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出版社： 机械工业

ISBN：9787111600466

商品编码：29202630302

PaddlePaddle深度学习实战

 

基本信息

作者： 刘祥龙    杨晴虹    谭中意    蒋晓琳   

丛书名： 智能系统与技术丛书

出版社：机械工业出版社

ISBN：9787111600466

定价 69元

出版日期：2018 年6月

开本：16开

版次：1-1

所属分类：计算机

目录

序 

前言 

致谢

第1章 数学基础与Python库 1

1.1 Python是进行人工智能编程的

主要语言 1

1.2 数学基础 4

1.2.1 线性代数基础 4

1.2.2 微积分基础 8

1.3 Python库的操作 17

1.3.1 numpy操作 17

1.3.2 matplotlib操作 23

本章小结 27

第2章 深度学习概论与PaddlePaddle入门 28

2.1 人工智能、机器学习与深度学习 29

2.1.1 人工智能 30

2.1.2 机器学习 30

2.1.3 深度学习 31

2.2 深度学习的发展历程 32

2.2.1 神经网络的第一次高潮 32

2.2.2 神经网络的第一次寒冬 33

2.2.3 神经网络的第二次高潮 34

2.2.4 神经网络的第二次寒冬 35

2.2.5 深度学习的来临 35

2.2.6 深度学习崛起的时代背景 36

2.3 深度学习的应用场景 36

2.3.1 图像与视觉 37

2.3.2 语音识别 37

2.3.3 自然语言处理 38

2.3.4 个性化推荐 38

2.4 常见的深度学习网络结构 39

2.4.1 全连接网络结构 39

2.4.2 卷积神经网络 40

2.4.3 循环神经网络 41

2.5 机器学习回顾 41

2.5.1 线性回归的基本概念 42

2.5.2 数据处理 44

2.5.3 模型概览 45

2.5.4 效果展示 46

2.6 深度学习框架简介 47

2.6.1 深度学习框架的作用 47

2.6.2 常见的深度学习框架 48

2.6.3 PaddlePaddle简介 49

2.6.4 PaddlePaddle使用 49

2.7 PaddlePaddle实现 51

本章小结 60

第3章 深度学习的单层网络 61

3.1 Logistic回归模型 62

3.1.1 Logistic回归概述 62

3.1.2 损失函数 64

3.1.3 Logistic回归的梯度下降 66

3.2 实现Logistic回归模型 71

3.2.1 Python版本 72

3.2.2 PaddlePaddle版本 81

本章小结 90

第4章 浅层神经网络 92

4.1 神经网络 92

4.1.1 神经网络的定义及其结构 92

4.1.2 神经网络的计算 94

4.2 BP算法 100

4.2.1 逻辑回归与BP算法 101

4.2.2 单样本双层神经网络的BP算法 101

4.2.3 多个样本神经网络BP算法 105

4.3 BP算法实践 108

4.3.1 Python版本 109

4.3.2 PaddlePaddle版本 116

本章小结 122

第5章 深层神经网络 123

5.1 深层网络介绍 123

5.1.1 深度影响算法能力 124

5.1.2 网络演化过程与常用符号 125

5.2 传播过程 127

5.2.1 神经网络算法核心思想 127

5.2.2 深层网络前向传播过程 128

5.2.3 深层网络后向传播过程 129

5.2.4 传播过程总结 130

5.3 网络的参数 132

5.4 代码实现 133

5.4.1 Python版本 133

5.4.2 PaddlePaddle版本 136

本章小结 140

第6章 卷积神经网络 141

6.1 图像分类问题描述 141

6.2 卷积神经网络介绍 142

6.2.1 卷积层 142

6.2.2 ReLU激活函数 147

6.2.3 池化层 148

6.2.4 Softmax分类层 149

6.2.5 主要特点 151

6.2.6 经典神经网络架构 152

6.3 PaddlePaddle实现 159

6.3.1 数据介绍 159

6.3.2 模型概览 160

6.3.3 配置说明 160

