本書旨在向讀者交付有關(guān)深度學(xué)習(xí)的交互式學(xué)習(xí)體驗(yàn)。書中不僅闡述深度學(xué)習(xí)的算法原理，還演示它們的實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行。與傳統(tǒng)圖書不同，本書的每一節(jié)都是一個可以下載并運(yùn)行的 Jupyter記事本，它將文字、公式、圖像、代碼和運(yùn)行結(jié)果結(jié)合在了一起。此外，讀者還可以訪問并參與書中內(nèi)容的討論。
全書的內(nèi)容分為3個部分：第一部分介紹深度學(xué)習(xí)的背景，提供預(yù)備知識，并包括深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的概念和技術(shù)；第二部分描述深度學(xué)習(xí)計(jì)算的重要組成部分，還解釋近年來令深度學(xué)習(xí)在多個領(lǐng)域大獲成功的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；第三部分評價(jià)優(yōu)化算法，檢驗(yàn)影響深度學(xué)習(xí)計(jì)算性能的重要因素，并分別列舉深度學(xué)習(xí)在計(jì)算機(jī)視覺和自然語言處理中的重要應(yīng)用。
本書同時(shí)覆蓋深度學(xué)習(xí)的方法和實(shí)踐，主要面向在校大學(xué)生、技術(shù)人員和研究人員。閱讀本書需要讀者了解基本的Python編程或附錄中描述的線性代數(shù)、微分和概率基礎(chǔ)。
對本書的贊譽(yù)
前言
如何使用本書
資源與支持
主要符號表
第1章深度學(xué)習(xí)簡介1
1.1起源2
1.2發(fā)展4
1.3成功案例6
1.4特點(diǎn)7
小結(jié)8
練習(xí)8
第2章預(yù)備知識9
2.1獲取和運(yùn)行本書的代碼9
2.1.1獲取代碼并安裝運(yùn)行環(huán)境9
2.1.2更新代碼和運(yùn)行環(huán)境11
2.1.3使用GPU版的MXNet11
小結(jié)12
練習(xí)12
2.2數(shù)據(jù)操作12
2.2.1創(chuàng)建NDArray12
2.2.2運(yùn)算14
2.2.3廣播機(jī)制16
2.2.4索引17
2.2.5運(yùn)算的內(nèi)存開銷17
2.2.6NDArray和NumPy相互變換18
小結(jié)19
練習(xí)19
2.3自動求梯度19
2.3.1簡單例子19
2.3.2訓(xùn)練模式和預(yù)測模式20
2.3.3對Python控制流求梯度20
小結(jié)21
練習(xí)21
2.4查閱文檔21
2.4.1查找模塊里的所有函數(shù)和類21
2.4.2查找特定函數(shù)和類的使用22
2.4.3在MXNet網(wǎng)站上查閱23
小結(jié)24
練習(xí)24
第3章深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)25
3.1線性回歸25
3.1.1線性回歸的基本要素25
3.1.2線性回歸的表示方法28
小結(jié)30
練習(xí)30
3.2線性回歸的從零開始實(shí)現(xiàn)30
3.2.1生成數(shù)據(jù)集30
3.2.2讀取數(shù)據(jù)集32
3.2.3初始化模型參數(shù)32
3.2.4定義模型33
3.2.5定義損失函數(shù)33
3.2.6定義優(yōu)化算法33
3.2.7訓(xùn)練模型33
小結(jié)34
練習(xí)34
3.3線性回歸的簡潔實(shí)現(xiàn)35
3.3.1生成數(shù)據(jù)集35
3.3.2讀取數(shù)據(jù)集35
3.3.3定義模型36
3.3.4初始化模型參數(shù)36
3.3.5定義損失函數(shù)37
3.3.6定義優(yōu)化算法37
3.3.7訓(xùn)練模型37
小結(jié)38
練習(xí)38
3.4softmax回歸38
3.4.1分類問題38
3.4.2softmax回歸模型39
3.4.3單樣本分類的矢量計(jì)算表達(dá)式40
3.4.4小批量樣本分類的矢量計(jì)算表達(dá)式40
3.4.5交叉熵?fù)p失函數(shù)41
3.4.6模型預(yù)測及評價(jià)42
小結(jié)42
練習(xí)42
3.5圖像分類數(shù)據(jù)集（Fashion-MNIST）42
3.5.1獲取數(shù)據(jù)集42
3.5.2讀取小批量44
小結(jié)45
練習(xí)45
3.6softmax回歸的從零開始實(shí)現(xiàn)45
3.6.1讀取數(shù)據(jù)集45
3.6.2初始化模型參數(shù)45
3.6.3實(shí)現(xiàn)softmax運(yùn)算46
3.6.4定義模型46
3.6.5定義損失函數(shù)47
