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深度学习岗位面试问题整理笔记 https://zhuanlan.zhihu.com/p/25005808

CNN最成功的应用是在CV，那为什么NLP和Speech的很多问题也可以用CNN解出来？为什么AlphaGo里也用了CNN？这几个不相关的问题的相似性在哪里？CNN通过什么手段抓住了这个共性？
- 以上几个不相关问题的相关性在于，都存在局部与整体的关系，由低层次的特征经过组合，组成高层次的特征，并且得到不同特征之间的空间相关性。如下图：低层次的直线／曲线等特征，组合成为不同的形状，最后得到汽车的表示。

- CNN抓住此共性的手段主要有四个：局部连接／权值共享／池化操作／多层次结构。
- 局部连接使网络可以提取数据的局部特征；权值共享大大降低了网络的训练难度，一个Filter只提取一个特征，在整个图片（或者语音／文本）中进行卷积；池化操作与多层次结构一起，实现了数据的降维，将低层次的局部特征组合成为较高层次的特征，从而对整个图片进行表示。如下图：

- 上图中，如果每一个点的处理使用相同的Filter，则为全卷积，如果使用不同的Filter，则为Local-Conv。
为什么很多做人脸的Paper会最后加入一个Local Connected Conv？
- 以FaceBook DeepFace 为例：

- DeepFace 先进行了两次全卷积＋一次池化，提取了低层次的边缘／纹理等特征。
- 后接了3个Local-Conv层，这里是用Local-Conv的原因是，人脸在不同的区域存在不同的特征（眼睛／鼻子／嘴的分布位置相对固定），当不存在全局的局部特征分布时，Local-Conv更适合特征的提取。

什麽样的资料集不适合用深度学习?
- 数据集太小，数据样本不足时，深度学习相对其它机器学习算法，没有明显优势。
- 数据集没有局部相关特性，目前深度学习表现比较好的领域主要是图像／语音／自然语言处理等领域，这些领域的一个共性是局部相关性。图像中像素组成物体，语音信号中音位组合成单词，文本数据中单词组合成句子，这些特征元素的组合一旦被打乱，表示的含义同时也被改变。对于没有这样的局部相关性的数据集，不适于使用深度学习算法进行处理。举个例子：预测一个人的健康状况，相关的参数会有年龄、职业、收入、家庭状况等各种元素，将这些元素打乱，并不会影响相关的结果。

对所有优化问题来说, 有没有可能找到比現在已知算法更好的算法?
- 没有免费的午餐定理：

- 对于训练样本（黑点），不同的算法A/B在不同的测试样本（白点）中有不同的表现，这表示：对于一个学习算法A，若它在某些问题上比学习算法 B更好，则必然存在一些问题，在那里B比A好。
- 也就是说：对于所有问题，无论学习算法A多聪明，学习算法 B多笨拙，它们的期望性能相同。
- 但是：没有免费午餐定力假设所有问题出现几率相同，实际应用中，不同的场景，会有不同的问题分布，所以，在优化算法时，针对具体问题进行分析，是算法优化的核心所在。

何为共线性, 跟过拟合有啥关联?

共线性：多变量线性回归中，变量之间由于存在高度相关关系而使回归估计不准确。
共线性会造成冗余，导致过拟合。
解决方法：排除变量的相关性／加入权重正则。

广义线性模型是怎被应用在深度学习中?

深度学习从统计学角度，可以看做递归的广义线性模型。广义线性模型相对于经典的线性模型(y=wx+b)，核心在于引入了连接函数g(.)，形式变为：y=g−1(wx+b)。深度学习时递归的广义线性模型，神经元的激活函数，即为广义线性模型的链接函数。逻辑回归（广义线性模型的一种）的Logistic函数即为神经元激活函数中的Sigmoid函数，很多类似的方法在统计学和神经网络中的名称不一样，容易引起初学者（这里主要指我）的困惑。下图是一个对照表：

什麽造成梯度消失问题? 推导一下

神经网络的训练中，通过改变神经元的权重，使网络的输出值尽可能逼近标签以降低误差值，训练普遍使用BP算法，核心思想是，计算出输出与标签间的损失函数值，然后计算其相对于每个神经元的梯度，进行权值的迭代。
梯度消失会造成权值更新缓慢，模型训练难度增加。造成梯度消失的一个原因是，许多激活函数将输出值挤压在很小的区间内，在激活函数两端较大范围的定义域内梯度为0。造成学习停止