6.3.4 应用模型 168

本章小结 169

第7章 个性化推荐 170

7.1 问题描述 170

7.2 传统推荐方法 171

7.2.1 基于内容的推荐 172

7.2.2 协同过滤推荐 173

7.2.3 混合推荐 175

7.3 深度学习推荐方法 176

7.3.1 YouTube的深度神经网络推荐系统 176

7.3.2 融合推荐系统 178

7.4 个性化推荐系统在PaddlePaddle上的实现 180

7.4.1 数据准备 180

7.4.2 模型配置 182

7.4.3 模型训练 184

7.4.4 模型测试 188

本章小结 188

第8章 个性化推荐的分布式实现 190

8.1 PaddlePaddle Cloud介绍 190

8.2 PaddlePaddle Cloud使用 192

8.2.1 创建集群 192

8.2.2 配置集群 192

8.2.3 配置客户端 193

8.3 个性化推荐在PaddlePaddle Cloud上的实现 194

8.3.1 提交单节点任务 194

8.3.2 个性化推荐在PaddlePaddle Cloud上的实现 196

本章小结 199

第9章 广告CTR预估 200

9.1 CTR预估简介 200

9.1.1 CTR定义 201

9.1.2 CTR与推荐算法的异同 202

9.1.3 CTR预估的评价指标 202

9.2 CTR预估的基本过程 205

9.2.1 CTR预估的三个阶段 206

9.2.2 CTR预估中的特征预处理 206

9.3 CTR预估的常见模型 208

9.3.1 LR模型 208

9.3.2 GBDT模型 210

9.3.3 GBDT+LR模型 212

9.3.4 FM+DNN模型 214

9.3.5 MLR模型 215

9.4 CTR预估在工业上的实现 217

9.5 CTR预估在PaddlePaddle上的实现 218

9.5.1 数据集 218

9.5.2 预测模型选择和构建 219

9.5.3 PaddlePaddle完整实现 222

本章小结 226

第10章 算法优化 227

10.1 基础知识 227

10.1.1 训练、验证和测试集 227

10.1.2 偏差和方差 228

10.2 评估 229

10.2.1 选定评估目标 229

10.2.2 迭代过程 230

10.2.3 欠拟合和过拟合 230

10.3 调优策略 231

10.3.1 降低偏差 231

10.3.2 降低方差 236

10.4 超参数调优 242

10.4.1 随机搜索和网格搜索 242

10.4.2 超参数范围 243

10.4.3 分阶段搜索 243

10.4.4 例子：对学习率的调整 244

本章小结 245 

↑折 叠

前言

人工智能（AI）前景无量已经成为业界共识，国内外很多企业都聚集了各种资源大力发展人工智能。人工智能并不是一个新生的名词，在数十年的发展历程中，像“深度学习”这样在学术界和工业界皆具颠覆性的技术可谓十年难遇。作为国内人工智能领域的领头羊，百度在AI领域早已深耕多年，特别是在深度学习领域建树颇丰。百度通过应用深度学习技术，使其在语音、视觉、文本、无人驾驶等各领域都处于领先位置。百度着力打造大AI生态，倾其全力推动中国AI产业大力发展。2016年，百度开源了其内部使用的深度学习框架PaddlePaddle。

深度学习算法十分强大，但深入理解和灵活运用深度学习算法并不是一件容易的事情，尤其是复杂的数学模型和计算过程让不少同学刚入门就放弃了。现在市面上有不少科普型的书，主要作用是从宏观上描述深度学习的发展和用途，没有对细节的描述，只起到了提振读者信心的作用。同时，也不乏学界大牛的全而难的“大部头”著作，但是其中帮助初学者入门深度学习的内容并不多。本书针对此现状立足于PaddlePaddle框架，从算法到应用由浅入深地带领读者一步一步进入AI技术世界。

本书从实战的角度出发，旨在帮助读者掌握满足工业需求的实际技能。在真实工业开发中框架是必不可少的，现在市面上框架很多且各具特色，其中PaddlePaddle因为其具有上手容易、运行效率高、支持私有云等优势，受到越来越多的公司和个人的青睐。虽然开发者对PaddlePaddle表现出了浓厚的兴趣，可惜的是市面上还没有一本关于PaddlePaddle的书。为了让更多的开发者享受到深度学习带来的福利，于是由百度发起，特邀北航参与，两家精诚合作联袂打造了本书。