3.6.6計(jì)算分類準(zhǔn)確率47
3.6.7訓(xùn)練模型48
3.6.8預(yù)測48
小結(jié)49
練習(xí)49
3.7softmax回歸的簡潔實(shí)現(xiàn)49
3.7.1讀取數(shù)據(jù)集49
3.7.2定義和初始化模型50
3.7.3softmax和交叉熵?fù)p失函數(shù)50
3.7.4定義優(yōu)化算法50
3.7.5訓(xùn)練模型50
小結(jié)50
練習(xí)50
3.8多層感知機(jī)51
3.8.1隱藏層51
3.8.2激活函數(shù)52
3.8.3多層感知機(jī)55
小結(jié)55
練習(xí)55
3.9多層感知機(jī)的從零開始實(shí)現(xiàn)56
3.9.1讀取數(shù)據(jù)集56
3.9.2定義模型參數(shù)56
3.9.3定義激活函數(shù)56
3.9.4定義模型56
3.9.5定義損失函數(shù)57
3.9.6訓(xùn)練模型57
小結(jié)57
練習(xí)57
3.10多層感知機(jī)的簡潔實(shí)現(xiàn)57
3.10.1定義模型58
3.10.2訓(xùn)練模型58
小結(jié)58
練習(xí)58
3.11模型選擇、欠擬合和過擬合58
3.11.1訓(xùn)練誤差和泛化誤差59
3.11.2模型選擇59
3.11.3欠擬合和過擬合60
3.11.4多項(xiàng)式函數(shù)擬合實(shí)驗(yàn)61
小結(jié)65
練習(xí)65
3.12權(quán)重衰減65
3.12.1方法65
3.12.2高維線性回歸實(shí)驗(yàn)66
3.12.3從零開始實(shí)現(xiàn)66
3.12.4簡潔實(shí)現(xiàn)68
小結(jié)70
練習(xí)70
3.13丟棄法70
3.13.1方法70
3.13.2從零開始實(shí)現(xiàn)71
3.13.3簡潔實(shí)現(xiàn)73
小結(jié)74
練習(xí)74
3.14正向傳播、反向傳播和計(jì)算圖74
3.14.1正向傳播74
3.14.2正向傳播的計(jì)算圖75
3.14.3反向傳播75
3.14.4訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型76
小結(jié)77
練習(xí)77
3.15數(shù)值穩(wěn)定性和模型初始化77
3.15.1衰減和爆炸77
3.15.2隨機(jī)初始化模型參數(shù)78
小結(jié)78
練習(xí)79
3.16實(shí)戰(zhàn)Kaggle比賽：房價(jià)預(yù)測79
3.16.1Kaggle比賽79
3.16.2讀取數(shù)據(jù)集80
3.16.3預(yù)處理數(shù)據(jù)集81
3.16.4訓(xùn)練模型82
3.16.5k折交叉驗(yàn)證82
3.16.6模型選擇83
3.16.7預(yù)測并在Kaggle提交結(jié)果84
小結(jié)85
練習(xí)85
第4章深度學(xué)習(xí)計(jì)算86
4.1模型構(gòu)造86
4.1.1繼承Block類來構(gòu)造模型86
4.1.2Sequential類繼承自Block類87
4.1.3構(gòu)造復(fù)雜的模型88
小結(jié)89
練習(xí)90
4.2模型參數(shù)的訪問、初始化和共享90
4.2.1訪問模型參數(shù)90
4.2.2初始化模型參數(shù)92
4.2.3自定義初始化方法93
4.2.4共享模型參數(shù)94
小結(jié)94
練習(xí)94
4.3模型參數(shù)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
小結(jié)96
練習(xí)97
4.4自定義層97
4.4.1不含模型參數(shù)的自定義層97
4.4.2含模型參數(shù)的自定義層98
小結(jié)99
練習(xí)99
4.5讀取和存儲99
4.5.1讀寫NDArray99
4.5.2讀寫Gluon模型的參數(shù)100
小結(jié)101
練習(xí)101
4.6GPU計(jì)算101
4.6.1計(jì)算設(shè)備102
4.6.2NDArray的GPU計(jì)算102
4.6.3Gluon的GPU計(jì)算104
小結(jié)105
練習(xí)105
第5章卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)106
5.1二維卷積層106
5.1.1二維互相關(guān)運(yùn)算106
5.1.2二維卷積層107
5.1.3圖像中物體邊緣檢測108
5.1.4通過數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)核數(shù)組109
5.1.5互相關(guān)運(yùn)算和卷積運(yùn)算109
5.1.6特征圖和感受野110
