learning1 深度学习的概念深度学习是机器学习领域一个新的研究方向,近年来在图像识别与检索、语言信息处理、语音识别等多领域中都取得较为成功的发展。
《2024年深度学习相关研究综述》范文
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《深度学习相关研究综述》篇一一、引言深度学习是人工智能领域中一个重要的研究方向,其基于神经网络的模型和算法在语音识别、图像处理、自然语言处理等多个领域取得了显著的成果。
本文旨在全面综述深度学习的相关研究,包括其发展历程、基本原理、模型架构、应用领域以及当前面临的问题和挑战。
二、深度学习的发展历程深度学习起源于人工神经网络的研究,经历了从早期的感知机模型到现在的深度神经网络的发展过程。
在发展过程中,研究者们不断优化算法和模型架构,以提高模型的性能。
此外,随着计算机算力的不断提升和大数据时代的到来,深度学习的应用范围也不断扩大。
三、深度学习的基本原理与模型架构深度学习主要通过模拟人脑神经网络的原理,建立多层的神经网络模型。
其中,每个神经元接收前一层神经元的输出作为输入,通过激活函数处理后输出到下一层神经元。
通过调整神经元之间的连接权重,使模型能够学习到数据的内在规律。
常见的深度学习模型包括卷积神经网络(CNN)、循环神经网络(RNN)、长短期记忆网络(LSTM)等。
四、深度学习的应用领域1. 语音识别:深度学习在语音识别领域取得了显著的成果,如谷歌的语音识别系统等。
2. 图像处理:深度学习在图像分类、目标检测、图像生成等领域均有广泛应用,如人脸识别、医疗影像分析等。
3. 自然语言处理:深度学习在自然语言处理领域也有着广泛的应用,如机器翻译、智能问答等。
4. 其他领域:除了上述领域外,深度学习还在推荐系统、无人驾驶、生物信息学等领域发挥着重要作用。
五、当前面临的问题与挑战尽管深度学习在多个领域取得了显著的成果,但仍面临一些问题和挑战。
首先,深度学习模型的训练需要大量的数据和计算资源,这限制了其在某些领域的应用。
其次,深度学习模型的解释性较差,难以理解其决策过程和结果。
此外,随着模型的复杂度增加,过拟合和欠拟合的问题也日益严重。
最后,如何设计出更加高效和稳定的模型仍然是深度学习领域的一个重要研究方向。
六、未来展望未来,深度学习将在更多领域发挥重要作用。
神经网络与深度学习讲义20151211
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1 2 3 3 3 3 4 4 5 5 6 6 6 7 7 7 9 10 10
总结和深入阅读 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1
向量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
神经元 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 激活函数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
第二章 数学基础
0
II 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.2 3.3 损失函数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 机器学习算法的类型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 机器学习中的一些概念 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 参数学习算法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Draft:Deep Learning in Neural Networks:An OverviewTechnical Report IDSIA-03-14/arXiv:1404.7828(v1.5)[cs.NE]J¨u rgen SchmidhuberThe Swiss AI Lab IDSIAIstituto Dalle Molle di Studi sull’Intelligenza ArtificialeUniversity of Lugano&SUPSIGalleria2,6928Manno-LuganoSwitzerland15May2014AbstractIn recent years,deep artificial neural networks(including recurrent ones)have won numerous con-tests in pattern recognition and machine learning.This historical survey compactly summarises relevantwork,much of it from the previous millennium.Shallow and deep learners are distinguished by thedepth of their credit assignment paths,which are chains of possibly learnable,causal links between ac-tions and effects.I review deep supervised learning(also recapitulating the history of backpropagation),unsupervised learning,reinforcement learning&evolutionary computation,and indirect search for shortprograms encoding deep and large networks.PDF of earlier draft(v1):http://www.idsia.ch/∼juergen/DeepLearning30April2014.pdfLATEX source:http://www.idsia.ch/∼juergen/DeepLearning30April2014.texComplete BIBTEXfile:http://www.idsia.ch/∼juergen/bib.bibPrefaceThis is the draft of an invited Deep Learning(DL)overview.One of its goals is to assign credit to those who contributed to the present state of the art.I acknowledge the limitations of attempting to achieve this goal.The DL research community itself may be viewed as a continually evolving,deep network of scientists who have influenced each other in complex ways.Starting from recent DL results,I tried to trace back the origins of relevant ideas through the past half century and beyond,sometimes using“local search”to follow citations of citations backwards in time.Since not all DL publications properly acknowledge earlier relevant work,additional global search strategies were employed,aided by consulting numerous neural network experts.As a result,the present draft mostly consists of references(about800entries so far).Nevertheless,through an expert selection bias I may have missed important work.A related bias was surely introduced by my special familiarity with the work of my own DL research group in the past quarter-century.For these reasons,the present draft should be viewed as merely a snapshot of an ongoing credit assignment process.To help improve it,please do not hesitate to send corrections and suggestions to juergen@idsia.ch.Contents1Introduction to Deep Learning(DL)in Neural Networks(NNs)3 2Event-Oriented