深度学习
1.线性代数
1.1标量(scalar)
一个标量就是一个数，它只有大小，没有方向。标量通常用小写字母表示，一些书上会用斜体表示标量，同时在介绍标量的同时会介绍数值类型，例如： w = 3 , w ∈ R w=3,w \in R w=3,w∈R表示人的体重； n = 3 , n ∈ N n=3,n \in N n=3,n∈N表示人的头发。
1.2向量(Vector)
向量是一组标量排列而成的。向量只有一个轴，沿着行或者列的方向。当一组标量排成一行或者一列的时候，就变成了向量，这些标量的值被称为向量的元素。向量中的元素是按照轴进行有序排列的，这个轴可以是行或者列。
向量通常用粗体的小写字母表示，向量中的元素可以用带角标的斜体来表示。例如 s \mathbf{s} s依次为班里人考试的成绩 s = [ s 1 s 2 s 2 . . . s n ] \mathbf{s}= \begin{bmatrix} s_1 & s_2 & s_2 &...& s_n \end{bmatrix} s=[s1s2s2...sn]或 s = [ s 1 s 2 s 2 . . . s n ] \mathbf{s}=\begin{bmatrix} s_1 \\ s_2 \\ s_2 \\...\\ s_n \end{bmatrix} s= s1s2s2...sn 。
1.2.1模长和范数
向量的模长：可以简称为向量的模，英文是norm。表示向量在空间中的长度。
对二维向量 a = ( a 1 , a 2 ) \mathbf{a}=(a_1,a_2) a=(a1,a2)其模长 ∣ ∣ a ∣ ∣ = a 1 2 + a 2 2 ||a||=\sqrt{{a_1}^2+{a_2}^2} ∣∣a∣∣=a12+a22
对n维向量 a = ( a 1 , a 2 , . . . , a n ) \mathbf{a}=(a_1,a_2,...,a_n) a=(a1,a2,...,an)其模长等于 ∣ ∣ a ∣ ∣ = a 1 2 + a 2 2 + . . . + a n 2 ||a||=\sqrt{{a_1}^2+{a_2}^2+...+{a_n}^2} ∣∣a∣∣=a12+a22+...+an2
范数 ∣ ∣ x ∣ ∣ p = ( ∑ i ∣ x i ∣ p ) 1 p p ∈ R , p ≥ 1 ||x||_p=(\sum_i|x_i|^p) ^{\frac{1}{p}} p \in R,p \geq 1 ∣∣x∣∣p=(∑i∣xi∣p)p1p∈R,p≥1
1.2.2单位向量
单位向量：是模长固定为1的向量，它通常用来表示的是向量在空间中的方向，而不是大小。
对二维向量 a = ( a 1 , a 2 ) \mathbf{a}=(a_1,a_2) a=(a1,a2)其单位向量为 1 a 1 2 + a 2 2 ( a 1 , a 2 ) \frac{1}{\sqrt{{a_1}^2+{a_2}^2}}(a_1,a_2) a12+a22 1(a1,a2)
对n维向量 a = ( a 1 , a 2 , . . . , a n ) \mathbf{a}=(a_1,a_2,...,a_n) a=(a1,a2,...,an)其单位向量为 1 a 1 2 + a 2 2 + . . . + a n 2 ( a 1 , a 2 , . . . , a n ) \frac{1}{\sqrt{{a_1}^2+{a_2}^2}+...+{a_n}^2}(a_1,a_2,...,a_n) a12+a22 +...+an21(a1,a2,...,an)
1.2.3向量的内积
内积(Inner Product)：也称为点乘、点积，是两个向量对应位置元素相乘再相加，结果是一个标量 。
单价 a = ( a 1 , a 2 , . . . , a n ) \mathbf{a}=(a_1,a_2,...,a_n) a=(a1,a2,...,an)
数量 b = ( b 1 , b 2 , . . . , b n ) \mathbf{b}=(b_1,b_2,...,b_n) b=(b1,b2,...,bn)
总价 c = a ⋅ b = ∑ i = 1 n a i ⋅ b i \mathbf{c}=\mathbf{a}·\mathbf{b}=\sum_{i=1}^{n}a_i·b_i c=a⋅b=∑i=1nai⋅bi
内积还可以表示两个向量的线性相关程度，比如将两个向量规范化得到单位向量，二者的内积就是夹角值的余弦，越接近于1则二者更相关，等于0则二者正交（垂直），二者线性无关。
1.2.4向量的外积
外积(Outer Product):又叫向量叉积、叉乘等。外积的运算结果是一个向量而不像内积是一个标量。
两个向量的叉积与这两个向量组成的坐标平面垂直，其值取决于 a , b \mathbf{a},\mathbf{b} a,b的方向和大小，对应计算公式如下：