本书采用由简入繁的原则撰写而成。我们希望本书能成为一名能带领读者领略PaddlePaddle精妙的精神导游。从较为简单的线性回归、逻辑回归到较为复杂的RNN数字识别、个性化推荐、云上部署等，本书结合若干实例，系统地介绍了PaddlePaddle的使用特点。教会读者如何使用框架就像教会了读者一套外功拳法。然而本书不仅关注框架本身的细节用法，还非常注重基础知识和理论，目的是教会读者内功心法。书中既详细描述了神经网络的各个细节，也深入讲解了算法性能优化的思路和技巧，旨在帮助读者深入理解深度学习的精髓。

本书共分为10章，每一章都包含理论介绍和对应的代码实现。除了第1章讲述主要的数学基础外，其余各章都有PaddlePaddle的代码实现。

第1章介绍数学基础和Python库的使用。

第2章回顾神经网络的发展历程和机器学习的基本概念，使用线性回归作为PaddlePaddle的入门示例。

第3章以逻辑回归为主线介绍单个神经元的工作原理，分别使用numpy库和PaddlePaddle实现逻辑回归模型的猫脸分类。

第4章开始正式介绍神经网络。以双层的网络为例深入讲解BP算法的计算过程，分别用numpy库和PaddlePaddle实现“花”的点集分类问题。

第5章介绍深度神经网络的相关知识，总结神经网络的核心算法运算过程。然后使用深度网络再次分别使用numpy库和PaddlePaddle实现猫脸分类。

第6章以图像分类为切入点深入讲解卷积神经网络的相关细节，同时介绍几种经典的网络模型。接着介绍用PaddlePaddle实现基于MNIST数据集的手写数字的识别。

第7章介绍个性化推荐系统的算法，包括基于传统机器学习的推荐方法和基于深度学习的推荐方法，其中重点介绍深度学习的融合推荐系统。同时介绍使用PaddlePaddle在ml-1m 数据集上完成推荐系统的具体实现。

第8章以个性化推荐系统为例，详细讲解PaddlePaddle Cloud的使用方法，介绍在云上如何创建、配置集群，如何提交单节点任务等，并实现基于PaddlePaddle Cloud搭建分布式深度学习推荐网络模型。

第9章介绍PaddlePaddle的又一个应用场景，即广告点击通过率预估（CTR），重点介绍CTR的基本过程和常见模型，然后基于Kaggle数据集网站的Avazu数据集，使用PaddlePaddle实现训练和预测的整个过程。

