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出版者:机械工业出版社

作者:Kalevi Rantanen

出品人:

页数:167

译者:檀润华

出版时间:2010-11

价格:39.00元

装帧:

isbn号码:9787111316077

丛书系列:国际机械工程先进技术译丛

图书标签:

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探索深度学习的边界：神经网络结构与优化策略 图书简介 本书并非一部关于系统工程或创新方法的著作，而是一本深入探讨现代人工智能核心——深度学习——的实践与理论指南。我们旨在为那些渴望跨越基础教程，进入前沿研究和复杂工程应用的读者提供一套全面而深入的知识体系。本书聚焦于当前深度学习领域最具挑战性和前瞻性的两大支柱：新型神经网络架构的构建与高效、稳健的优化算法的运用。 --- 第一部分：超越传统：新型神经网络结构的精妙设计 在深度学习的浪潮中，模型的“深度”已不再是成功的唯一指标，如何构建更高效、更具泛化能力的“结构”才是决定性的因素。本部分将系统梳理并剖析一系列突破性的网络架构，它们如何巧妙地平衡计算效率、参数冗余与特征提取能力。 第一章：卷积网络范式的革新：从深度到广度与稀疏性 虽然残差网络（ResNet）和稠密连接网络（DenseNet）奠定了现代视觉模型的基础，但真正的挑战在于如何处理超大规模数据和异构特征。 1.1 空间与通道的解耦：深度可分离卷积的深入解析 我们将详细探讨深度可分离卷积（Depthwise Separable Convolution）背后的数学原理，它如何通过将空间滤波和通道混合分离，极大地降低了计算成本，尤其是在移动设备和边缘计算场景中的应用。重点分析 MobileNetV2 中引入的“倒残差结构”（Inverted Residuals）与线性瓶颈层，揭示其在信息流压缩与恢复过程中的微妙平衡。 1.2 结构重参数化与隐式神经表示 (INR) 本书将引入结构重参数化的概念，例如 RepVGG 等模型，如何将训练阶段的复杂多分支结构在推理阶段高效地融合为单一的等效结构，从而实现速度与精度的双赢。此外，我们将深入探讨神经辐射场（NeRF）等基于隐式神经表示的方法，它们如何用连续函数而非离散像素来建模复杂的场景，预示着下一代计算机视觉的形态。 1.3 图神经网络 (GNN) 在非常规数据上的应用 对于非欧几里得数据，如社交网络、分子结构或知识图谱，传统的卷积操作是失效的。本章将详细介绍图卷积网络（GCN）、图注意力网络（GAT）以及它们的空间和谱域变体。我们将侧重于解决 GNN 在处理大规模、动态图时的过平滑问题（Over-smoothing）和过平铺问题（Over-squashing），并探讨边缘权重学习的关键技术。 第二章：序列建模的演进：从循环到注意力机制的统治 循环神经网络（RNNs）的局限性（如梯度消失与并行化困难）催生了革命性的注意力机制。本章将深入探讨 Transformer 架构的内部工作原理及其在不同模态中的拓展。 2.1 Transformer 架构的精细解构 详细解析 Multi-Head Attention 机制，不仅仅是矩阵乘法的堆叠，更在于其对不同表示子空间的并行关注能力。我们将深入研究自注意力（Self-Attention）与交叉注意力（Cross-Attention）在编码器-解码器结构中的角色差异。 2.2 效率优化与长距离依赖的突破 标准的 Transformer 在序列长度 $L$ 上的计算复杂度是 $O(L^2)$，这限制了其在处理长文档或高分辨率时序数据时的应用。