[모두를 위한 딥러닝] 강좌 요약 - Section 7~10

모두를 위한 딥러닝 Section 7부터 요약을 한다. 

학습 Rate, Overfitting, Regularization

Gradient Descent(GD) 알고리즘앞에 * 는 알파값은 Learning Rate 이다. 

  - GD는 Cost function의 최소값을 구해가는 알고리즘

  - Overshooting: Learning rate을 너무 크게 잡는 경우

  - local minimum: rate이 너무 작을 경우 오래 걸리고, local이 최소라 판단할 수도 있다. 

대략 0.01 로  시작

Feature Data 선처리 

  - X 데이터이다. 

  - GD를 위하여 선처리 과정이 필요하다

  - 데이터가 둘쭉날쭉할 때 데이터를 0과 1사이 값으로 Standardization하는 것을 Normalization 한다라고 표현함. 두가지 경우로 preprocessing한다.

    + 특정 범위안에 들어있도록 만들거나

    + zero-centered data로 만들거나

  

  - 평균과, 분산을 통해 Standardization한다. MinMaxScaler를 사용하면 0과 1사이의 값으로 치환된다.

Overfitting

머신러닝이 학습을 통하는데 너무 학습에 딱 맞는 데이터이면 엉뚱한 데이터를 줄 때 예측이 틀릴 수 있다. 

  - 데이터에 맞추어진 Model이 Overfitting되었다 표현함.

  - 많은 데이터로 훈련, 중복 feature수를 줄임. 

  - Regularization통해 구불구불한 데이터를 펴준다. 

  - Regularization strength 함수를 준다 - 람다. l2reg (L2 regular) . 필요한 값은 취하고 필요없는 것은 버리는 것이다. 

Training / Testing 데이터 셋

전체 데이터중에 training set과 test set을 나누고, 훈련시에는 training set만을 사용한다. 

  - training = training + validation

  - testing = testing

Online Learning

  - 한번 학습후 추가되는 데이터를 이전 생성된 모델에 추가하여 다시 학습시켜서 모델을 발전시키는 학습형태

Accuracy

  - 정확도: Model이 prediction한 값과 Y (레이블) 실제값에 대한 맞춘 퍼센트

MNIST 데이터

  - 28*28*1 image = 784 

  - 한번에 몇개씩 학습 = 1 Batch

  - 전체 training data set 학습 = 1 Epoch (에포크)

Deep Learning 기본 개념

Input X와 신호의량 W(weight) 과 편향값 b (bias)를 더하여 어떤값을 넘으면 1, 아니면 0으로 된다. 이때 Activation Function이 이용된다.

  - 1958 OR, AND는 기계가 풀수 있었지만 XOR 문제를 못 풀게되었다. 

  - 1969 MIT AI Lab, Marvin Minsky 교수 - Perceptrons, MultiLayer로 풀 수 있다. 

     input layer -> hidden layers -> output layer

  - 1974, 1982 Backpropagation, Paul Werbos, 1986 by Hinton

     더 복잡한 형태의 계산이 가능해짐

  - 1995 Backprogagation은 몇개 layer는 잘 동작하나 몇십개가 되면 Backpropagation의 값이 희석되어 성능이 더 떨어지는 현상이 발생함. 

    1987 캐나다 Hinton 교수 주도의 CIFAR 기구에서 연구를 계속 진행함. 

  - 2006 Breakthrough 통해 초기값을 잘 주면 학습가능하다. Hinton

     Neural Network 을 Deep Net, Deep Learning으로 이름을 바꿔 부름

  - 2010 ImageNet Classification 통해 인식율 대회 -> 2015년 Deep Learning이용 3% 에러까지 올라옴

     Speech Recognition - 시끄러운 곳에서 음성인식, Game

  - 2016 Convolution Neural Networks LeCun(라쿤)

   

배열 다루기

0부터 시작, 마지막 -1

  - Rank: 차원, [] 하나가 1차원. 예) [[]] 2차원

  - Shape: 자신 차원안의 데이터 원소갯수 예) [[[1,2],[2,3],[4,5]]] 3차원 (1차원 원소갯수, 2차원 원소갯수, 3차원 원소갯수) => (1, 1, 2)

  - Slice: 원소 n개 묶음. 슬라이싱한다고 표현

  - Axis: Rank 4차원이면 맨 바깥쪽이 Axis=0, 제일 안쪽이 Axis=3이 된다.

tensorflow 계산식 (참조)

  - matrix1 * matrix2 또는 matrix1 + matrix2 같은 사칙연산 => Broadcasting Shape이 달라도 연산이 가능하게 함. 

