动手学深度学习

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前言

如何使用本书

资源与支持

主要符号表

第　1章深度学习简介　1

1.1　起源　2

1.2　发展　4

1.3　成功案例　6

1.4　特点　7

小结　8

练习　8

第　2章预备知识　9

2.1　获取和运行本书的代码　9

2.1.1　获取代码并安装运行环境　9

2.1.2　更新代码和运行环境　11

2.1.3　使用GPU版的MXNet　11

小结12

练习12

2.2　数据操作　12

2.2.1　创建NDArray　12

2.2.2　运算　14

2.2.3　广播机制　16

2.2.4　索引　17

2.2.5　运算的内存开销　17

2.2.6　NDArray和NumPy相互变换18

小结19

练习19

2.3　自动求梯度　19

2.3.1　简单例子　19

2.3.2　训练模式和预测模式　20

2.3.3　对Python控制流求梯度　20

小结21

练习21

2.4　查阅文档　21

2.4.1　查找模块里的所有函数和类　21

2.4.2　查找特定函数和类的使用　22

2.4.3　在MXNet网站上查阅　23

小结　24

练习　24

第3章深度学习基础　25

3.1　线性回归　25

3.1.1　线性回归的基本要素　25

3.1.2　线性回归的表示方法　28

小结　30

练习　30

3.2　线性回归的从零开始实现　30

3.2.1　生成数据集　30

3.2.2　读取数据集　32

3.2.3　初始化模型参数　32

3.2.4　定义模型　33

3.2.5　定义损失函数　33

3.2.6　定义优化算法　33

3.2.7　训练模型　33

小结　34

练习　34

3.3　线性回归的简洁实现　35

3.3.1　生成数据集　35

3.3.2　读取数据集　35

3.3.3　定义模型　36

3.3.4　初始化模型参数　36

3.3.5　定义损失函数　37

3.3.6　定义优化算法　37

3.3.7　训练模型　37

小结　38

练习　38

3.4　softmax回归　38

3.4.1　分类问题　38

3.4.2　softmax回归模型　39

3.4.3　单样本分类的矢量计算表达式　40

3.4.4　小批量样本分类的矢量计算表达式　40

3.4.5　交叉熵损失函数　41

3.4.6　模型预测及评价　42

小结　42

练习　42

3.5　图像分类数据集（Fashion-MNIST）　42

3.5.1　获取数据集　42

3.5.2　读取小批量　44

小结　45

练习　45

3.6　softmax回归的从零开始实现　45

3.6.1　读取数据集　45

3.6.2　初始化模型参数　45

3.6.3　实现softmax运算　46

3.6.4　定义模型　46

3.6.5　定义损失函数　47

3.6.6　计算分类准确率　47

3.6.7　训练模型　48

3.6.8　预测　48

小结　49

练习　49

3.7　softmax回归的简洁实现　49

3.7.1　读取数据集　49

3.7.2　定义和初始化模型　50

3.7.3　softmax和交叉熵损失函数　50

3.7.4　定义优化算法　50

3.7.5　训练模型　50

小结　50

练习　50

3.8　多层感知机　51

3.8.1　隐藏层　51

3.8.2　激活函数　52

3.8.3　多层感知机　55

小结　55

练习　55

3.9　多层感知机的从零开始实现　56

3.9.1　读取数据集　56

3.9.2　定义模型参数　56

3.9.3　定义激活函数　56

3.9.4　定义模型　56

3.9.5　定义损失函数　57

3.9.6　训练模型　57

小结　57

练习　57

3.10　多层感知机的简洁实现　57

3.10.1　定义模型　58

3.10.2　训练模型　58

小结　58

练习　58

3.11　模型选择、欠拟合和过拟合　58

3.11.1　训练误差和泛化误差　59

3.11.2　模型选择　59

3.11.3　欠拟合和过拟合　60

3.11.4　多项式函数拟合实验　61

小结　65

练习　65

3.12　权重衰减　65

3.12.1　方法　65

3.12.2　高维线性回归实验　66

3.12.3　从零开始实现　66

3.12.4　简洁实现　68

小结　70

练习　70

3.13　丢弃法　70

3.13.1　方法　70

3.13.2　从零开始实现　71

3.13.3　简洁实现　73

小结　74

练习　74

3.14　正向传播、反向传播和计算图　74

3.14.1　正向传播　74

3.14.2　正向传播的计算图　75

3.14.3　反向传播　75

3.14.4　训练深度学习模型　76

小结　77

练习　77

3.15　数值稳定性和模型初始化　77

3.15.1　衰减和爆炸　77

3.15.2　随机初始化模型参数　78

小结　78

练习　79

3.16　实战Kaggle比赛：房价预测　79

3.16.1　Kaggle比赛　79

3.16.2　读取数据集　80

3.16.3　预处理数据集　81

3.16.4　训练模型　82

3.16.5　k折交叉验证　82

3.16.6　模型选择　83

3.16.7　预测并在Kaggle提交结果　84

小结　85

练习　85

第4章深度学习计算　86

4.1　模型构造　86

4.1.1　继承Block类来构造模型　86

