经典模型梳理：AlexNet

关于 Alex 的传说……大家随便听个报告都会讲到，这里就不说了。本文主要目的是为自己梳理知识，以便日后复习。

前5层是卷积层，后3层是全连接层，
每层卷积层后接 RuLU 激活
前两层和最后一层卷积后有池化，具体如下图。

激活函数是从 Sigmoid 到 tanh 到 ReLU 的，最初用 Sigmoid 存在三个问题

Saturated neurons “kill” the gradients.
- 当输入 x=0 时，梯度为0.25，当网络层数浅是是OK的，但数值计算中学过当极端情况下，多个小数相乘会等于0，深层网络也是有问题的。
- 当输入 x=±10 时，此时神经元饱和，回传的梯度接近0，这个当然是大问题。
Sigmoid outputs are not zero-centered. 为什么要以零为中心？
- Always all positive or all negative. Sigmoid 的输出恒为正，假设x除了输入层其他都为正，那么此时所有关于参数的梯度与上游梯度同号（当前梯度=局部梯度×上游梯度），因此所有维度参数w更新方向只能相同，这样导致的结果就是当前批次，更新参数是用不同的正数去增加或减小参数w，以至于梯度更新十分低效。为什么低效呢？
- 如上图，Sigmoid 允许参数更新的方向在第一象限（全正），第三行星（全负），假设最佳w是蓝色向量，我们只能在允许的方向上更新，导致更新路径是红色向量，比起蓝色向量低效走远了
- this is also why you want zero-mean data! 这也是一般情况下我们使用0均值的数据作为输入。
exp() is a bit compute expensive.
- 卷积网络中主要代价是 dot products，exp() 的代价稍微注意一下就行了

然后就出现了 tanh

接着就是本文用的 ReLU 方法，优点有四，缺点有一

优点
- Does not saturate (in +region).
  - 看图还是很直观，如果输入是正数，输出还是这个数，因此在输入空间（+region）不存在饱和问题
- Very computationally efficient.
- Converges much faster than sigmoid/tanh in practice (e.g. 6x)
  - Alex 也做了对比实验
- Actually more biologically plausible than sigmoid
缺点
- Not zero-centered output
  - RuLU 只有一半的区域能被激活，当权重初始化不好时，会出现 dead ReLU 的现象，people like to initialize ReLU neurons with slightly positive biases (e.g. 0.01)
  - 存在 dead ReLU，当你传入数据到训练好的网络，会发现网络中多达10%到20% dead ReLU，所以才出现了模型蒸馏等等方法？
  - PReLU, LReLU 讲道理是更优的，为什么现在论文中不用呢？我觉得应该是 RuLU 是个基线吧。

当年数据是有了，但计算能力不强加上还没轮子用，幸好 Alex 工程能力极强，在 cuda 环境下把代码死磕出来了

据说是 Hinton 在当年能训练多层网络的独门绝技，，，该想法的动机是，对于这张图片的每个位置来说，我们可能并不需要太多的激活省神经元。但是我出生的晚，跳过这部分吧。

避免过拟合用

机器学习的本质目的是泛化误差最小，所以避免过拟合是一个老生常谈的话题了。

无需多讲，深度学习训练前必做的一步。Alex 首先对数据进行水平翻转和旋转，然后做了PCA

使用Bagging解释Dropout比使用稳健性噪声解释Dropout更好，Dropout 提供了一种廉价的 Bagging 集成近似，见下图

因为Dropout是一个正则化技术，它减少了模型的有效容量。为了抵消这种影响，我们必须增大模型规模，但这是以更大的模型和更多训练算法的迭代次数为代价换来的。当数据非常大时，正则化带来的泛化误差减少得很小，只有极少的训练样本可用时，Dropout不会很有效。所以需要根据数据来 trade-off
一般选择 Dropout 率为0.5，原因是0.5的时候 Dropout 随机生成的网络结构最多
在 inference 阶段是不用 Dropout 的

参考

Krizhevsky. ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks. 2012

Li. CS231n. Lecture 6

Goodfellow. Deep Learning. 7.13

Ng. Deep Learning Specialization. CNN-Classic networks