Notation for Activation Spreading in FNNs/RNNs3 3Depth of Credit Assignment Paths(CAPs)and of Problems4 4Recurring Themes of Deep Learning54.1Dynamic Programming(DP)for DL (5)4.2Unsupervised Learning(UL)Facilitating Supervised Learning(SL)and RL (6)4.3Occam’s Razor:Compression and Minimum Description Length(MDL) (6)4.4Learning Hierarchical Representations Through Deep SL,UL,RL (6)4.5Fast Graphics Processing Units(GPUs)for DL in NNs (6)5Supervised NNs,Some Helped by Unsupervised NNs75.11940s and Earlier (7)5.2Around1960:More Neurobiological Inspiration for DL (7)5.31965:Deep Networks Based on the Group Method of Data Handling(GMDH) (8)5.41979:Convolution+Weight Replication+Winner-Take-All(WTA) (8)5.51960-1981and Beyond:Development of Backpropagation(BP)for NNs (8)5.5.1BP for Weight-Sharing Feedforward NNs(FNNs)and Recurrent NNs(RNNs)..95.6Late1980s-2000:Numerous Improvements of NNs (9)5.6.1Ideas for Dealing with Long Time Lags and Deep CAPs (10)5.6.2Better BP Through Advanced Gradient Descent (10)5.6.3Discovering Low-Complexity,Problem-Solving NNs (11)5.6.4Potential Benefits of UL for SL (11)5.71987:UL Through Autoencoder(AE)Hierarchies (12)5.81989:BP for Convolutional NNs(CNNs) (13)5.91991:Fundamental Deep Learning Problem of Gradient Descent (13)5.101991:UL-Based History Compression Through a Deep Hierarchy of RNNs (14)5.111992:Max-Pooling(MP):Towards MPCNNs (14)5.121994:Contest-Winning Not So Deep NNs (15)5.131995:Supervised Recurrent Very Deep Learner(LSTM RNN) (15)5.142003:More Contest-Winning/Record-Setting,Often Not So Deep NNs (16)5.152006/7:Deep Belief Networks(DBNs)&AE Stacks Fine-Tuned by BP (17)5.162006/7:Improved CNNs/GPU-CNNs/BP-Trained MPCNNs (17)5.172009:First Official Competitions Won by RNNs,and with MPCNNs (18)5.182010:Plain Backprop(+Distortions)on GPU Yields Excellent Results (18)5.192011:MPCNNs on GPU Achieve Superhuman Vision Performance (18)5.202011:Hessian-Free Optimization for RNNs (19)5.212012:First Contests Won on ImageNet&Object Detection&Segmentation (19)5.222013-:More Contests and Benchmark Records (20)5.22.1Currently Successful Supervised Techniques:LSTM RNNs/GPU-MPCNNs (21)5.23Recent Tricks for Improving SL Deep NNs(Compare Sec.5.6.2,5.6.3) (21)5.24Consequences for Neuroscience (22)5.25DL with Spiking Neurons? (22)6DL in FNNs and RNNs for Reinforcement Learning(RL)236.1RL Through NN World Models Yields RNNs With Deep CAPs (23)6.2Deep FNNs for Traditional RL and Markov Decision Processes(MDPs) (24)6.3Deep RL RNNs for Partially Observable MDPs(POMDPs) (24)6.4RL Facilitated by Deep UL in FNNs and RNNs (25)6.5Deep Hierarchical RL(HRL)and Subgoal Learning with FNNs and RNNs (25)6.6Deep RL by Direct NN Search/Policy Gradients/Evolution (25)6.7Deep RL by Indirect Policy Search/Compressed NN Search (26)6.8Universal RL (27)7Conclusion271Introduction to Deep Learning(DL)in Neural Networks(NNs) Which modifiable components of a learning system are responsible for its success or failure?What changes to them improve performance?This has been called the fundamental credit assignment problem(Minsky, 1963).There are general credit assignment methods for universal problem solvers that are time-optimal in various theoretical senses(Sec.6.8).The present survey,however,will focus on the narrower,but now commercially important,subfield of Deep Learning(DL)in Artificial Neural Networks(NNs).We are interested in accurate credit assignment across possibly many,often nonlinear,computational stages of NNs.Shallow NN-like models have been around for many decades if not centuries(Sec.5.1).Models with several successive nonlinear layers of neurons date back at least to the1960s(Sec.5.3)and1970s(Sec.5.5). An efficient gradient descent method for teacher-based Supervised Learning(SL)in discrete,differentiable networks of arbitrary depth called backpropagation(BP)was developed in the1960s and1970s,and ap-plied to NNs in1981(Sec.5.5).BP-based training of deep NNs with many layers,however,had been found to be difficult in practice by the late1980s(Sec.5.6),and had become an explicit research subject by the early1990s(Sec.5.9).DL became practically feasible to some extent through