∣ c ∣ = ∣ a ∣ ∣ b ∣ < s i n ( a , b ) > |c|=|a||b|<sin(a,b)> ∣c∣=∣a∣∣b∣<sin(a,b)>
1.3矩阵(Matrix)
矩阵是由多个元素组成的表格。矩阵是一种二维数据结构，每个数据再矩阵中都有一个对应的行号和列号。矩阵通常用粗体的大写字母表示 。
A = [ A 1 , 1 A 1 , 2 ⋯ A 1 , n A 2 , 1 A 2 , 2 ⋯ A 2 , n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ A m , 1 A m , 2 ⋯ A m , n ] ∈ R m × n \mathbf{A} = \begin{bmatrix} A_{1,1} & A_{1,2} &\cdots & A_{1,n}\\ A_{2,1} & A_{2,2}&\cdots &A_{2,n}\\\vdots&\vdots& \ddots &\vdots \\A_{m,1}&A_{m,2}&\cdots&A_{m,n} \end{bmatrix}\in R^{m×n} A= A1,1A2,1⋮Am,1A1,2A2,2⋮Am,2⋯⋯⋱⋯A1,nA2,n⋮Am,n ∈Rm×n
1.3.1矩阵转置
矩阵的转置是以主对角线为轴，进行镜像翻转。矩阵转置公式如下(其中T就是Transpos)：
( A ) m , n T = A n , m A = [ A 1 , 1 A 1 , 2 A 2 , 1 A 2 , 2 A 3 , 1 A 3 , 2 ] A T = [ A 1 , 1 A 1 , 2 A 3 , 1 A 1 , 2 A 2 , 2 A 3 , 2 ] (\mathbf{A}){m,n}^T=\mathbf{A}{n,m} \\ \mathbf{A} = \begin{bmatrix} A_{1,1} & A_{1,2} \\ A_{2,1} & A_{2,2}\\A_{3,1}&A_{3,2}\end{bmatrix} A^T=\begin{bmatrix} A_{1,1} & A_{1,2} & A_{3,1}\\ A_{1,2}&A_{2,2}&A_{3,2}\end{bmatrix} (A)m,nT=An,mA= A1,1A2,1A3,1A1,2A2,2A3,2 AT=[A1,1A1,2A1,2A2,2A3,1A3,2]
1.3.2矩阵乘法
有m行k列的矩阵A和k行n列的矩阵B
A = [ A 1 , 1 A 1 , 2 ⋯ A 1 , k A 2 , 1 A 2 , 2 ⋯ A 2 , k ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ A m , 1 A m , 2 ⋯ A m , k ] B = [ B 1 , 1 B 1 , 2 ⋯ B 1 , n B 2 , 1 B 2 , 2 ⋯ B 2 , n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ B k , 1 B k , 2 ⋯ B k , n ] \mathbf{A} = \begin{bmatrix} A_{1,1} & A_{1,2} &\cdots & A_{1,k}\\ A_{2,1} & A_{2,2}&\cdots &A_{2,k}\\\vdots&\vdots& \ddots &\vdots \\A_{m,1}&A_{m,2}&\cdots&A_{m,k} \end{bmatrix} \mathbf{B} = \begin{bmatrix} B_{1,1} & B_{1,2} &\cdots & B_{1,n}\\ B_{2,1} & B_{2,2}&\cdots &B_{2,n}\\\vdots&\vdots& \ddots &\vdots \\B_{k,1}&B_{k,2}&\cdots&B_{k,n} \end{bmatrix} A= A1,1A2,1⋮Am,1A1,2A2,2⋮Am,2⋯⋯⋱⋯A1,kA2,k⋮Am,k B= B1,1B2,1⋮Bk,1B1,2B2,2⋮Bk,2⋯⋯⋱⋯B1,nB2,n⋮Bk,n
矩阵 A \mathbf{A} A和矩阵 B \mathbf{B} B相乘，则A的列数必须和B的行数相等，此时：
C = A ⊗ B = A B ⇒ C m , n = ∑ k A m , k B k , n \mathbf{C}=\mathbf{A} \otimes \mathbf{B}=\mathbf{A} \mathbf{B} \Rightarrow C_{m,n}=\sum_kA_{m,k}B{k,n} C=A⊗B=AB⇒Cm,n=k∑Am,kBk,n