第10章系统介绍算法优化的思路和方法。从深度学习系统的实践流程开始，介绍评估和调优策略等重要概念和思想，并结合实例给出调优的具体效果。

本书适合的读者主要包含：

对PaddlePaddle框架感兴趣的开发者；

希望学习深度学习的在校大学生和在职的程序员；

从事深度学习教学工作的一线教师；

希望深入理解深度学习的产品经理。

PaddlePaddle深度学习实战

探索人工智能的基石：深度学习的奥秘与实践 深度学习，作为人工智能领域最具革命性的分支之一，正以惊人的速度重塑着我们的世界。从自动驾驶到智能医疗，从自然语言处理到图像识别，深度学习技术的身影无处不在，驱动着科技的飞速发展，也深刻地改变着我们的生活方式。本书旨在带领读者一同走进深度学习的广阔天地，揭开其神秘的面纱，掌握核心理论，并学会如何将其应用于实际问题的解决。 一、从基础到前沿：构建坚实的理论根基 要理解深度学习，我们首先需要建立一套清晰的理论框架。本书将从最基础的概念讲起，逐步深入到复杂的模型和算法。 神经元与神经网络的诞生： 我们将从仿生学的角度出发，了解生物神经元的工作原理，并以此为灵感，构建人工神经元。进而，我们将学习如何将这些人工神经元组织起来，形成多层前馈神经网络（Feedforward Neural Networks），这是深度学习的基石。我们将详细阐述神经网络中的权重、偏置、激活函数等核心概念，理解它们在信息传递和模式识别中的作用。 梯度下降与反向传播： 训练神经网络的核心在于如何优化模型参数，使其能够准确地拟合数据。本书将深入剖析梯度下降（Gradient Descent）算法，理解其原理，并介绍不同类型的梯度下降方法，如批量梯度下降（Batch Gradient Descent）、随机梯度下降（Stochastic Gradient Descent）以及小批量梯度下降（Mini-batch Gradient Descent），分析它们在效率和收敛性上的差异。随后，我们将详细讲解反向传播（Backpropagation）算法，这是训练深度神经网络的关键技术。通过对链式法则的深入解析，读者将清晰地理解误差如何从输出层反向传播至输入层，并用于更新每一层网络的权重和偏置。 损失函数与优化器： 损失函数（Loss Function）是衡量模型预测结果与真实值之间差距的度量。本书将介绍多种常用的损失函数，例如均方误差（Mean Squared Error, MSE）、交叉熵损失（Cross-Entropy Loss）等，并根据不同的任务类型，指导读者选择合适的损失函数。同时，我们也将深入探讨各种优化器（Optimizers），如Adam、RMSprop、Adagrad等，分析它们在加速模型收敛、克服局部最优等方面的优势，帮助读者构建更稳定、更高效的训练流程。 深度学习的核心架构： 随着模型层数的增加，神经网络的表达能力也随之增强，但也带来了梯度消失/爆炸等挑战。本书将系统介绍几种经典且强大的深度学习模型架构： 卷积神经网络（Convolutional Neural Networks, CNNs）： 专门用于处理图像数据的CNNs，我们将详细讲解卷积层、池化层、全连接层的工作原理，以及它们在图像特征提取中的关键作用。从LeNet到AlexNet，再到ResNet和Inception等，我们将回顾CNNs的发展历程，理解其核心创新点，并学习如何构建高性能的图像识别、目标检测和图像分割模型。 循环神经网络（Recurrent Neural Networks, RNNs）： 适用于处理序列数据的RNNs，我们将探讨其在处理文本、语音等序列信息时的优势，并深入理解其隐藏状态（Hidden State）和门控机制。在此基础上，我们将详细介绍长短期记忆网络（Long Short-Term Memory, LSTM）和门控循环单元（Gated Recurrent Unit, GRU），解释它们如何有效地解决传统RNNs在处理长序列时遇到的长距离依赖问题，并将其应用于机器翻译、文本生成、语音识别等任务。 Transformer 模型： 近年来，Transformer模型凭借其强大的并行计算能力和在自然语言处理领域取得的巨大成功，已成为新的研究热点。本书将详细解析Transformer的自注意力（Self-Attention）机制，理解其如何突破RNNs的序列限制，实现全局信息的捕捉。我们将深入剖析其编码器（Encoder）和解码器（Decoder）的结构，并介绍BERT、GPT等预训练模型的原理，为读者提供理解和应用最新的NLP模型的坚实基础。 正则化与过拟合的应对： 在深度学习训练过程中，过拟合（Overfitting）是一个普遍存在的问题，即模型在训练集上表现优异，但在测试集上表现不佳。