本书将介绍一系列高效 Transformer 变体，如 Linformer（低秩近似）、Reformer（局部敏感哈希 LSH）以及 Performer（核函数近似），分析它们如何将复杂度降低到接近线性时间，同时保持关键信息的捕获能力。 2.3 模态融合与多任务学习架构 探讨如何设计统一的框架来处理文本、图像、音频等多种数据类型。我们将分析视觉 Transformer (ViT) 如何将图像分割成补丁（Patches）并送入标准 Transformer，以及如何设计跨模态的对齐机制（如对比学习）来训练出具备通用理解能力的模型。 --- 第二部分：优化与泛化：驾驭模型训练的复杂地形 构建了精妙的结构后，如何高效、稳定地训练这个庞然大物，并确保它在新数据上表现出色，是工程实践中的核心难题。本部分专注于训练过程中的理论难题与前沿优化策略。 第三章：优化算法的深入理解：动量、自适应学习率与鞍点规避 优化器是连接模型损失函数和参数更新的桥梁。我们不仅要了解 SGD、Momentum 和 Nesterov 加速梯度，更要洞察自适应学习率方法的内在局限与优势。 3.1 自适应方法的权衡：AdamW 与稀疏性挑战 深入解析 Adam 算法（Adaptive Moment Estimation）如何结合一阶和二阶矩估计，并重点分析其在权重衰减（Weight Decay）处理上的缺陷，进而阐述 AdamW 如何通过解耦 L2 正则化和自适应学习率，显著提升大规模模型（尤其是 Transformer）的训练稳定性。同时，我们将探讨 AdaBelief 等试图平衡动量和平滑度的最新尝试。 3.2 高阶优化方法与鞍点问题 梯度下降的陷阱往往不在于局部最小值，而在于平坦的鞍点区域。本章将介绍如何利用海森矩阵（Hessian Matrix）的近似信息（如 L-BFGS, K-FAC）来更有效地导航损失曲面，尤其是在全批次训练或小样本优化场景中的适用性。 3.3 分布式优化与同步机制 对于需要数千个 GPU 并行训练的巨型模型，同步梯度和通信效率成为瓶颈。我们将详细探讨参数服务器（PS）架构、All-Reduce 通信范式，以及异步梯度更新（Hogwild!）在实践中如何权衡收敛速度与梯度噪声。 第四章：泛化能力的保障：正则化、归一化与模型鲁棒性 模型容量的增大使得过拟合成为常态。本章关注如何通过精妙的正则化手段和归一化层设计，强迫模型学习到更本质、更具迁移性的特征。 4.1 归一化层的精妙对比：BN、LN、GN与SN 批量归一化（BN）在小批量训练中的不稳定性是众所周知的缺陷。本书将系统对比 LayerNorm（LN，尤其在 RNN 和 Transformer 中的关键作用）、GroupNorm（GN）和 SpectralNorm（SN，在生成对抗网络中的重要性），分析它们对梯度流动和特征分布的影响。重点将放在实例归一化（Instance Normalization）在风格迁移任务中的独特优势。 4.2 对抗性训练与鲁棒性度量 现代模型在面对微小、人眼不可察觉的扰动时表现脆弱。我们将探讨如何构建对抗样本（如 FGSM, PGD），并深入研究如何利用对抗性训练来提高模型的输入鲁棒性。同时，本书也将介绍如随机平滑（Randomized Smoothing）等理论工具，用于量化和提升模型的预测可信度。 4.3 元学习（Meta-Learning）与少样本学习 终极目标是让模型像人类一样“学会学习”。本章将介绍模型无关元学习（MAML）等框架，它们如何通过学习一个好的初始化参数，使得模型能够在极少的新任务样本上快速适应，这是实现通用人工智能的关键步骤之一。 --- 本书适合有扎实线性代数、微积分和基础机器学习背景的工程师、研究生及研究人员。阅读本书后，您将不仅能熟练应用现有框架，更能洞察和设计下一代深度学习模型的核心组件。