the help of Unsupervised Learning(UL)(e.g.,Sec.5.10,5.15).The1990s and2000s also saw many improvements of purely super-vised DL(Sec.5).In the new millennium,deep NNs havefinally attracted wide-spread attention,mainly by outperforming alternative machine learning methods such as kernel machines(Vapnik,1995;Sch¨o lkopf et al.,1998)in numerous important applications.In fact,supervised deep NNs have won numerous of-ficial international pattern recognition competitions(e.g.,Sec.5.17,5.19,5.21,5.22),achieving thefirst superhuman visual pattern recognition results in limited domains(Sec.5.19).Deep NNs also have become relevant for the more generalfield of Reinforcement Learning(RL)where there is no supervising teacher (Sec.6).Both feedforward(acyclic)NNs(FNNs)and recurrent(cyclic)NNs(RNNs)have won contests(Sec.5.12,5.14,5.17,5.19,5.21,5.22).In a sense,RNNs are the deepest of all NNs(Sec.3)—they are general computers more powerful than FNNs,and can in principle create and process memories of ar-bitrary sequences of input patterns(e.g.,Siegelmann and Sontag,1991;Schmidhuber,1990a).Unlike traditional methods for automatic sequential program synthesis(e.g.,Waldinger and Lee,1969;Balzer, 1985;Soloway,1986;Deville and Lau,1994),RNNs can learn programs that mix sequential and parallel information processing in a natural and efficient way,exploiting the massive parallelism viewed as crucial for sustaining the rapid decline of computation cost observed over the past75years.The rest of this paper is structured as follows.Sec.2introduces a compact,event-oriented notation that is simple yet general enough to accommodate both FNNs and RNNs.Sec.3introduces the concept of Credit Assignment Paths(CAPs)to measure whether learning in a given NN application is of the deep or shallow type.Sec.4lists recurring themes of DL in SL,UL,and RL.Sec.5focuses on SL and UL,and on how UL can facilitate SL,although pure SL has become dominant in recent competitions(Sec.5.17-5.22). Sec.5is arranged in a historical timeline format with subsections on important inspirations and technical contributions.Sec.6on deep RL discusses traditional Dynamic Programming(DP)-based RL combined with gradient-based search techniques for SL or UL in deep NNs,as well as general methods for direct and indirect search in the weight space of deep FNNs and RNNs,including successful policy gradient and evolutionary methods.2Event-Oriented Notation for Activation Spreading in FNNs/RNNs Throughout this paper,let i,j,k,t,p,q,r denote positive integer variables assuming ranges implicit in the given contexts.Let n,m,T denote positive integer constants.An NN’s topology may change over time(e.g.,Fahlman,1991;Ring,1991;Weng et al.,1992;Fritzke, 1994).At any given moment,it can be described as afinite subset of units(or nodes or neurons)N= {u1,u2,...,}and afinite set H⊆N×N of directed edges or connections between nodes.FNNs are acyclic graphs,RNNs cyclic.Thefirst(input)layer is the set of input units,a subset of N.In FNNs,the k-th layer(k>1)is the set of all nodes u∈N such that there is an edge path of length k−1(but no longer path)between some input unit and u.There may be shortcut connections between distant layers.The NN’s behavior or program is determined by a set of real-valued,possibly modifiable,parameters or weights w i(i=1,...,n).We now focus on a singlefinite episode or epoch of information processing and activation spreading,without learning through weight changes.The following slightly unconventional notation is designed to compactly describe what is happening during the runtime of the system.During an episode,there is a partially causal sequence x t(t=1,...,T)of real values that I call events.Each x t is either an input set by the environment,or the activation of a unit that may directly depend on other x k(k<t)through a current NN topology-dependent set in t of indices k representing incoming causal connections or links.Let the function v encode topology information and map such event index pairs(k,t)to weight indices.For example,in the non-input case we may have x t=f t(net t)with real-valued net t= k∈in t x k w v(k,t)(additive case)or