本书将介绍多种有效的正则化技术，如L1/L2正则化、Dropout、早停法（Early Stopping）等，并分析它们如何约束模型复杂度，提高模型的泛化能力。 二、从理论到实践：掌握实用的开发技巧 掌握理论只是第一步，将理论应用于实际场景才是深度学习的真正魅力所在。本书将带领读者从零开始，通过丰富的实战案例，学习如何构建、训练和部署深度学习模型。 数据预处理与增强： 真实世界的数据往往是复杂且不完整的。我们将学习如何对数据进行清洗、归一化、特征工程等预处理操作，以提高模型的输入质量。同时，我们将介绍数据增强（Data Augmentation）技术，如图像的旋转、翻转、裁剪，以及文本的同义词替换、随机删除等，如何通过人工增加数据多样性，有效缓解过拟合，提升模型鲁棒性。 模型构建与调试： 掌握框架的使用是实现模型快速迭代的关键。本书将引导读者熟悉主流的深度学习框架（如TensorFlow、PyTorch，此处为通用性描述，不特指某一框架），学习如何利用其提供的丰富API，高效地搭建各种神经网络模型。我们将重点讲解模型的设计思路，如何根据任务需求选择合适的层和结构，以及如何在训练过程中进行有效的模型调试，快速定位和解决潜在问题。 模型训练与评估： 训练模型的过程中，需要细致地监控训练过程，并使用科学的评估指标来衡量模型的性能。本书将详细介绍训练集、验证集和测试集的使用，以及各种评估指标，如准确率（Accuracy）、精确率（Precision）、召回率（Recall）、F1分数、ROC曲线等。我们将教会读者如何根据任务特点选择恰当的评估指标，并理解它们之间的权衡。 部署与应用： 训练好的模型需要部署到实际应用中才能发挥价值。本书将探讨模型部署的不同方式，包括服务器端部署、移动端部署以及边缘计算部署，并介绍相关的技术和工具，帮助读者了解如何将深度学习模型集成到实际的应用程序中，实现AI能力的落地。 三、深入特定领域：解锁AI的更多可能 在掌握了深度学习的基础理论和实践技巧后，本书将带领读者深入到几个关键的应用领域，进一步拓展读者的视野。 计算机视觉（Computer Vision）： 从人脸识别到自动驾驶，计算机视觉的应用无处不在。我们将通过实际案例，学习如何利用CNNs构建高性能的图像分类、物体检测、图像分割、人脸识别等系统。读者将了解到如何处理各种复杂的视觉任务，如场景理解、风格迁移等。 自然语言处理（Natural Language Processing, NLP）： 理解和生成人类语言是人工智能的重要目标。我们将学习如何利用RNNs、LSTMs、GRUs以及Transformer模型，解决机器翻译、文本摘要、情感分析、问答系统、聊天机器人等NLP问题。读者将深入了解预训练模型的强大能力，并学会如何利用其进行迁移学习，快速构建高质量的NLP应用。 语音技术（Speech Technology）： 从语音识别到语音合成，语音技术正在改变我们与机器交互的方式。我们将探讨如何利用深度学习模型处理语音信号，实现高精度的语音识别（ASR）和自然流畅的语音合成（TTS）。 四、前沿探索与未来展望 人工智能领域的发展日新月异，本书的最后一部分将聚焦于当前一些最前沿的研究方向，并对深度学习的未来发展进行展望。 生成对抗网络（Generative Adversarial Networks, GANs）： GANs在图像生成、风格迁移、数据增强等领域展现出惊人的创造力。我们将深入解析GANs的生成器和判别器的对抗训练机制，并介绍其在不同应用场景下的实际案例。 强化学习（Reinforcement Learning, RL）： RL作为一种通过试错学习最优策略的方法，在游戏AI、机器人控制等领域取得了突破性进展。本书将介绍RL的基本概念，如状态、动作、奖励、策略等，并简单介绍Q-learning、DQN等经典算法。 联邦学习（Federated Learning）： 在保护数据隐私的前提下进行模型训练，联邦学习正成为一个重要的研究方向。我们将探讨其基本原理和在隐私保护方面的意义。 AI伦理与安全： 随着AI技术的广泛应用，AI伦理与安全问题也日益受到关注。本书将引导读者思考AI的可解释性、公平性、偏见以及潜在的安全风险，并讨论如何负责任地开发和应用AI技术。 本书不仅提供理论知识，更注重实践能力的培养。通过丰富的代码示例和案例分析，读者将能够快速上手，将所学知识融会贯通，独立解决实际问题。无论您是想入门深度学习的初学者，还是希望深入了解AI技术的开发者，本书都将是您探索人工智能世界的理想伙伴。让我们一起踏上这场激动人心的深度学习之旅！

