1、线性回归

1.1 线性回归的基本要素

模型
为了简单起见，这里我们假设价格只取决于房屋状况的两个因素，即面积（平方米）和房龄（年）。接下来我们希望探索价格与这两个因素的具体关系。线性回归假设输出与各个输入之间是线性关系:

数据集
我们通常收集一系列的真实数据，例如多栋房屋的真实售出价格和它们对应的面积和房龄。我们希望在这个数据上面寻找模型参数来使模型的预测价格与真实价格的误差最小。在机器学习术语里，该数据集被称为训练数据集（training data set）或训练集（training set），一栋房屋被称为一个样本（sample），其真实售出价格叫作标签（label），用来预测标签的两个因素叫作特征（feature）。特征用来表征样本的特点。

损失函数
在模型训练中，我们需要衡量价格预测值与真实值之间的误差。通常我们会选取一个非负数作为误差，且数值越小表示误差越小。一个常用的选择是平方函数。 它在评估索引为 i 的样本误差的表达式为：

优化函数 - 随机梯度下降
当模型和损失函数形式较为简单时，上面的误差最小化问题的解可以直接用公式表达出来。这类解叫作解析解（analytical solution）。本节使用的线性回归和平方误差刚好属于这个范畴。然而，大多数深度学习模型并没有解析解，只能通过优化算法有限次迭代模型参数来尽可能降低损失函数的值。这类解叫作数值解（numerical solution）。

在求数值解的优化算法中，小批量随机梯度下降（mini-batch stochastic gradient descent）在深度学习中被广泛使用。它的算法很简单：先选取一组模型参数的初始值，如随机选取；接下来对参数进行多次迭代，使每次迭代都可能降低损失函数的值。在每次迭代中，先随机均匀采样一个由固定数目训练数据样本所组成的小批量（mini-batch）β，然后求小批量中数据样本的平均损失有关模型参数的导数（梯度），最后用此结果与预先设定的一个正数的乘积作为模型参数在本次迭代的减小量。

学习率: η 代表在每次优化中，能够学习的步长的大小；
批量大小: β 是小批量计算中的批量大小batch size。

2、softmax与分类模型

2.1 softmax的基本概念

• 分类问题：
  一个简单的图像分类问题，输入图像的高和宽均为2像素，色彩为灰度。图像中的4像素分别记为 x1,x2,x3,x4（称之为feature） ；
  假设真实标签为狗、猫或者鸡，这些标签对应的离散值为 y1,y2,y3 。
  我们通常使用离散的数值来表示类别，例如 y1=1,y2=2,y3=3 （称之为label）
• 权重矢量
  
• 神经网络图
  下图用神经网络图描绘了上面的计算。softmax回归同线性回归一样，也是一个单层神经网络。由于每个输出 o1,o2,o3 的计算都要依赖于所有的输入 x1,x2,x3,x4 ，softmax回归的输出层也是一个全连接层。
  
  既然分类问题需要得到离散的预测输出，一个简单的办法是将输出值 oi 当作预测类别是 i 的置信度，并将值最大的输出所对应的类作为预测输出，即输出 argmax(oi )。例如，如果 o1,o2,o3 分别为 0.1,10,0.1 ，由于 o2 最大，那么预测类别为2，其代表猫。
• 输出问题（重点）
  直接使用输出层的输出有两个问题：
  1、由于输出层的输出值的范围不确定。我们难以直观上判断这些值的意义。例如，刚才举的例子中的输出值10表示“很置信”图像类别为猫，因为该输出值是其他两类的输出值的100倍。但如果o1=o3=10^3 ，那么输出值10却又表示图像类别为猫的概率很低。
  2、由于真实标签是离散值，这些离散值与不确定范围的输出值之间的误差难以衡量。

softmax运算符（softmax operator）解决了以上两个问题。它通过下式将输出值变换成值为正且和为1的概率分布：

2.2 交叉熵损失函数

3、多层感知机

3.1多层感知机的基本知识

深度学习主要关注多层模型。在这里，我们将以多层感知机（multilayer perceptron，MLP）为例，介绍多层神经网络的概念。
隐藏层
下图展示了一个多层感知机的神经网络图，它含有一个隐藏层，该层中有5个隐藏单元。

• 表达公式
  
  也就是说，对于没有引入非线性函数的神经网络（多层感知机模型），无论添加再多的隐藏层，所有的设计任然与仅含输出层的单层神经网络等价。于是便引入了**函数

3.2 **函数

上述问题的根源在于全连接层只是对数据做仿射变换（affine transformation），而多个仿射变换的叠加仍然是一个仿射变换。解决问题的一个方法是引入非线性变换，例如对隐藏变量使用按元素运算的非线性函数进行变换，然后再作为下一个全连接层的输入。这个非线性函数被称为**函数（activation function）。

下面我们介绍几个常用的**函数：

• ReLU函数
  ReLU（rectified linear unit）函数提供了一个很简单的非线性变换。给定元素x，该函数定义为
  
  可以看出，ReLU函数只保留正数元素，并将负数元素清零。为了直观地观察这一非线性变换，我们先定义一个绘图函数xyplot。

• Sigmoid函数
  sigmoid函数可以将元素的值变换到0和1之间：
  
  
• tanh函数
  tanh（双曲正切）函数可以将元素的值变换到-1和1之间：
  
  我们接着绘制tanh函数。当输入接近0时，tanh函数接近线性变换。虽然该函数的形状和sigmoid函数的形状很像，但tanh函数在坐标系的原点上对称。
  

3.3 关于**函数的选择

ReLu函数是一个通用的**函数，目前在大多数情况下使用。但是，ReLU函数只能在隐藏层中使用。

用于分类器时，sigmoid函数及其组合通常效果更好。由于梯度消失问题，有时要避免使用sigmoid和tanh函数。

在神经网络层数较多的时候，最好使用ReLu函数，ReLu函数比较简单计算量少，而sigmoid和tanh函数计算量大很多。

在选择**函数的时候可以先选用ReLu函数如果效果不理想可以尝试其他**函数。

3.4 带非线性**函数的多层感知机

多层感知机就是含有至少一个隐藏层的由全连接层组成的神经网络，且每个隐藏层的输出通过**函数进行变换。多层感知机的层数和各隐藏层中隐藏单元个数都是超参数。以单隐藏层为例并沿用本节之前定义的符号，多层感知机按以下方式计算输出：