4.1.2　Sequential类继承自Block类　87

4.1.3　构造复杂的模型　88

小结　89

练习　90

4.2　模型参数的访问、初始化和共享　90

4.2.1　访问模型参数　90

4.2.2　初始化模型参数　92

4.2.3　自定义初始化方法　93

4.2.4　共享模型参数　94

小结　94

练习　94

4.3　模型参数的延后初始化　95

4.3.1　延后初始化　95

4.3.2　避免延后初始化　96

小结　96

练习　97

4.4　自定义层　97

4.4.1　不含模型参数的自定义层　97

4.4.2　含模型参数的自定义层　98

小结　99

练习　99

4.5　读取和存储　99

4.5.1　读写NDArray　99

4.5.2　读写Gluon模型的参数　100

小结　101

练习　101

4.6　GPU计算　101

4.6.1　计算设备　102

4.6.2　NDArray的GPU计算　102

4.6.3　Gluon的GPU计算　104

小结　105

练习　105

第5章卷积神经网络　106

5.1　二维卷积层　106

5.1.1　二维互相关运算　106

5.1.2　二维卷积层　107

5.1.3　图像中物体边缘检测　108

5.1.4　通过数据学习核数组　109

5.1.5　互相关运算和卷积运算　109

5.1.6　特征图和感受野　110

小结　110

练习　110

5.2　填充和步幅　111

5.2.1　填充　111

5.2.2　步幅　112

小结　113

练习　113

5.3　多输入通道和多输出通道　114

5.3.1　多输入通道　114

5.3.2　多输出通道　115

5.3.3　1×1卷积层　116

小结　117

练习　117

5.4　池化层　117

5.4.1　二维最大池化层和平均池化层　117

5.4.2　填充和步幅　119

5.4.3　多通道　120

小结　120

练习　121

5.5　卷积神经网络（LeNet）　121

5.5.1　LeNet模型　121

5.5.2　训练模型　122

小结　124

练习　124

5.6　深度卷积神经网络（AlexNet）　124

5.6.1　学习特征表示　125

5.6.2　AlexNet　126

5.6.3　读取数据集　127

5.6.4　训练模型　128

小结　128

练习　129

5.7　使用重复元素的网络（VGG）　129

5.7.1　VGG块　129

5.7.2　VGG网络　129

5.7.3　训练模型　130

小结　131

练习　131

5.8　网络中的网络（NiN）　131

5.8.1　NiN块　131

5.8.2　NiN模型　132

5.8.3　训练模型　133

小结　134

练习　134

5.9　含并行连结的网络（GoogLeNet）　134

5.9.1　Inception块　134

5.9.2　GoogLeNet模型　135

5.9.3　训练模型　137

小结　137

练习　137

5.10　批量归一化　138

5.10.1　批量归一化层　138

5.10.2　从零开始实现　139

5.10.3　使用批量归一化层的LeNet　140

5.10.4　简洁实现　141

小结　142

练习　142

5.11　残差网络（ResNet）　143

5.11.1　残差块　143

5.11.2　ResNet模型　145

5.11.3　训练模型　146

小结　146

练习　146

5.12　稠密连接网络（DenseNet）　147

5.12.1　稠密块　147

5.12.2　过渡层　148

5.12.3　DenseNet模型　148

5.12.4　训练模型　149

小结　149

练习　149

第6章循环神经网络　150

6.1　语言模型　150

6.1.1　语言模型的计算　151

6.1.2　n元语法　151

小结　152

练习　152

6.2　循环神经网络　152

6.2.1　不含隐藏状态的神经网络　152

6.2.2　含隐藏状态的循环神经网络　152

6.2.3　应用：基于字符级循环神经网络的语言模型　154

小结　155

练习　155

6.3　语言模型数据集（歌词）　155

6.3.1　读取数据集　155

6.3.2　建立字符索引　156

6.3.3　时序数据的采样　156

小结　158

练习　159

6.4　循环神经网络的从零开始实现　159

6.4.1　one-hot向量　159

6.4.2　初始化模型参数　160

6.4.3　定义模型　160

6.4.4　定义预测函数　161

6.4.5　裁剪梯度　161

6.4.6　困惑度　162

6.4.7　定义模型训练函数　162

6.4.8　训练模型并创作歌词　163

小结　164

练习　164

6.5　循环神经网络的简洁实现　165

6.5.1　定义模型　165

6.5.2　训练模型　166

小结　168

练习　168

6.6　通过时间反向传播　168

6.6.1　定义模型　168

6.6.2　模型计算图　169

6.6.3　方法　169

小结　170

练习　170

6.7　门控循环单元（GRU）　170

6.7.1　门控循环单元　171

6.7.2　读取数据集　173

6.7.3　从零开始实现　173

6.7.4　简洁实现　175

小结　176

练习　176

6.8　长短期记忆（LSTM）　176

6.8.1　长短期记忆　176