net t= k∈in t x k w v(k,t)(multiplicative case), where f t is a typically nonlinear real-valued activation function such as tanh.In many recent competition-winning NNs(Sec.5.19,5.21,5.22)there also are events of the type x t=max k∈int (x k);some networktypes may also use complex polynomial activation functions(Sec.5.3).x t may directly affect certain x k(k>t)through outgoing connections or links represented through a current set out t of indices k with t∈in k.Some non-input events are called output events.Note that many of the x t may refer to different,time-varying activations of the same unit in sequence-processing RNNs(e.g.,Williams,1989,“unfolding in time”),or also in FNNs sequentially exposed to time-varying input patterns of a large training set encoded as input events.During an episode,the same weight may get reused over and over again in topology-dependent ways,e.g.,in RNNs,or in convolutional NNs(Sec.5.4,5.8).I call this weight sharing across space and/or time.Weight sharing may greatly reduce the NN’s descriptive complexity,which is the number of bits of information required to describe the NN (Sec.4.3).In Supervised Learning(SL),certain NN output events x t may be associated with teacher-given,real-valued labels or targets d t yielding errors e t,e.g.,e t=1/2(x t−d t)2.A typical goal of supervised NN training is tofind weights that yield episodes with small total error E,the sum of all such e t.The hope is that the NN will generalize well in later episodes,causing only small errors on previously unseen sequences of input events.Many alternative error functions for SL and UL are possible.SL assumes that input events are independent of earlier output events(which may affect the environ-ment through actions causing subsequent perceptions).This assumption does not hold in the broaderfields of Sequential Decision Making and Reinforcement Learning(RL)(Kaelbling et al.,1996;Sutton and Barto, 1998;Hutter,2005)(Sec.6).In RL,some of the input events may encode real-valued reward signals given by the environment,and a typical goal is tofind weights that yield episodes with a high sum of reward signals,through sequences of appropriate output actions.Sec.5.5will use the notation above to compactly describe a central algorithm of DL,namely,back-propagation(BP)for supervised weight-sharing FNNs and RNNs.(FNNs may be viewed as RNNs with certainfixed zero weights.)Sec.6will address the more general RL case.3Depth of Credit Assignment Paths(CAPs)and of ProblemsTo measure whether credit assignment in a given NN application is of the deep or shallow type,I introduce the concept of Credit Assignment Paths or CAPs,which are chains of possibly causal links between events.Let usfirst focus on SL.Consider two events x p and x q(1≤p<q≤T).Depending on the appli-cation,they may have a Potential Direct Causal Connection(PDCC)expressed by the Boolean predicate pdcc(p,q),which is true if and only if p∈in q.Then the2-element list(p,q)is defined to be a CAP from p to q(a minimal one).A learning algorithm may be allowed to change w v(p,q)to improve performance in future episodes.More general,possibly indirect,Potential Causal Connections(PCC)are expressed by the recursively defined Boolean predicate pcc(p,q),which in the SL case is true only if pdcc(p,q),or if pcc(p,k)for some k and pdcc(k,q).In the latter case,appending q to any CAP from p to k yields a CAP from p to q(this is a recursive definition,too).The set of such CAPs may be large but isfinite.Note that the same weight may affect many different PDCCs between successive events listed by a given CAP,e.g.,in the case of RNNs, or weight-sharing FNNs.Suppose a CAP has the form(...,k,t,...,q),where k and t(possibly t=q)are thefirst successive elements with modifiable w v(k,t).Then the length of the suffix list(t,...,q)is called the CAP’s depth (which is0if there are no modifiable links at all).This depth limits how far backwards credit assignment can move down the causal chain tofind a modifiable weight.1Suppose an episode and its event sequence x1,...,x T satisfy a computable criterion used to decide whether a given problem has been