小結(jié)110
練習(xí)110
5.2填充和步幅111
5.2.1填充111
5.2.2步幅112
小結(jié)113
練習(xí)113
5.3多輸入通道和多輸出通道114
5.3.1多輸入通道114
5.3.2多輸出通道115
5.3.31x1卷積層116
小結(jié)117
練習(xí)117
5.4池化層117
5.4.1二維最大池化層和平均池化層117
5.4.2填充和步幅119
5.4.3多通道120
小結(jié)120
練習(xí)121
5.5卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（LeNet）121
5.5.1LeNet模型121
5.5.2訓(xùn)練模型122
小結(jié)124
練習(xí)124
5.6深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（AlexNet）124
5.6.1學(xué)習(xí)特征表示125
5.6.2AlexNet126
5.6.3讀取數(shù)據(jù)集127
5.6.4訓(xùn)練模型128
小結(jié)128
練習(xí)129
5.7使用重復(fù)元素的網(wǎng)絡(luò)（VGG）129
5.7.1VGG塊129
5.7.2VGG網(wǎng)絡(luò)129
5.7.3訓(xùn)練模型130
小結(jié)131
練習(xí)131
5.8網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)（NiN）131
5.8.1NiN塊131
5.8.2NiN模型132
5.8.3訓(xùn)練模型133
小結(jié)134
練習(xí)134
5.9含并行連結(jié)的網(wǎng)絡(luò)（GoogLeNet）134
5.9.1Inception塊134
5.9.2GoogLeNet模型135
5.9.3訓(xùn)練模型137
小結(jié)137
練習(xí)137
5.10批量歸一化138
5.10.1批量歸一化層138
5.10.2從零開始實(shí)現(xiàn)139
5.10.3使用批量歸一化層的LeNet140
5.10.4簡潔實(shí)現(xiàn)141
小結(jié)142
練習(xí)142
5.11殘差網(wǎng)絡(luò)（ResNet）143
5.11.1殘差塊143
5.11.2ResNet模型145
5.11.3訓(xùn)練模型146
小結(jié)146
練習(xí)146
5.12稠密連接網(wǎng)絡(luò)（DenseNet）147
5.12.1稠密塊147
5.12.2過渡層148
5.12.3DenseNet模型148
5.12.4訓(xùn)練模型149
小結(jié)149
練習(xí)149
第6章循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)150
6.1語言模型150
6.1.1語言模型的計(jì)算151
6.1.2n元語法151
小結(jié)152
練習(xí)152
6.2循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)152
6.2.1不含隱藏狀態(tài)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)152
6.2.2含隱藏狀態(tài)的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)152
6.2.3應(yīng)用：基于字符級循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的語言模型154
小結(jié)155
練習(xí)155
6.3語言模型數(shù)據(jù)集（歌詞）155
6.3.1讀取數(shù)據(jù)集155
6.3.2建立字符索引156
6.3.3時(shí)序數(shù)據(jù)的采樣156
小結(jié)158
練習(xí)159
6.4循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的從零開始實(shí)現(xiàn)159
6.4.1one-hot向量159
6.4.2初始化模型參數(shù)160
6.4.3定義模型160
6.4.4定義預(yù)測函數(shù)161
6.4.5裁剪梯度161
6.4.6困惑度162
6.4.7定義模型訓(xùn)練函數(shù)162
6.4.8訓(xùn)練模型并創(chuàng)作歌詞163
小結(jié)164
練習(xí)164
6.5循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的簡潔實(shí)現(xiàn)165
6.5.1定義模型165
6.5.2訓(xùn)練模型166
小結(jié)168
練習(xí)168
6.6通過時(shí)間反向傳播168