6.8.2　读取数据集　179

6.8.3　从零开始实现　179

6.8.4　简洁实现　181

小结　181

练习　182

6.9　深度循环神经网络　182

小结　183

练习　183

6.10　双向循环神经网络　183

小结　184

练习　184

第7章优化算法　185

7.1　优化与深度学习　185

7.1.1　优化与深度学习的关系　185

7.1.2　优化在深度学习中的挑战　186

小结　188

练习　189

7.2　梯度下降和随机梯度下降　189

7.2.1　一维梯度下降　189

7.2.2　学习率　190

7.2.3　多维梯度下降　191

7.2.4　随机梯度下降　193

小结　194

练习　194

7.3　小批量随机梯度下降　194

7.3.1　读取数据集　195

7.3.2　从零开始实现　196

7.3.3　简洁实现　198

小结　199

练习　199

7.4　动量法　200

7.4.1　梯度下降的问题　200

7.4.2　动量法　201

·6·　目录

7.4.3　从零开始实现　203

7.4.4　简洁实现　205

小结　205

练习　205

7.5　AdaGrad算法206

7.5.1　算法　206

7.5.2　特点　206

7.5.3　从零开始实现　208

7.5.4　简洁实现　209

小结　209

练习　209

7.6　RMSProp算法　209

7.6.1　算法　210

7.6.2　从零开始实现　211

7.6.3　简洁实现　212

小结　212

练习　212

7.7　AdaDelta算法　212

7.7.1　算法　212

7.7.2　从零开始实现　213

7.7.3　简洁实现　214

小结　214

练习　214

7.8　Adam算法　215

7.8.1　算法　215

7.8.2　从零开始实现　216

7.8.3　简洁实现　216

小结　217

练习　217

第8章计算性能　218

8.1　命令式和符号式混合编程　218

8.1.1　混合式编程取两者之长　220

8.1.2　使用HybridSequential类构造模型　220

8.1.3　使用HybridBlock类构造模型　222

小结　224

练习　224

8.2　异步计算　224

8.2.1　MXNet中的异步计算　224

8.2.2　用同步函数让前端等待计算结果　226

8.2.3　使用异步计算提升计算性能　226

8.2.4　异步计算对内存的影响　227

小结　229

练习　229

8.3　自动并行计算　229

8.3.1　CPU和GPU的并行计算　230

8.3.2　计算和通信的并行计算　231

小结　231

练习　231

8.4　多GPU计算　232

8.4.1　数据并行　232

8.4.2　定义模型　233

8.4.3　多GPU之间同步数据　234

8.4.4　单个小批量上的多GPU训练　236

8.4.5　定义训练函数　236

8.4.6　多GPU训练实验　237

小结　237

练习　237

8.5　多GPU计算的简洁实现　237

8.5.1　多GPU上初始化模型参数　238

8.5.2　多GPU训练模型　239

小结　241

练习　241

第9章计算机视觉　242

9.1　图像增广242

9.1.1　常用的图像增广方法　243

9.1.2　使用图像增广训练模型　246

小结　250

练习　250

9.2　微调　250

热狗识别　251

小结　255

练习　255

目　录·7·

9.3　目标检测和边界框　255

边界框　256

小结　257

练习　257

9.4　锚框　257

9.4.1　生成多个锚框　257

9.4.2　交并比　259

9.4.3　标注训练集的锚框　260

9.4.4　输出预测边界框　263

小结　265

练习　265

9.5　多尺度目标检测　265

小结　268

练习　268

9.6　目标检测数据集（皮卡丘）　268

9.6.1　获取数据集　269

9.6.2　读取数据集　269

9.6.3　图示数据　270

小结　270

练习　271

9.7　单发多框检测（SSD）　271

9.7.1　定义模型　271

9.7.2　训练模型　275

9.7.3　预测目标　277

小结　278

练习　278

9.8　区域卷积神经网络（R-CNN）系列280

9.8.1　R-CNN　280

9.8.2　FastR-CNN　281

9.8.3　FasterR-CNN　283

9.8.4　MaskR-CNN　284

小结　285

练习　285

9.9　语义分割和数据集　285

9.9.1　图像分割和实例分割　285

9.9.2　PascalVOC2012语义分割数据集　286

小结　290

练习　290

9.10　全卷积网络（FCN）　290

9.10.1　转置卷积层　291

9.10.2　构造模型　292

9.10.3　初始化转置卷积层　294

9.10.4　读取数据集　295

9.10.5　训练模型　296

9.10.6　预测像素类别　296

小结　297

练习　297

9.11　样式迁移　298

9.11.1　方法　298

9.11.2　读取内容图像和样式图像　299

9.11.3　预处理和后处理图像　300

9.11.4　抽取特征　301

9.11.5　定义损失函数　302

9.11.6　创建和初始化合成图像　303

9.11.7　训练模型　304

小结　306

练习　306