solved(e.g.,total error E below some threshold).Then the set of used weights is called a solution to the problem,and the depth of the deepest CAP within the sequence is called the solution’s depth.There may be other solutions(yielding different event sequences)with different depths.Given somefixed NN topology,the smallest depth of any solution is called the problem’s depth.Sometimes we also speak of the depth of an architecture:SL FNNs withfixed topology imply a problem-independent maximal problem depth bounded by the number of non-input layers.Certain SL RNNs withfixed weights for all connections except those to output units(Jaeger,2001;Maass et al.,2002; Jaeger,2004;Schrauwen et al.,2007)have a maximal problem depth of1,because only thefinal links in the corresponding CAPs are modifiable.In general,however,RNNs may learn to solve problems of potentially unlimited depth.Note that the definitions above are solely based on the depths of causal chains,and agnostic of the temporal distance between events.For example,shallow FNNs perceiving large“time windows”of in-put events may correctly classify long input sequences through appropriate output events,and thus solve shallow problems involving long time lags between relevant events.At which problem depth does Shallow Learning end,and Deep Learning begin?Discussions with DL experts have not yet yielded a conclusive response to this question.Instead of committing myself to a precise answer,let me just define for the purposes of this overview:problems of depth>10require Very Deep Learning.The difficulty of a problem may have little to do with its depth.Some NNs can quickly learn to solve certain deep problems,e.g.,through random weight guessing(Sec.5.9)or other types of direct search (Sec.6.6)or indirect search(Sec.6.7)in weight space,or through training an NNfirst on shallow problems whose solutions may then generalize to deep problems,or through collapsing sequences of(non)linear operations into a single(non)linear operation—but see an analysis of non-trivial aspects of deep linear networks(Baldi and Hornik,1994,Section B).In general,however,finding an NN that precisely models a given training set is an NP-complete problem(Judd,1990;Blum and Rivest,1992),also in the case of deep NNs(S´ıma,1994;de Souto et al.,1999;Windisch,2005);compare a survey of negative results(S´ıma, 2002,Section1).Above we have focused on SL.In the more general case of RL in unknown environments,pcc(p,q) is also true if x p is an output event and x q any later input event—any action may affect the environment and thus any later perception.(In the real world,the environment may even influence non-input events computed on a physical hardware entangled with the entire universe,but this is ignored here.)It is possible to model and replace such unmodifiable environmental PCCs through a part of the NN that has already learned to predict(through some of its units)input events(including reward signals)from former input events and actions(Sec.6.1).Its weights are frozen,but can help to assign credit to other,still modifiable weights used to compute actions(Sec.6.1).This approach may lead to very deep CAPs though.Some DL research is about automatically rephrasing problems such that their depth is reduced(Sec.4). In particular,sometimes UL is used to make SL problems less deep,e.g.,Sec.5.10.Often Dynamic Programming(Sec.4.1)is used to facilitate certain traditional RL problems,e.g.,Sec.6.2.Sec.5focuses on CAPs for SL,Sec.6on the more complex case of RL.4Recurring Themes of Deep Learning4.1Dynamic Programming(DP)for DLOne recurring theme of DL is Dynamic Programming(DP)(Bellman,1957),which can help to facili-tate credit assignment under certain assumptions.For example,in SL NNs,backpropagation itself can 1An alternative would be to count only modifiable links when measuring depth.In many typical NN applications this would not make a difference,but in some it would,e.g.,Sec.6.1.be viewed as a DP-derived method(Sec.5.5).In traditional RL based on strong Markovian assumptions, DP-derived methods can help to greatly reduce problem depth(Sec.6.2).DP algorithms are also essen-tial