对本书的赞誉

前言

译者简介

学习环境配置

资源与支持

主要符号表

第 1章 引言 1

1．1 日常生活中的机器学习 2

1．2 机器学习中的关键组件 3

1．2．1 数据 3

1．2．2 模型 4

1．2．3 目标函数 4

1．2．4 优化算法 5

1．3 各种机器学习问题 5

1．3．1 监督学习 5

1．3．2 无监督学习 11

1．3．3 与环境互动 11

1．3．4 强化学习 12

1．4 起源 13

1．5 深度学习的发展 15

1．6 深度学习的成功案例 16

1．7 特点 17

第 2章 预备知识 20

2．1 数据操作 20

2．1．1 入门 21

2．1．2 运算符 22

2．1．3 广播机制 23

2．1．4 索引和切片 24

2．1．5 节省内存 24

2．1．6 转换为其他Python对象 25

2．2 数据预处理 26

2．2．1 读取数据集 26

2．2．2 处理缺失值 26

2．2．3 转换为张量格式 27

2．3 线性代数 27

2．3．1 标量 28

2．3．2 向量 28

2．3．3 矩阵 29

2．3．4 张量 30

2．3．5 张量算法的基本性质 31

2．3．6 降维 32

2．3．7 点积 33

2．3．8 矩阵-向量积 33

2．3．9 矩阵-矩阵乘法 34

2．3．10 范数 35

2．3．11 关于线性代数的更多信息 36

2．4 微积分 37

2．4．1 导数和微分 37

2．4．2 偏导数 40

2．4．3 梯度 41

2．4．4 链式法则 41

2．5 自动微分 42

2．5．1 一个简单的例子 42

2．5．2 非标量变量的反向传播 43

2．5．3 分离计算 43

2．5．4 Python控制流的梯度计算 44

2．6 概率 44

2．6．1 基本概率论 45

2．6．2 处理多个随机变量 48

2．6．3 期望和方差 50

2．7 查阅文档 51

2．7．1 查找模块中的所有函数和类 51

2．7．2 查找特定函数和类的用法 52

第3章 线性神经网络 54

3．1 线性回归 54

3．1．1 线性回归的基本元素 54

3．1．2 向量化加速 57

3．1．3 正态分布与平方损失 58

3．1．4 从线性回归到深度网络 60

3．2 线性回归的从零开始实现 61

3．2．1 生成数据集 62

3．2．2 读取数据集 63

3．2．3 初始化模型参数 63

3．2．4 定义模型 64

3．2．5 定义损失函数 64

3．2．6 定义优化算法 64

3．2．7 训练 64

3．3 线性回归的简洁实现 66

3．3．1 生成数据集 66

3．3．2 读取数据集 66

3．3．3 定义模型 67

3．3．4 初始化模型参数 67

3．3．5 定义损失函数 68

3．3．6 定义优化算法 68

3．3．7 训练 68

3．4 softmax回归 69

3．4．1 分类问题 69

3．4．2 网络架构 70

3．4．3 全连接层的参数开销 70

3．4．4 softmax运算 71

3．4．5 小批量样本的向量化 71

3．4．6 损失函数 72

3．4．7 信息论基础 73

3．4．8 模型预测和评估 74

3．5 图像分类数据集 74

3．5．1 读取数据集 75

3．5．2 读取小批量 76

3．5．3 整合所有组件 76

3．6 softmax回归的从零开始实现 77

3．6．1 初始化模型参数 77

3．6．2 定义softmax操作 78

3．6．3 定义模型 78

3．6．4 定义损失函数 79

3．6．5 分类精度 79

3．6．6 训练 80

3．6．7 预测 82

3．7 softmax回归的简洁实现 83

3．7．1 初始化模型参数 83

3．7．2 重新审视softmax的实现 84

3．7．3 优化算法 84

3．7．4 训练 84

第4章 多层感知机 86

4．1 多层感知机 86

4．1．1 隐藏层 86

4．1．2 激活函数 88

4．2 多层感知机的从零开始实现 92

4．2．1 初始化模型参数 92

4．2．2 激活函数 93

4．2．3 模型 93

4．2．4 损失函数 93

4．2．5 训练 93

4．3 多层感知机的简洁实现 94

模型 94

4．4 模型选择、欠拟合和过拟合 95

4．4．1 训练误差和泛化误差 96

4．4．2 模型选择 97

4．4．3 欠拟合还是过拟合 98

4．4．4 多项式回归 99

4．5 权重衰减 103

4．5．1 范数与权重衰减 103

4．5．2 高维线性回归 104

4．5．3 从零开始实现 104

4．5．4 简洁实现 106

4．6 暂退法 108

4．6．1 重新审视过拟合 108

4．6．2 扰动的稳健性 108

4．6．3 实践中的暂退法 109