评分☆☆☆☆☆

对于任何一本技术书籍而言，实战环节的质量往往是区分优秀和一般的试金石。这本书在这方面表现得尤为出色，它没有采用那些脱离实际的玩具数据集，而是选取了一些贴近真实工业场景的案例。比如，在介绍自然语言处理（NLP）部分时，书中构建了一个完整的文本分类流程，从原始语料的清洗、分词，到词嵌入（Word Embedding）的选择与训练，每一步都配有详尽的代码示例和解释。更值得称道的是，作者并没有止步于跑通代码，而是详细分析了不同超参数调整后对模型性能的影响，甚至探讨了过拟合发生时应如何通过正则化或Dropout进行干预。这种细致入微的“故障排除”和“性能调优”指南，对于希望将理论应用于生产环境的读者来说，简直是无价之宝。我甚至能从书中的案例中提炼出一些通用的工程实践经验，这比单纯看官方文档要高效得多，因为它融入了作者的实战智慧。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我之前尝试过几本号称是“入门”的深度学习书籍，但读完后感觉自己更像是一个公式的搬运工，对背后的原理依旧模糊不清。然而，这本读物给我的感受完全不同，它仿佛是一位经验丰富的工程师在手把手地教你如何“思考”问题。它没有仅仅停留在介绍模型结构的表面，而是深入到了为什么我们选择卷积层（CNN）而非全连接层来处理图像数据，为什么循环神经网络（RNN）在处理序列数据时会遇到梯度消失的问题，以及如何通过LSTM或GRU来缓解这些挑战。这种追问“为什么”的写作风格，极大地激发了我的求知欲。更让我惊喜的是，书中对优化器的介绍，不是简单地罗列Adam、RMSProp这些名字，而是清晰地对比了它们在学习率调度和动量机制上的差异和适用场景。阅读过程中，我感觉自己不仅仅是在学习一个框架的使用，更是在学习一套解决实际问题的完整思路。这种深度和广度兼备的讲解，让这本书的价值远超一般的基础教程，它真正培养的是读者的“模型直觉”。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计得非常有吸引力，色彩搭配沉稳又不失活力，一看就是一本内容扎实的教材。光是翻开前几页，就能感受到作者在知识组织上的用心。它并没有直接抛出那些晦涩难懂的术语，而是像一位耐心的老师，循序渐进地引导着读者进入深度学习的世界。我尤其欣赏它对基础概念的阐述，那种把复杂问题简单化的能力，简直是教科书级别的示范。比如，讲解神经网络的前向传播和反向传播时，作者使用了非常生动的类比，让我这个初学者也能一下子抓住核心思想，而不是陷在数学公式的泥潭里无法自拔。而且，书中对数据预处理这一关键环节的讲解也非常到位，它没有仅仅停留在理论层面，而是结合了实际案例，告诉我们为什么需要标准化、归一化，以及在不同场景下应该如何选择策略。这种注重实操和底层逻辑结合的叙事方式，极大地增强了阅读的体验感。每次读完一个小节，都会有一种“原来如此”的豁然开朗感，这对于构建一个稳固的知识体系至关重要。这本书的排版也极为清晰，图文并茂，重点突出，即便是需要反复查阅的公式或代码片段，也显得井井有条，让人爱不释手。

评分☆☆☆☆☆

从工具使用的角度来看，这本书对所使用的深度学习框架的集成度和API调用讲解得极其清晰到位，它似乎找到了一个完美的平衡点，既没有让读者完全沉迷于框架的黑箱操作，也没有让他们过于纠结于底层的C++实现细节。它精准地捕捉到了一个“实战者”最需要的知识点：如何高效地调用库函数来构建和训练模型。书中对模型保存与加载、GPU加速的配置、以及分布式训练的基本概念都有明确的指导。特别是关于如何利用框架提供的工具进行模型性能剖析的部分，它教会了我如何定位代码中的性能瓶颈，而不是盲目地修改网络结构。这不仅仅是一本关于理论的书，它更像是一份为期数月的“深度学习实战训练营”的课程大纲，每完成一章，都仿佛完成了一次小型的项目交付，让人充满了成就感和继续探索的动力。这种将理论、实践和工具使用无缝整合的能力，是这本书最值得称赞的特色之一。

评分☆☆☆☆☆

这本书的阅读体验中，最让我感到“舒适”的是它在处理复杂概念时的叙事节奏感。很多技术书籍读起来像是一口气喝下一大杯冰水，虽然内容丰富，但过程是痛苦的。而这本书的结构设计非常巧妙，它总能在关键的转折点设置小结或者“思维导图”，帮助读者消化刚刚学到的知识点，避免信息过载。例如，在讲解了生成对抗网络（GAN）的基本框架后，作者并没有立刻跳到WGAN或DCGAN，而是用一页篇幅总结了“判别器”和“生成器”之间的博弈平衡点，用一种近乎散文的笔触描绘了两者之间的微妙关系。这种张弛有度的节奏，让我的大脑有时间去内化和连接新的知识点，而不是疲于奔命地跟上作者的思路。这种体贴读者的设计，使得即便是面对GAN这样相对高阶的主题，阅读起来也显得从容不迫，信心倍增。它真正做到了让学习成为一种享受。