for systems that combine concepts of NNs and graphical models,such as Hidden Markov Models (HMMs)(Stratonovich,1960;Baum and Petrie,1966)and Expectation Maximization(EM)(Dempster et al.,1977),e.g.,(Bottou,1991;Bengio,1991;Bourlard and Morgan,1994;Baldi and Chauvin,1996; Jordan and Sejnowski,2001;Bishop,2006;Poon and Domingos,2011;Dahl et al.,2012;Hinton et al., 2012a).4.2Unsupervised Learning(UL)Facilitating Supervised Learning(SL)and RL Another recurring theme is how UL can facilitate both SL(Sec.5)and RL(Sec.6).UL(Sec.5.6.4) is normally used to encode raw incoming data such as video or speech streams in a form that is more convenient for subsequent goal-directed learning.In particular,codes that describe the original data in a less redundant or more compact way can be fed into SL(Sec.5.10,5.15)or RL machines(Sec.6.4),whose search spaces may thus become smaller(and whose CAPs shallower)than those necessary for dealing with the raw data.UL is closely connected to the topics of regularization and compression(Sec.4.3,5.6.3). 4.3Occam’s Razor:Compression and Minimum Description Length(MDL) Occam’s razor favors simple solutions over complex ones.Given some programming language,the prin-ciple of Minimum Description Length(MDL)can be used to measure the complexity of a solution candi-date by the length of the shortest program that computes it(e.g.,Solomonoff,1964;Kolmogorov,1965b; Chaitin,1966;Wallace and Boulton,1968;Levin,1973a;Rissanen,1986;Blumer et al.,1987;Li and Vit´a nyi,1997;Gr¨u nwald et al.,2005).Some methods explicitly take into account program runtime(Al-lender,1992;Watanabe,1992;Schmidhuber,2002,1995);many consider only programs with constant runtime,written in non-universal programming languages(e.g.,Rissanen,1986;Hinton and van Camp, 1993).In the NN case,the MDL principle suggests that low NN weight complexity corresponds to high NN probability in the Bayesian view(e.g.,MacKay,1992;Buntine and Weigend,1991;De Freitas,2003), and to high generalization performance(e.g.,Baum and Haussler,1989),without overfitting the training data.Many methods have been proposed for regularizing NNs,that is,searching for solution-computing, low-complexity SL NNs(Sec.5.6.3)and RL NNs(Sec.6.7).This is closely related to certain UL methods (Sec.4.2,5.6.4).4.4Learning Hierarchical Representations Through Deep SL,UL,RLMany methods of Good Old-Fashioned Artificial Intelligence(GOFAI)(Nilsson,1980)as well as more recent approaches to AI(Russell et al.,1995)and Machine Learning(Mitchell,1997)learn hierarchies of more and more abstract data representations.For example,certain methods of syntactic pattern recog-nition(Fu,1977)such as grammar induction discover hierarchies of formal rules to model observations. The partially(un)supervised Automated Mathematician/EURISKO(Lenat,1983;Lenat and Brown,1984) continually learns concepts by combining previously learnt concepts.Such hierarchical representation learning(Ring,1994;Bengio et al.,2013;Deng and Yu,2014)is also a recurring theme of DL NNs for SL (Sec.5),UL-aided SL(Sec.5.7,5.10,5.15),and hierarchical RL(Sec.6.5).Often,abstract hierarchical representations are natural by-products of data compression(Sec.4.3),e.g.,Sec.5.10.4.5Fast Graphics Processing Units(GPUs)for DL in NNsWhile the previous millennium saw several attempts at creating fast NN-specific hardware(e.g.,Jackel et al.,1990;Faggin,1992;Ramacher et al.,1993;Widrow et al.,1994;Heemskerk,1995;Korkin et al., 1997;Urlbe,1999),and at exploiting standard hardware(e.g.,Anguita et al.,1994;Muller et al.,1995; Anguita and Gomes,1996),the new millennium brought a DL breakthrough in form of cheap,multi-processor graphics cards or GPUs.GPUs are widely used for video games,a huge and competitive market that has driven down hardware prices.GPUs excel at fast matrix and vector multiplications required not only for convincing virtual realities but also for NN training,where they can speed up learning by a factorof50and more.Some of the GPU-based FNN implementations(Sec.5.16-5.19)have greatly contributed to recent successes in contests for pattern recognition(Sec.5.19-5.22),image segmentation(Sec.5.21), and