6.6.1定義模型168
6.6.2模型計(jì)算圖169
6.6.3方法169
小結(jié)170
練習(xí)170
6.7門控循環(huán)單元（GRU）170
6.7.1門控循環(huán)單元171
6.7.2讀取數(shù)據(jù)集173
6.7.3從零開始實(shí)現(xiàn)173
6.7.4簡潔實(shí)現(xiàn)175
小結(jié)176
練習(xí)176
6.8長短期記憶（LSTM）176
6.8.1長短期記憶176
6.8.2讀取數(shù)據(jù)集179
6.8.3從零開始實(shí)現(xiàn)179
6.8.4簡潔實(shí)現(xiàn)181
小結(jié)181
練習(xí)182
6.9深度循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)182
小結(jié)183
練習(xí)183
6.10雙向循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)183
小結(jié)184
練習(xí)184
第7章優(yōu)化算法185
7.1優(yōu)化與深度學(xué)習(xí)185
7.1.1優(yōu)化與深度學(xué)習(xí)的關(guān)系185
7.1.2優(yōu)化在深度學(xué)習(xí)中的挑戰(zhàn)186
小結(jié)188
練習(xí)189
7.2梯度下降和隨機(jī)梯度下降189
7.2.1一維梯度下降189
7.2.2學(xué)習(xí)率190
7.2.3多維梯度下降191
7.2.4隨機(jī)梯度下降193
小結(jié)194
練習(xí)194
7.3小批量隨機(jī)梯度下降194
7.3.1讀取數(shù)據(jù)集195
7.3.2從零開始實(shí)現(xiàn)196
7.3.3簡潔實(shí)現(xiàn)198
小結(jié)199
練習(xí)199
7.4動量法200
7.4.1梯度下降的問題200
7.4.2動量法201
7.4.3從零開始實(shí)現(xiàn)203
7.4.4簡潔實(shí)現(xiàn)205
小結(jié)205
練習(xí)205
7.5AdaGrad算法206
7.5.1算法206
7.5.2特點(diǎn)206
7.5.3從零開始實(shí)現(xiàn)208
7.5.4簡潔實(shí)現(xiàn)209
小結(jié)209
練習(xí)209
7.6RMSProp算法209
7.6.1算法210
7.6.2從零開始實(shí)現(xiàn)211
7.6.3簡潔實(shí)現(xiàn)212
小結(jié)212
練習(xí)212
7.7AdaDelta算法212
7.7.1算法212
7.7.2從零開始實(shí)現(xiàn)213
7.7.3簡潔實(shí)現(xiàn)214
小結(jié)214
練習(xí)214
7.8Adam算法215
7.8.1算法215
7.8.2從零開始實(shí)現(xiàn)216
7.8.3簡潔實(shí)現(xiàn)216
小結(jié)217
練習(xí)217
第8章計(jì)算性能218
8.1命令式和符號式混合編程218
8.1.1混合式編程取兩者之長220
8.1.2使用HybridSequential類構(gòu)造模型220
8.1.3使用HybridBlock類構(gòu)造模型222
小結(jié)224
練習(xí)224
8.2異步計(jì)算224
8.2.1MXNet中的異步計(jì)算224
8.2.2用同步函數(shù)讓前端等待計(jì)算結(jié)果226
8.2.3使用異步計(jì)算提升計(jì)算性能226
8.2.4異步計(jì)算對內(nèi)存的影響227
小結(jié)229
練習(xí)229
8.3自動并行計(jì)算229
8.3.1CPU和GPU的并行計(jì)算230
8.3.2計(jì)算和通信的并行計(jì)算231
小結(jié)231
練習(xí)231
8.4多GPU計(jì)算232
8.4.1數(shù)據(jù)并行232
8.4.2定義模型233
8.4.3多GPU之間同步數(shù)據(jù)234
8.4.4單個小批量上的多GPU訓(xùn)練236
8.4.5定義訓(xùn)練函數(shù)236
8.4.6多GPU訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)237
小結(jié)237
練習(xí)237
8.5多GPU計(jì)算的簡潔實(shí)現(xiàn)237
8.5.1多GPU上初始化模型參數(shù)238
8.5.2多GPU訓(xùn)練模型239
小結(jié)241
練習(xí)241
第9章計(jì)算機(jī)視覺242
9.1圖像增廣242
9.1.1常用的圖像增廣方法243
9.1.2使用圖像增廣訓(xùn)練模型246
小結(jié)250
練習(xí)250
9.2微調(diào)250