4．6．4 从零开始实现 110

4．6．5 简洁实现 111

4．7 前向传播、反向传播和计算图 112

4．7．1 前向传播 113

4．7．2 前向传播计算图 113

4．7．3 反向传播 114

4．7．4 训练神经网络 115

4．8 数值稳定性和模型初始化 115

4．8．1 梯度消失和梯度爆炸 116

4．8．2 参数初始化 117

4．9 环境和分布偏移 119

4．9．1 分布偏移的类型 120

4．9．2 分布偏移示例 121

4．9．3 分布偏移纠正 122

4．9．4 学习问题的分类法 125

4．9．5 机器学习中的公平、责任和透明度 126

4．10 实战Kaggle比赛：预测房价 127

4．10．1 下载和缓存数据集 127

4．10．2 Kaggle 128

4．10．3 访问和读取数据集 129

4．10．4 数据预处理 130

4．10．5 训练 131

4．10．6 K折交叉验证 132

4．10．7 模型选择 133

4．10．8 提交Kaggle预测 133

第5章 深度学习计算 136

5．1 层和块 136

5．1．1 自定义块 138

5．1．2 顺序块 139

5．1．3 在前向传播函数中执行代码 139

5．1．4 效率 140

5．2 参数管理 141

5．2．1 参数访问 141

5．2．2 参数初始化 143

5．2．3 参数绑定 145

5．3 延后初始化 145

实例化网络 146

5．4 自定义层 146

5．4．1 不带参数的层 146

5．4．2 带参数的层 147

5．5 读写文件 148

5．5．1 加载和保存张量 148

5．5．2 加载和保存模型参数 149

5．6 GPU 150

5．6．1 计算设备 151

5．6．2 张量与GPU 152

5．6．3 神经网络与GPU 153

第6章 卷积神经网络 155

6．1 从全连接层到卷积 155

6．1．1 不变性 156

6．1．2 多层感知机的限制 157

6．1．3 卷积 158

6．1．4 “沃尔多在哪里”回顾 158

6．2 图像卷积 159

6．2．1 互相关运算 159

6．2．2 卷积层 161

6．2．3 图像中目标的边缘检测 161

6．2．4 学习卷积核 162

6．2．5 互相关和卷积 162

6．2．6 特征映射和感受野 163

6．3 填充和步幅 164

6．3．1 填充 164

6．3．2 步幅 165

6．4 多输入多输出通道 166

6．4．1 多输入通道 167

6．4．2 多输出通道 167

6．4．3 1×1卷积层 168

6．5 汇聚层 170

6．5．1 最大汇聚和平均汇聚 170

6．5．2 填充和步幅 171

6．5．3 多个通道 172

6．6 卷积神经网络（LeNet） 173

6．6．1 LeNet 173

6．6．2 模型训练 175

第7章 现代卷积神经网络 178

7．1 深度卷积神经网络（AlexNet） 178

7．1．1 学习表征 179

7．1．2 AlexNet 181

7．1．3 读取数据集 183

7．1．4 训练AlexNet 183

7．2 使用块的网络（VGG） 184

7．2．1 VGG块 184

7．2．2 VGG网络 185

7．2．3 训练模型 186

7．3 网络中的网络（NiN） 187

7．3．1 NiN块 187

7．3．2 NiN模型 188

7．3．3 训练模型 189

7．4 含并行连接的网络（GoogLeNet） 190

7．4．1 Inception块 190

7．4．2 GoogLeNet模型 191

7．4．3 训练模型 193

7．5 批量规范化 194

7．5．1 训练深层网络 194

7．5．2 批量规范化层 195

7．5．3 从零实现 196

7．5．4 使用批量规范化层的 LeNet 197

7．5．5 简明实现 198

7．5．6 争议 198

7．6 残差网络（ResNet） 200

7．6．1 函数类 200

7．6．2 残差块 201

7．6．3 ResNet模型 202

7．6．4 训练模型 204

7．7 稠密连接网络（DenseNet） 205

7．7．1 从ResNet到DenseNet 205

7．7．2 稠密块体 206

7．7．3 过渡层 206

7．7．4 DenseNet模型 207

7．7．5 训练模型 207

第8章 循环神经网络 209

8．1 序列模型 209

8．1．1 统计工具 210

8．1．2 训练 212

8．1．3 预测 213

8．2 文本预处理 216

8．2．1 读取数据集 216

8．2．2 词元化 217

8．2．3 词表 217

8．2．4 整合所有功能 219

8．3 语言模型和数据集 219

8．3．1 学习语言模型 220