object detection(Sec.5.21-5.22).5Supervised NNs,Some Helped by Unsupervised NNsThe main focus of current practical applications is on Supervised Learning(SL),which has dominated re-cent pattern recognition contests(Sec.5.17-5.22).Several methods,however,use additional Unsupervised Learning(UL)to facilitate SL(Sec.5.7,5.10,5.15).It does make sense to treat SL and UL in the same section:often gradient-based methods,such as BP(Sec.5.5.1),are used to optimize objective functions of both UL and SL,and the boundary between SL and UL may blur,for example,when it comes to time series prediction and sequence classification,e.g.,Sec.5.10,5.12.A historical timeline format will help to arrange subsections on important inspirations and techni-cal contributions(although such a subsection may span a time interval of many years).Sec.5.1briefly mentions early,shallow NN models since the1940s,Sec.5.2additional early neurobiological inspiration relevant for modern Deep Learning(DL).Sec.5.3is about GMDH networks(since1965),perhaps thefirst (feedforward)DL systems.Sec.5.4is about the relatively deep Neocognitron NN(1979)which is similar to certain modern deep FNN architectures,as it combines convolutional NNs(CNNs),weight pattern repli-cation,and winner-take-all(WTA)mechanisms.Sec.5.5uses the notation of Sec.2to compactly describe a central algorithm of DL,namely,backpropagation(BP)for supervised weight-sharing FNNs and RNNs. It also summarizes the history of BP1960-1981and beyond.Sec.5.6describes problems encountered in the late1980s with BP for deep NNs,and mentions several ideas from the previous millennium to overcome them.Sec.5.7discusses afirst hierarchical stack of coupled UL-based Autoencoders(AEs)—this concept resurfaced in the new millennium(Sec.5.15).Sec.5.8is about applying BP to CNNs,which is important for today’s DL applications.Sec.5.9explains BP’s Fundamental DL Problem(of vanishing/exploding gradients)discovered in1991.Sec.5.10explains how a deep RNN stack of1991(the History Compressor) pre-trained by UL helped to solve previously unlearnable DL benchmarks requiring Credit Assignment Paths(CAPs,Sec.3)of depth1000and more.Sec.5.11discusses a particular WTA method called Max-Pooling(MP)important in today’s DL FNNs.Sec.5.12mentions afirst important contest won by SL NNs in1994.Sec.5.13describes a purely supervised DL RNN(Long Short-Term Memory,LSTM)for problems of depth1000and more.Sec.5.14mentions an early contest of2003won by an ensemble of shallow NNs, as well as good pattern recognition results with CNNs and LSTM RNNs(2003).Sec.5.15is mostly about Deep Belief Networks(DBNs,2006)and related stacks of Autoencoders(AEs,Sec.5.7)pre-trained by UL to facilitate BP-based SL.Sec.5.16mentions thefirst BP-trained MPCNNs(2007)and GPU-CNNs(2006). Sec.5.17-5.22focus on official competitions with secret test sets won by(mostly purely supervised)DL NNs since2009,in sequence recognition,image classification,image segmentation,and object detection. Many RNN results depended on LSTM(Sec.5.13);many FNN results depended on GPU-based FNN code developed since2004(Sec.5.16,5.17,5.18,5.19),in particular,GPU-MPCNNs(Sec.5.19).5.11940s and EarlierNN research started in the1940s(e.g.,McCulloch and Pitts,1943;Hebb,1949);compare also later work on learning NNs(Rosenblatt,1958,1962;Widrow and Hoff,1962;Grossberg,1969;Kohonen,1972; von der Malsburg,1973;Narendra and Thathatchar,1974;Willshaw and von der Malsburg,1976;Palm, 1980;Hopfield,1982).In a sense NNs have been around even longer,since early supervised NNs were essentially variants of linear regression methods going back at least to the early1800s(e.g.,Legendre, 1805;Gauss,1809,1821).Early NNs had a maximal CAP depth of1(Sec.3).5.2Around1960:More Neurobiological Inspiration for DLSimple cells and complex cells were found in the cat’s visual cortex(e.g.,Hubel and Wiesel,1962;Wiesel and Hubel,1959).These cellsfire in response to certain properties of visual sensory inputs,such as theorientation of plex cells exhibit more spatial invariance than simple cells.This inspired later deep NN architectures(Sec.5.4)used in certain modern award-winning Deep