什麽造成梯度消失问题? 推导一下。深度学习 DL基础中

逼近标签以降低误差值，训练普遍使用BP算法，核心思想是，计算出输出与标签间的损失函数值，然后计算其相对于每个神经元的梯度，进行权值的迭代。
梯度消失会造成权值更新缓慢，模型训练难度增加。造成梯度消失的一个原因是，许多激活函数将输出值挤压在很小的区间内，在激活函数两端较大范围的定义域内梯度为0，造成学习停止。
@张雨石：简而言之，就是sigmoid函数f(x)的导数为f(x)*(1-f(x))，因为f(x)的输出在0-1之间，所以随着深度的增加，从顶端传过来的导数每次都乘以两个小于1的数，很快就变得特别特别小。

什么是梯度消失和梯度爆炸？深度学习 DL基础中
@寒小阳，反向传播中链式法则带来的连乘，如果有数很小趋于0，结果就会特别小（梯度消失）；如果数都比较大，可能结果会很大（梯度爆炸）。
@单车，下段来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/25631496
层数比较多的神经网络模型在训练时也是会出现一些问题的，其中就包括梯度消失问题（gradient vanishing problem）和梯度爆炸问题（gradient exploding problem）。梯度消失问题和梯度爆炸问题一般随着网络层数的增加会变得越来越明显。

例如，对于下图所示的含有3个隐藏层的神经网络，梯度消失问题发生时，接近于输出层的hidden layer 3等的权值更新相对正常，但前面的hidden layer 1的权值更新会变得很慢，导致前面的层权值几乎不变，仍接近于初始化的权值，这就导致hidden layer 1相当于只是一个映射层，对所有的输入做了一个同一映射，这是此深层网络的学习就等价于只有后几层的浅层网络的学习了。

而这种问题为何会产生呢？以下图的反向传播为例（假设每一层只有一个神经元且对于每一层 $y_i=\sigma\left(z_i\right)=\sigma\left(w_ix_i+b_i\right)$ ，其中 $\sigma$ 为sigmoid函数）

可以推导出
$\begin{align}&\frac{\partial C}{\partial b_1}=\frac{\partial C}{\partial y_4}\frac{\partial y_4}{\partial z_4}\frac{\partial z_4}{\partial x_4}\frac{\partial x_4}{\partial z_3}\frac{\partial z_3}{\partial x_3}\frac{\partial x_3}{\partial z_2}\frac{\partial z_2}{\partial x_2}\frac{\partial x_2}{\partial z_1}\frac{\partial z_1}{\partial b_1}\\&=\frac{\partial C}{\partial y_4}\sigma'\left(z_4\right)w_4\sigma'\left(z_3\right)w_3\sigma'\left(z_2\right)w_2\sigma'\left(z_1\right)\end{align}$

而sigmoid的导数 $\sigma'\left(x\right)$ 如下图

可见， $\sigma'\left(x\right)$ 的最大值为 $\frac{1}{4}$ ，而我们初始化的网络权值 |w| 通常都小于1，因此 $|\sigma'\left(z\right)w|\leq\frac{1}{4}$ ，因此对于上面的链式求导，层数越多，求导结果 $\frac{\partial C}{\partial b_1}$ 越小，因而导致梯度消失的情况出现。

这样，梯度爆炸问题的出现原因就显而易见了，即 $|\sigma'\left(z\right)w|>1$ ，也就是比较大的情况。但对于使用sigmoid激活函数来说，这种情况比较少。因为 $\sigma'\left(z\right)$ 的大小也与有关（ z=wx+b ），除非该层的输入值在一直一个比较小的范围内。

其实梯度爆炸和梯度消失问题都是因为网络太深，网络权值更新不稳定造成的，本质上是因为梯度反向传播中的连乘效应。对于更普遍的梯度消失问题，可以考虑用ReLU激活函数取代sigmoid激活函数。另外，LSTM的结构设计也可以改善RNN中的梯度消失问题。

如何解决梯度消失和梯度膨胀？深度学习 DL基础中
（1）梯度消失：
根据链式法则，如果每一层神经元对上一层的输出的偏导乘上权重结果都小于1的话，那么即使这个结果是0.99，在经过足够多层传播之后，误差对输入层的偏导会趋于0
可以采用ReLU激活函数有效的解决梯度消失的情况，也可以用Batch Normalization解决这个问题。关于深度学习中 Batch Normalization为什么效果好？参见：https://www.zhihu.com/question/38102762
（2）梯度膨胀
根据链式法则，如果每一层神经元对上一层的输出的偏导乘上权重结果都大于1的话，在经过足够多层传播之后，误差对输入层的偏导会趋于无穷大
可以通过激活函数来解决，或用Batch Normalization解决这个问题。

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