8．3．2 马尔可夫模型与n元语法 221

8．3．3 自然语言统计 221

8．3．4 读取长序列数据 223

8．4 循环神经网络 226

8．4．1 无隐状态的神经网络 227

8．4．2 有隐状态的循环神经网络 227

8．4．3 基于循环神经网络的字符级语言模型 228

8．4．4 困惑度 229

8．5 循环神经网络的从零开始实现 230

8．5．1 独热编码 231

8．5．2 初始化模型参数 231

8．5．3 循环神经网络模型 232

8．5．4 预测 232

8．5．5 梯度截断 233

8．5．6 训练 234

8．6 循环神经网络的简洁实现 237

8．6．1 定义模型 237

8．6．2 训练与预测 238

8．7 通过时间反向传播 239

8．7．1 循环神经网络的梯度分析 239

8．7．2 通过时间反向传播的细节 241

第9章 现代循环神经网络 244

9．1 门控循环单元（GRU） 244

9．1．1 门控隐状态 245

9．1．2 从零开始实现 247

9．1．3 简洁实现 248

9．2 长短期记忆网络（LSTM） 249

9．2．1 门控记忆元 249

9．2．2 从零开始实现 252

9．2．3 简洁实现 253

9．3 深度循环神经网络 254

9．3．1 函数依赖关系 255

9．3．2 简洁实现 255

9．3．3 训练与预测 255

9．4 双向循环神经网络 256

9．4．1 隐马尔可夫模型中的动态规划 256

9．4．2 双向模型 258

9．4．3 双向循环神经网络的错误应用 259

9．5 机器翻译与数据集 260

9．5．1 下载和预处理数据集 261

9．5．2 词元化 262

9．5．3 词表 263

9．5．4 加载数据集 263

9．5．5 训练模型 264

9．6 编码器-解码器架构 265

9．6．1 编码器 265

9．6．2 解码器 266

9．6．3 合并编码器和解码器 266

9．7 序列到序列学习（seq2seq） 267

9．7．1 编码器 268

9．7．2 解码器 269

9．7．3 损失函数 270

9．7．4 训练 271

9．7．5 预测 272

9．7．6 预测序列的评估 273

9．8 束搜索 275

9．8．1 贪心搜索 275

9．8．2 穷举搜索 276

9．8．3 束搜索 276

第 10章 注意力机制 278

10．1 注意力提示 278

10．1．1 生物学中的注意力提示 279

10．1．2 查询、键和值 280

10．1．3 注意力的可视化 280

10．2 注意力汇聚：Nadaraya-Watson 核回归 281

10．2．1 生成数据集 282

10．2．2 平均汇聚 282

10．2．3 非参数注意力汇聚 283

10．2．4 带参数注意力汇聚 284

10．3 注意力评分函数 287

10．3．1 掩蔽softmax操作 288

10．3．2 加性注意力 289

10．3．3 缩放点积注意力 290

10．4 Bahdanau 注意力 291

10．4．1 模型 291

10．4．2 定义注意力解码器 292

10．4．3 训练 293

10．5 多头注意力 295

10．5．1 模型 295

10．5．2 实现 296

10．6 自注意力和位置编码 298

10．6．1 自注意力 298

10．6．2 比较卷积神经网络、循环神经网络和自注意力 298

10．6．3 位置编码 299

10．7 Transformer 302

10．7．1 模型 302

10．7．2 基于位置的前馈网络 303

10．7．3 残差连接和层规范化 304

10．7．4 编码器 304

10．7．5 解码器 305

10．7．6 训练 307

第 11章 优化算法 311

11．1 优化和深度学习 311

11．1．1 优化的目标 311

11．1．2 深度学习中的优化挑战 312

11．2 凸性 315

11．2．1 定义 315

11．2．2 性质 317

11．2．3 约束 319

11．3 梯度下降 322

11．3．1 一维梯度下降 322

11．3．2 多元梯度下降 324

11．3．3 自适应方法 326

11．4 随机梯度下降 329

11．4．1 随机梯度更新 329

11．4．2 动态学习率 331

11．4．3 凸目标的收敛性分析 332

11．4．4 随机梯度和有限样本 333

11．5 小批量随机梯度下降 334

11．5．1 向量化和缓存 335

11．5．2 小批量 336

11．5．3 读取数据集 337

11．5．4 从零开始实现 337

11．5．5 简洁实现 340

11．6 动量法 341

11．6．1 基础 341

11．6．2 实际实验 345

11．6．3 理论分析 346