Learners(Sec.5.19-5.22).5.31965:Deep Networks Based on the Group Method of Data Handling(GMDH) Networks trained by the Group Method of Data Handling(GMDH)(Ivakhnenko and Lapa,1965; Ivakhnenko et al.,1967;Ivakhnenko,1968,1971)were perhaps thefirst DL systems of the Feedforward Multilayer Perceptron type.The units of GMDH nets may have polynomial activation functions imple-menting Kolmogorov-Gabor polynomials(more general than traditional NN activation functions).Given a training set,layers are incrementally grown and trained by regression analysis,then pruned with the help of a separate validation set(using today’s terminology),where Decision Regularisation is used to weed out superfluous units.The numbers of layers and units per layer can be learned in problem-dependent fashion. This is a good example of hierarchical representation learning(Sec.4.4).There have been numerous ap-plications of GMDH-style networks,e.g.(Ikeda et al.,1976;Farlow,1984;Madala and Ivakhnenko,1994; Ivakhnenko,1995;Kondo,1998;Kord´ık et al.,2003;Witczak et al.,2006;Kondo and Ueno,2008).5.41979:Convolution+Weight Replication+Winner-Take-All(WTA)Apart from deep GMDH networks(Sec.5.3),the Neocognitron(Fukushima,1979,1980,2013a)was per-haps thefirst artificial NN that deserved the attribute deep,and thefirst to incorporate the neurophysiolog-ical insights of Sec.5.2.It introduced convolutional NNs(today often called CNNs or convnets),where the(typically rectangular)receptivefield of a convolutional unit with given weight vector is shifted step by step across a2-dimensional array of input values,such as the pixels of an image.The resulting2D array of subsequent activation events of this unit can then provide inputs to higher-level units,and so on.Due to massive weight replication(Sec.2),relatively few parameters may be necessary to describe the behavior of such a convolutional layer.Competition layers have WTA subsets whose maximally active units are the only ones to adopt non-zero activation values.They essentially“down-sample”the competition layer’s input.This helps to create units whose responses are insensitive to small image shifts(compare Sec.5.2).The Neocognitron is very similar to the architecture of modern,contest-winning,purely super-vised,feedforward,gradient-based Deep Learners with alternating convolutional and competition lay-ers(e.g.,Sec.5.19-5.22).Fukushima,however,did not set the weights by supervised backpropagation (Sec.5.5,5.8),but by local un supervised learning rules(e.g.,Fukushima,2013b),or by pre-wiring.In that sense he did not care for the DL problem(Sec.5.9),although his architecture was comparatively deep indeed.He also used Spatial Averaging(Fukushima,1980,2011)instead of Max-Pooling(MP,Sec.5.11), currently a particularly convenient and popular WTA mechanism.Today’s CNN-based DL machines profita lot from later CNN work(e.g.,LeCun et al.,1989;Ranzato et al.,2007)(Sec.5.8,5.16,5.19).5.51960-1981and Beyond:Development of Backpropagation(BP)for NNsThe minimisation of errors through gradient descent(Hadamard,1908)in the parameter space of com-plex,nonlinear,differentiable,multi-stage,NN-related systems has been discussed at least since the early 1960s(e.g.,Kelley,1960;Bryson,1961;Bryson and Denham,1961;Pontryagin et al.,1961;Dreyfus,1962; Wilkinson,1965;Amari,1967;Bryson and Ho,1969;Director and Rohrer,1969;Griewank,2012),ini-tially within the framework of Euler-LaGrange equations in the Calculus of Variations(e.g.,Euler,1744). Steepest descent in such systems can be performed(Bryson,1961;Kelley,1960;Bryson and Ho,1969)by iterating the ancient chain rule(Leibniz,1676;L’Hˆo pital,1696)in Dynamic Programming(DP)style(Bell-man,1957).A simplified derivation of the method uses the chain rule only(Dreyfus,1962).The methods of the1960s were already efficient in the DP sense.However,they backpropagated derivative information through standard Jacobian matrix calculations from one“layer”to the previous one, explicitly addressing neither direct links across several layers nor potential additional efficiency gains due to network sparsity(but perhaps such enhancements seemed obvious to the authors).。