Deep Learning:Pushing the New Frontier of Artificial Intelligence

劉鐵巖

  • 微軟亞研院副院長,首席研究員

Key Technical Area

  • Computer Vision
    ImageNet 11-12年深度學習
    ResNet(Residual Network)技術
  • Speech
    語音識別
    16年年底,微軟把speech recognition word error rate 降低到5.1%(Magic Number,人類的錯誤率)
  • Natural Language
    機器翻譯水準尚還低于人類,但距離不遠
    翻譯準確率的量化?N-gram可以粗糙地衡量
    業內認為一年后,可以超過同聲傳譯的專家
  • Games
    Alphago

Key Industries

Security

公安領域,交通領域
技術:人體分析,車輛分析,行為分析
Industry Trend
資本流向技術
博鰲亞洲論壇——Face++安保

Autonomous Drive

Google,Baidu,Mobileye,Tesla,Benz,BMW
最主要的問題:復雜路況,道德,法律條款
無人駕駛的車撞人的責任?
Industry Trend
Baidu:阿波羅計劃
Google:200w mile路測數據
Mobileye:3000wkm路測數據
Tesla:16年與Mobileye停止合作

Healthcare

最數字化(早已經是計算機輔助的技術,血常規,CT..)

  1. 基于大數據(CT,核磁共振)的輔助診斷系統
  2. 醫療知識圖譜
  3. 智能醫療顧問
  4. 基因工程
  5. 制藥、免疫

Deep Learning

An end-to-end learning approach that uses a highly complex model(nonlinear,multi-layer) to fit the training data from scratch.
做Genomics不需要先學幾年生物
LightGBM
速度快于XGBoost

Basic Machine Learning Concepts

  • The goal:To learn a model from experiences/data
    Training data
    model
  • Test/inference/prediction
  • Validation sets for hyperparameter tuning
  • Training:empirical loss minimization
    Loss Function L
    1.Linear regression
    2.SVM
    3.Maximum likelihood
Biological Motivation and Connections

Dendrite 樹突
Synapse 突觸
Axon 軸突,輸出信號

Perceptron
Feedforward Neural Networks

有界連續函數可以被深度神經網絡完美逼近(要有隱層)Universal Approximation Theorem
Hidden Unites: Sigmoid and Tangenth
Sigmoid: f(x)=1/(1+e^(-x))
Rectified Linear Units

Loss Function

交叉商

Gradient Descent

GD肯定可以收斂,計算量很大
SGD(隨機梯度下降法),過程快很多,是對整體的無偏估計
SGD也有問題:可能方差非常大,掩蓋收斂過程的小的抖動,不能保證收斂性
定義一個Learning Rate,平方階求和收斂
實際上使用的是折中的辦法——Minibatch SGD
以上的都是基本方法
現在用了很多技巧和改進
比如Momentum SGD,Nesterov Momentum
AdaGrad
Adam

Regularization for deep learning

Overfitting
Generalization gap
DropOut:Prevents units from co-adapting too much
Batch Normalization:The distribution of each layer's inputs changes during training帶參數的歸一化
Weight decay(or L^2 parameter norm penalty)
Early Stopping

Convolutional neural networks

局部連接
模擬人的模式識別的過程
卷積核:SGD學出來
Pooling:Reduce dimension
An example:VGG

  • Gradient Vanishing
    深層神經網絡,梯度求不出來
    Sigmoid求導數小于等于0.5,深層求導相乘,會變得很小
    解決:Residual Network(ResNet)
  • What's Missing?
    Feedforward network and CNN
    However, many applications involve sequences with variable lengths
Recurrent Neural Networks(RNN)

We can process a sequence of vectors x by applying a recurrence formula at every time step
記憶上一層的輸入

  • Many to One:輸入序列,輸出單一標量
  • One to Many:輸入單一向量,輸出序列(例如:看圖寫話)
  • Many to many:Language Modeling (聯想下一個詞).Encoder-Decoder for Sequence Generation.

同樣的問題:網絡過長
解決:Long Short Term Memory

Deep learning toolkits
  1. Tensorflow(Google)
  2. Caffe(UC Berkeley)
  3. CNTK(Microsoft)
  4. MAXNET(Amazon)
  5. Torch7(NYU/Facebook)
  6. Theano(U Mnotreal)

圖像分類:Caffe Torch
文本:Theano
大規模:CNTK
豐富性:Tensorflow

Advanced topics in deep learning

Challenging of deep learning
  1. Relying on Big Training Data
  2. Relying on Big Computation
  3. Modify Coefficients
  4. Lack of interpretability
    黑盒子?白盒子?
  5. Lack of Diverse Tech Roadmaps
    NIPS,ICML越來越多的論文是Deep Leaning
  6. Overlooking Differences between Animal and Human
    解決的是函數擬合問題,離真正的智能還很遠
Dual learning
  • A New View:The Beauty of Symmetry
    Dual Learning from with 10% bilingual data (2016 NIPS)
Lightweight deep learning

Light RNN

Distributed deep learning

Convex Problems
Universal Approximation Theorem只是存在性命題

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