  - matmul(matrix1, matrix2) 사용

  - reduce_mean, reduce_sum: 결과가 float이면 입력값도 float이어야 소수점까지 출력된다. axis 설정이 있어서 차원의 계산값이 다를 수 있다. 

  - Argmax: axis에 따라 결과의 원소 갯수가 틀려진다. 

  - Reshape: 가장 많이 사용함. shape(3,2,3)을 변경. 가장 안쪽의 값은 항상 그대로 가져간다. 

     tf.reshap(t, shape=[-1, 3]).eval()

    +  squeeze 는 안쪽의 값을 1차원 배열로 reshape한다. 

    + expand_dims 는 값을 차원이 있는 배열로 reshape한다. squeeze의 반대

  - one_hot: 전체 값중에 선택된 것만 1로 만들고 나머지는 0으로 만듦. 1차원 배열(백터)에 해당함.

  - cast: 형변환 float -> integer, 또는 true/false를 1/0으로 변환.

  - stack: 여러 개별 배열을 한 배열로 넣음. axis 설정가능 

  - ones_like, zeros_like: 똑같은 배열 차원의 1 또는 0으로 만들어줌

  - zip: 복수개의 tensor를 가지고 있을 때 한번에 묵어서 for 루프등에서 처리하고 싶을 때

XOR 문제 Neural Network (Deep Learning)으로 풀기

Cell별 W, b를 구하는 학습이 가능 한가를 증명

  - sigmoid를 이용함

  - 3개의 cell로 XOR문제 풀기

하나의 네트워크를 구성하면 다음과 같다. 

이것을 하나의 배열로 만들면 Multinomial Classification이된다. 

Backpropagation과 Derivation 하기

미분이란

  - 순간 변화율, 기울기로 나타남

  - f(x + A) - f(x) / A 로 A를 작은 값으로 사용. 

  - f(g(x)) 에서 x가 f에 미치는 영향에 대해 미분을 하면 df/dx로 나온다. 이것은 df/dg * dg/dx 의 결과이다.

편미분

  - Partial Derivation

  - 내것만 미분하고 나머지는 상수로 본다.

  - xy 에 대한 x 편미분은 y 이고 x+y에 대한 x편미분은 1이다. 이는 더하기는 각각을 편미분하기 때문이다.

각각의 Weight에 대한 미분값을 구하기 어렵다. 1974, 1982 Paul/Hinton에 의해 backpropagation으로 해결됨.

  - 편미분: 식마다 편미분, g, f

  - Chain rule의 경우 미분 f(g(x)) : x값이 f에 영향을 미치는 정도. 

  - 편미분값이 다음에 영향을 미칠 값이 된다. 

  - f는 g를 사용하는 chain rule 사용

    편미분에 대한 복합함수를 chain rule을 사용하면 뒤로가면서 w의 편미분값을 얻을 수 있다. (참조)

  - 뒤의 것의 미분값과 자신의 미분값을 사용한다. 

  - Tensorflow에서 graph형태인 것은 BP를 적용하기 위함이다. 

TensorBoard

  - loss의 변화를 차트로 보거나, 텐서의 그래프를 볼 때 사용

  - name_scope를 사용해서 작은 단위의 텐서를 논리적으로 묶어서 그래프로 보여줄 수 있다. 

  - 지정한 디렉토리에 있는 모든 텐서 로그파일을 한번에 불러와서 차트에 보여줄 수 있다.

  $ tensorboard --logdir=<path>

//브라우져에서 http://127.0.0.1:6006/ 호출

섹션 10 - ReLU

네트워크 연결되어 최종 값은 sigmoid같은 Activation function을 통해 변환되어 다음 네트워크로 전달된다. 

  - Hypothesis는 여러 Layer를 두어서 만들어 진다. 