11．7 AdaGrad算法 348

11．7．1 稀疏特征和学习率 348

11．7．2 预处理 349

11．7．3 算法 350

11．7．4 从零开始实现 351

11．7．5 简洁实现 352

11．8 RMSProp算法 353

11．8．1 算法 353

11．8．2 从零开始实现 354

11．8．3 简洁实现 355

11．9 Adadelta算法 356

11．9．1 算法 356

11．9．2 实现 356

11．10 Adam算法 358

11．10．1 算法 358

11．10．2 实现 359

11．10．3 Yogi 360

11．11 学习率调度器 361

11．11．1 一个简单的问题 361

11．11．2 学习率调度器 363

11．11．3 策略 364

第 12章 计算性能 369

12．1 编译器和解释器 369

12．1．1 符号式编程 370

12．1．2 混合式编程 371

12．1．3 Sequential的混合式编程 371

12．2 异步计算 372

通过后端异步处理 373

12．3 自动并行 375

12．3．1 基于GPU的并行计算 375

12．3．2 并行计算与通信 376

12．4 硬件 378

12．4．1 计算机 378

12．4．2 内存 379

12．4．3 存储器 380

12．4．4 CPU 381

12．4．5 GPU和其他加速卡 383

12．4．6 网络和总线 385

12．4．7 更多延迟 386

12．5 多GPU训练 388

12．5．1 问题拆分 388

12．5．2 数据并行性 390

12．5．3 简单网络 390

12．5．4 数据同步 391

12．5．5 数据分发 392

12．5．6 训练 392

12．6 多GPU的简洁实现 394

12．6．1 简单网络 394

12．6．2 网络初始化 395

12．6．3 训练 395

12．7 参数服务器 397

12．7．1 数据并行训练 397

12．7．2 环同步（ring

synchronization） 399

12．7．3 多机训练 400

12．7．4 键-值存储 402

第 13章 计算机视觉 404

13．1 图像增广 404

13．1．1 常用的图像增广方法 404

13．1．2 使用图像增广进行训练 408

13．2 微调 410

13．2．1 步骤 410

13．2．2 热狗识别 411

13．3 目标检测和边界框 415

边界框 415

13．4 锚框 417

13．4．1 生成多个锚框 417

13．4．2 交并比（IoU） 419

13．4．3 在训练数据中标注锚框 420

13．4．4 使用非极大值抑制预测

边界框 424

13．5 多尺度目标检测 427

13．5．1 多尺度锚框 427

13．5．2 多尺度检测 429

13．6 目标检测数据集 430

13．6．1 下载数据集 430

13．6．2 读取数据集 431

13．6．3 演示 432

13．7 单发多框检测（SSD） 433

13．7．1 模型 433

13．7．2 训练模型 437

13．7．3 预测目标 439

13．8 区域卷积神经网络（R-CNN）系列 441

13．8．1 R-CNN 441

13．8．2 Fast R-CNN 442

13．8．3 Faster R-CNN 443

13．8．4 Mask R-CNN 444

13．9 语义分割和数据集 445

13．9．1 图像分割和实例分割 445

13．9．2 Pascal VOC2012 语义分割数据集 446

13．10 转置卷积 450

13．10．1 基本操作 450

13．10．2 填充、步幅和多通道 451

13．10．3 与矩阵变换的联系 452

13．11 全卷积网络 453

13．11．1 构建模型 454

13．11．2 初始化转置卷积层 455

13．11．3 读取数据集 456

13．11．4 训练 456

13．11．5 预测 457

13．12 风格迁移 458

13．12．1 方法 459

13．12．2 阅读内容和风格图像 460

13．12．3 预处理和后处理 460

13．12．4 提取图像特征 461

13．12．5 定义损失函数 461

13．12．6 初始化合成图像 463

13．12．7 训练模型 463

13．13 实战 Kaggle竞赛：图像分类（CIFAR-10） 464

13．13．1 获取并组织数据集 465

13．13．2 图像增广 467

13．13．3 读取数据集 468

13．13．4 定义模型 468

13．13．5 定义训练函数 468

13．13．6 训练和验证模型 469

13．13．7 在Kaggle上对测试集进行分类并提交结果 469