熱狗識別251
小結(jié)255
練習(xí)255
9.3目標(biāo)檢測和邊界框255
邊界框256
小結(jié)257
練習(xí)257
9.4錨框257
9.4.1生成多個錨框257
9.4.2交并比259
9.4.3標(biāo)注訓(xùn)練集的錨框260
9.4.4輸出預(yù)測邊界框263
小結(jié)265
練習(xí)265
9.5多尺度目標(biāo)檢測265
小結(jié)268
練習(xí)268
9.6目標(biāo)檢測數(shù)據(jù)集（皮卡丘）268
9.6.1獲取數(shù)據(jù)集269
9.6.2讀取數(shù)據(jù)集269
9.6.3圖示數(shù)據(jù)270
小結(jié)270
練習(xí)271
9.7單發(fā)多框檢測（SSD）271
9.7.1定義模型271
9.7.2訓(xùn)練模型275
9.7.3預(yù)測目標(biāo)277
小結(jié)278
練習(xí)278
9.8區(qū)域卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（R-CNN）系列280
9.8.1R-CNN280
9.8.2Fast R-CNN281
9.8.3Faster R-CNN283
9.8.4Mask R-CNN284
小結(jié)285
練習(xí)285
9.9語義分割和數(shù)據(jù)集285
9.9.1圖像分割和實(shí)例分割285
9.9.2Pascal VOC2012語義分割數(shù)據(jù)集286
小結(jié)290
練習(xí)290
9.10全卷積網(wǎng)絡(luò)（FCN）290
9.10.1轉(zhuǎn)置卷積層291
9.10.2構(gòu)造模型 292
9.10.3初始化轉(zhuǎn)置卷積層294
9.10.4讀取數(shù)據(jù)集295
9.10.5訓(xùn)練模型296
9.10.6預(yù)測像素類別296
小結(jié)297
練習(xí)297
9.11樣式遷移298
9.11.1方法 298
9.11.2讀取內(nèi)容圖像和樣式圖像 299
9.11.3預(yù)處理和后處理圖像 300
9.11.4抽取特征 301
9.11.5定義損失函數(shù) 302
9.11.6創(chuàng)建和初始化合成圖像 303
9.11.7訓(xùn)練模型 304
小結(jié)306
練習(xí)306
9.12實(shí)戰(zhàn)Kaggle比賽：圖像分類（CIFAR-10）306
9.12.1獲取和整理數(shù)據(jù)集 307
9.12.2圖像增廣 310
9.12.3讀取數(shù)據(jù)集 310
9.12.4定義模型 311
9.12.5定義訓(xùn)練函數(shù) 312
9.12.6訓(xùn)練模型 312
9.12.7對測試集分類并在Kaggle
提交結(jié)果313
小結(jié)313
練習(xí)313
9.13實(shí)戰(zhàn)Kaggle比賽：狗的品種識別（ImageNetDogs）314
小結(jié)320
練習(xí)320
第10章自然語言處理321
10.1詞嵌入（word2vec）321
小結(jié)325
練習(xí)325
10.2近似訓(xùn)練325
小結(jié)327
練習(xí)328
10.3word2vec的實(shí)現(xiàn)328
小結(jié)336
練習(xí)336
10.4子詞嵌入（fastText）336
小結(jié)337
練習(xí)337
10.5全局向量的詞嵌入（GloVe）337
小結(jié)340
練習(xí)340
10.6求近義詞和類比詞340
小結(jié)343
練習(xí)343
10.7文本情感分類：使用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)343
小結(jié)347
練習(xí)347
10.8文本情感分類：使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（textCNN）347
小結(jié)353
練習(xí)353
10.9編碼器-解碼器（seq2seq）353
小結(jié)355
練習(xí)355
10.10束搜索355
小結(jié)358
練習(xí)358
10.11注意力機(jī)制358
小結(jié)361
練習(xí)361
10.12機(jī)器翻譯361
小結(jié)369
練習(xí)369
附錄A數(shù)學(xué)基礎(chǔ)370
附錄B使用Jupyter記事本376
附錄C使用AWS運(yùn)行代碼381
附錄DGPU購買指南388
附錄E如何為本書做貢獻(xiàn)391
附錄Fd2lzh包索引395
附錄G中英文術(shù)語對照表397
參考文獻(xiàn)402
索引407
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