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我必须承认，我对那些号称能“颠覆思维”的理论体系一直抱持着审慎的态度，市面上这类书籍汗牛充栋，但真正能让人在实践中找到清晰路径的却凤毛麟角。这本书的厉害之处在于，它没有停留在高深的理论描述上，而是非常扎实地构建了一个可操作的“脚手架”。我记得我当时正在为一个棘手的项目瓶颈寻找突破口，脑子里堆满了各种现有技术的限制和既有流程的僵局。随手翻开其中的某一个章节，关于系统冲突识别的那部分描述，那种直击要害的提问方式，瞬间就击穿了我原有的思维定势。它不是在教你怎么去“创造”，而是在教你如何“看清”，看清那个一直被我们忽略的、隐藏在表面现象之下的矛盾核心。那种感觉，就像是戴了多年的眼镜突然换了度数，原本模糊的世界突然变得清晰锐利起来。我不是一个喜欢用术语来包装自己的人，但这本书提供的思维工具，确实让我能在最短的时间内，将一个复杂的工程问题，拆解成了几个相对独立且更易于解决的小模块。

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这本书的装帧设计，说实话，一开始没太吸引我，封面那种极简的黑白灰调调，摆在书架上，很容易就被那些色彩斑斓的工具书淹没了。但当我真正翻开它的时候，那种朴实无华的质感反而带来了一种特别的宁静感。内页纸张的选择很舒服，字体的排布也疏朗有致，阅读起来丝毫没有压迫感。我特别喜欢它在版式上体现出的那种“少即是多”的哲学，没有那些花里胡哨的图表和复杂的装饰元素，一切都回归到知识本身最核心的呈现方式。这种克制感，仿佛在告诉我，这本书的内容足够硬核，不需要用花哨的外表来粉饰太平。拿到书的第一天，我就在咖啡馆里待了足足一下午，只是慢慢地摩挲着书脊，感受着它带来的那种沉甸甸的、需要静下心来对待的感觉。它不像市面上那些追求“快餐式学习”的书籍，一上来就恨不得把所有东西都塞给你，这本书的节奏是缓慢而坚定的，它在引导你建立一种更深入、更本质的思考框架。如果说工具书是一把瑞士军刀，那它就像是一把精心打磨过的单刃小刀，专注于打磨一个核心的、锐利的面。

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从内容深度来看，这本书在处理复杂性问题时展现出了一种令人佩服的结构化能力。很多理论书籍在介绍完原理后，往往在“如何应用”这一环戛然而止，留给读者的是一片迷茫的空白。但这本书的结构设计，似乎是经过了极其精密的推演，它不是线性的“A到B到C”，而更像是一个多维度的网格系统。每一个概念的引入，都不是孤立的，而是立刻与其他概念建立了连接点，形成了一个相互支撑的知识体系。我尤其欣赏它在案例分析上的选择，那些案例不是那种“完美解决”的教科书式范例，而是充满了现实世界中常见的“灰色地带”和“不完美信息”。它没有提供标准答案，而是展示了如何运用那套思维工具去分析这些复杂、带有情感色彩和利益冲突的现实场景。这种严谨的、将理论与泥泞的现实紧密结合的处理方式，极大地增强了这本书的实用价值，让它不再是书架上的摆设，而是真正能带入工作场景的伙伴。

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这本书所散发出的气质，是沉稳、内敛，却又蕴含着巨大能量的。它不是那种一蹴而就的“速成秘籍”，它更像是一本需要反复品味的工具哲学书。我发现自己经常不是一次性读完一个章节，而是会花上大量时间，在阅读完一个核心观点后，会合上书本，在办公室里踱步思考很久，然后才重新翻开，看看作者是如何将这个核心点拓展到下一个层级的。这种强迫性的内化过程，恰恰是这本书价值的体现——它不是在“灌输”，而是在“激发”。它挑战的是读者对既有经验和直觉的盲目信任，引导人们去探寻事物更深层的规律性。说白了，这本书提供了一种看待世界、分析问题的全新“透镜”，用这副透镜去看待日常工作中的琐碎问题，甚至家庭生活中的矛盾，都能发现过去视而不见的结构性缺陷。它真正改变的，不是你做了什么，而是你“如何思考”这件事情本身。

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阅读这本书的过程中，我体验到了一种罕见的“心流”状态。这并非易事，因为理论类书籍常常伴随着认知负荷过重的问题，容易让人在坚持到三分之一处就产生放弃的念头。然而，这本书的叙述风格，或者说它的内在逻辑流，有一种魔力，它能精准地把握读者的注意力曲线。每当我觉得某个概念即将变得晦涩难懂时，作者总能适时地插入一个简洁的比喻，或者用一个生活化的场景来类比，瞬间将抽象的概念拉回地面。这种节奏的掌控，体现了作者极高的教学智慧，他深知如何既要保持理论的深刻性，又不能让读者的学习热情被浇灭。这本书的阅读体验，与其说是“学习”，不如说是一场由作者主导的、持续性的“认知重塑之旅”，每一次翻页，都感觉自己像是在清理思维中的“灰尘”，让原本被固有观念堵塞的通道重新畅通起来，那种豁然开朗的愉悦感，是很少有书籍能给予的。

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对我来说帮助不大，有的例子还不如我的例子

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刚开始看，觉得不错，越看越像玄学。

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