13．14 实战Kaggle竞赛：狗的品种识别（ImageNet Dogs） 470

13．14．1 获取和整理数据集 471

13．14．2 图像增广 472

13．14．3 读取数据集 472

13．14．4 微调预训练模型 473

13．14．5 定义训练函数 473

13．14．6 训练和验证模型 474

13．14．7 对测试集分类并在Kaggle提交结果 475

第 14章 自然语言处理：预训练 476

14．1 词嵌入（word2vec） 477

14．1．1 为何独热向量是一个糟糕的选择 477

14．1．2 自监督的word2vec 477

14．1．3 跳元模型 477

14．1．4 连续词袋模型 478

14．2 近似训练 480

14．2．1 负采样 480

14．2．2 层序softmax 481

14．3 用于预训练词嵌入的数据集 482

14．3．1 读取数据集 482

14．3．2 下采样 483

14．3．3 中心词和上下文词的提取 484

14．3．4 负采样 485

14．3．5 小批量加载训练实例 486

14．3．6 整合代码 487

14．4 预训练word2vec 488

14．4．1 跳元模型 488

14．4．2 训练 489

14．4．3 应用词嵌入 491

14．5 全局向量的词嵌入（GloVe） 491

14．5．1 带全局语料库统计的跳元模型 492

14．5．2 GloVe模型 492

14．5．3 从共现概率比值理解GloVe模型 493

14．6 子词嵌入 494

14．6．1 fastText模型 494

14．6．2 字节对编码 495

14．7 词的相似度和类比任务 497

14．7．1 加载预训练词向量 497

14．7．2 应用预训练词向量 499

14．8 来自Transformer的双向编码器表示（BERT） 500

14．8．1 从上下文无关到上下文敏感 500

14．8．2 从特定于任务到不可知任务 501

14．8．3 BERT：将ELMo与GPT结合起来 501

14．8．4 输入表示 502

14．8．5 预训练任务 504

14．8．6 整合代码 506

14．9 用于预训练BERT的数据集 507

14．9．1 为预训练任务定义辅助函数 508

14．9．2 将文本转换为预训练数据集 509

14．10 预训练BERT 512

14．10．1 预训练BERT 512

14．10．2 用BERT表示文本 514

第 15章 自然语言处理：应用 515

15．1 情感分析及数据集 516

15．1．1 读取数据集 516

15．1．2 预处理数据集 517

15．1．3 创建数据迭代器 517

15．1．4 整合代码 518

15．2 情感分析：使用循环神经网络 518

15．2．1 使用循环神经网络表示单个文本 519

15．2．2 加载预训练的词向量 520

15．2．3 训练和评估模型 520

15．3 情感分析：使用卷积神经网络 521

15．3．1 一维卷积 522

15．3．2 最大时间汇聚层 523

15．3．3 textCNN模型 523

15．4 自然语言推断与数据集 526

15．4．1 自然语言推断 526

15．4．2 斯坦福自然语言推断（SNLI）数据集 527

15．5 自然语言推断：使用注意力 530

15．5．1 模型 530

15．5．2 训练和评估模型 533

15．6 针对序列级和词元级应用微调BERT 535

15．6．1 单文本分类 535

15．6．2 文本对分类或回归 536

15．6．3 文本标注 537

15．6．4 问答 537

15．7 自然语言推断：微调BERT 538

15．7．1 加载预训练的BERT 539

15．7．2 微调BERT的数据集 540

15．7．3 微调BERT 541

附录A 深度学习工具 543

A．1 使用Jupyter记事本 543

A．1．1 在本地编辑和运行代码 543

A．1．2 高级选项 545

A．2 使用Amazon SageMaker 546

A．2．1 注册 547

A．2．2 创建SageMaker实例 547

A．2．3 运行和停止实例 548

A．2．4 更新Notebook 548

A．3 使用Amazon EC2实例 549

A．3．1 创建和运行EC2实例 549

A．3．2 安装CUDA 553

A．3．3 安装库以运行代码 553

A．3．4 远程运行Jupyter记事本 554

A．3．5 关闭未使用的实例 554

A．4 选择服务器和GPU 555

A．4．1 选择服务器 555

A．4．2 选择GPU 556

A．5 为本书做贡献 558

A．5．1 提交微小更改 558

A．5．2 大量文本或代码修改 559

A．5．3 提交主要更改 559

参考文献 562