  - Layer종류: Input, Hidden, Output

  - layer별로 W(weight) 과 B (bias)가 주어진다. 

  - hidden layer가 많을 경우 Accuracy가 떨어진다. => Backpropagation의 문제점이 발생. 

    + Vanishing Gradient : 기울기기 사라짐. 아주 작은값들이(weight값, 0.01같은 값) layer가 뒤로(backward propagation) 갈수록 곱해지면서 문제가 발생함 . 

  - Hinton교수가 밝힘. Sigmoid를 잘 못 쓴것 같다. =>  Rectified Linear Unit (ReLU)를 사용한다. 이제 sigmoid는 사용하지 말자!  즉, 1 또는 0으로 나와야 하기 때문에 마지막만 sigmoid사용

  - ReLU(렐루) 0이하는 모두 0으로 처리한다. 

초기값 설정 잘 하기

초기값 W를 잘 정해야 한다. 

  - 초기값을 0으로 준다면: BP하면 앞의 W값들이 0이되어 VG (Vanishing Gradient)됨. 

  - 2006 Hinton이 Restricted Boatman Machine (RBM) 사용함 - Deep Belief Nets

    + 처음 2개 layer에 대한 encoder/decoder를 통해 weight를 구함. 

    + 그다음 2개를 en/de하면서 weight을 학습시킴

     각 학습을 통해서 initial weight값을 가지고 학습시킴. 이것을 fine tunning이라함. 

  - 2010 Xavier initialization => RBM 처럼 비슷하게 쉽게 나온다. 

  - 2015 He initialization 초기화 잘됨

Dropout 과 앙상블

훈련시킬 때 적용할 수 있는 방법

Overfitting은 학습데이터를 가지고 accuracy를 측정해보면 99% 맞는데, 전혀 다른 test data를 넣으면 0.8%이면 오버피팅이다. 

  - layer를 많을 쌓을 수록 overfitting될 확률이 높다. 

  - 방지하는 방법

    + 데이터를 많이

    + Regularization: 구부러진 데이터를 펴기 =>  l2reg

  

    + NN에서는 Dropout도 사용함. 몇개의 layer를 skip한다. 학습할때 dropout = 0.7 정도 실전에서는 dropout rate = 1이다.

       텐서플로우에서는 dropout layer를 하나 더 추가함. keep_prob = 0.7 학습, 1 실전 (참조)

   

앙상블 (Ensemble)

  - 모델들 학습시킬 때, 데이터 셋을 몇개로 만들어 각각 Model을 만들어 Model들을 합쳐 결과를 만든다. 실전에 많이쓴다. 

  - Model = Hypothesis + Cost + Optimizer

Optimizer

다양한 옵티마이져가 존재한다.

  - ADAM(아담) 을 기본으로 써보자. 

네트워크 조립하기

어떤 Net을 구성하느냐의 상상력이 필요

  - 여러 layer를 구성하고, 몇단의 layer를 건더뛰게하는 Fast Forward 방식이 있다. ResNet구조이다. 

  - Split & Merge하여 layer 조립하기  - CNN

  - Recurrent Network: 앞으로만 나가는 것이 아니라 옆으로도 layer가 증가 - RNN

MNIST 98 % 올리기

=> CNN을 사용하면 99% 까지 올라간다. 

정리

- NN(Neural Net)이 깊어지면 Backpropagation할 수록 Vanishing Gradient가 발생하여 Sigmoid를 사용하지 않고 ReLU를 쓴다. 

- NN 구성 방법

  + 초기값 설정을 잘 하자. Xavier 사용. Tensorflow에 함수 존재함

  + NN의 layer가 깊어지면 모델이 Overfitting될 수 있다. 이것은 학습을 하면서 이전것을 기억하기 때문인데 이를 Dropout으로 해결한다. 

  + 많은 데이터를 여러 set으로 나누어 학습한 모델들을 최종 결과물로 만드는 앙상블을 실전에서 많이 사용한다. 

  + 옵티마이저도 기본 ADAM(아담)을 사용한다. 

  + NN의 구성은 CNN, RNN방식이 있고 본인만의 상상력을 발휘하여 만들 수 있다.