矩阵乘法是有顺序的。
矩阵内积：结果是一个标量，等于两个矩阵AB对应元素之间相乘再相加。对应公式如下：
c = ∑ i = 1 m ∑ j = 1 n A i , j B i , j c=\sum_{i=1}^{m} \sum_{j=1}^{n}A_{i,j}B_{i,j} c=i=1∑mj=1∑nAi,jBi,j
哈达玛积(Hadamard product)：两个矩阵AB对应元素直接相乘，结果是一个矩阵。
C = A ⊙ B ⇒ C = [ A 1 , 1 B 1 , 1 A 1 , 2 B 1 , 2 ⋯ A 1 , n B 1 , n A 2 , 1 B 2 , 1 A 2 , 2 B 2 , 2 ⋯ A 2 , n B 2 , n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ A m , 1 B m , 1 A m , 2 B m , 2 ⋯ A m , n B m , n ] \mathbf{C}=\mathbf{A} \odot \mathbf{B} \Rightarrow \mathbf{C} = \begin{bmatrix} A_{1,1}B_{1,1} & A_{1,2}B_{1,2} &\cdots & A_{1,n}B_{1,n}\\ A_{2,1} B_{2,1} & A_{2,2}B_{2,2} &\cdots &A_{2,n}B_{2,n}\\\vdots&\vdots& \ddots &\vdots \\A_{m,1}B_{m,1}&A_{m,2}B_{m,2}&\cdots&A_{m,n} B_{m,n} \end{bmatrix} C=A⊙B⇒C= A1,1B1,1A2,1B2,1⋮Am,1Bm,1A1,2B1,2A2,2B2,2⋮Am,2Bm,2⋯⋯⋱⋯A1,nB1,nA2,nB2,n⋮Am,nBm,n
1.3.3矩阵乘法的性质
交换律： A B ≠ B A \mathbf{A}\mathbf{B} \neq \mathbf{B}\mathbf{A} AB=BA
分配律： A ( B + C ) = A B + A C \mathbf{A}(\mathbf{B}+\mathbf{C}) = \mathbf{A}\mathbf{B}+ \mathbf{A}\mathbf{C} A(B+C)=AB+AC
结合律： ( A B ) C = A ( B C ) (\mathbf{A}\mathbf{B})\mathbf{C} =\mathbf{A}(\mathbf{B}\mathbf{C}) (AB)C=A(BC)
转置性质： ( A B ) T = B T A T (\mathbf{A}\mathbf{B})^T=\mathbf{B}^T\mathbf{A}^T (AB)T=BTAT
1.4张量（Tensor）
张量是多为数组的抽象概括，可以看作是向量和矩阵的推广。
向量和矩阵的运算方法对张量同样适用。
2.微积分
微积分内容包含了微分学、积分学及相关概念和应用。
微积分研究连续函数，曲线和曲面的性质。
微积分广泛应用于深度学习领域，如梯度下降法。
2.1极限
表示某一点出函数值趋近于某一特定值的过程，一般记为：
lim x → a f ( x ) = L \lim_{x \to a}f(x)=L x→alimf(x)=L
极限是一种变化状态的描述，核心思想是无限靠近而永远不能到达。
2.2导数
导数是函数的局部性质，指一个函数在某一点附近的变化率，对函数 y = f ( x ) y=f(x) y=f(x)来说，他的导数可以用符号 f ′ ( x ) f'(x) f′(x)来表示，也可记为 d f ( x ) d x \frac{df(x)}{dx} dxdf(x)。
2.2.1导数和极限
对函数 f ( x ) = x 3 − 3 x 2 + 6 2 f(x)=\frac{x^3-3x^2+6}{2} f(x)=2x3−3x2+6，图像如下所示：
计算x=2处的导数可得：
f ′ ( 2 ) = lim h → 0 f ( 2 + h ) − f ( 2 ) h h 值： 1.0000000 , 极限值： 2.0000000 h 值： 0.1000000 , 极限值： 0.1550000 h 值： 0.0100000 , 极限值： 0.0150500 h 值： 0.0010000 , 极限值： 0.0015005 h 值： 0.0001000 , 极限值： 0.0001500 h 值： 0.0000100 , 极限值： 0.0000150 h 值： 0.0000010 , 极限值： 0.0000015 h 值： 0.0000001 , 极限值： 0.0000002 f'(2)=\lim_{h \to 0} \frac{f(2+h)-f(2)}{h}\\ h值：1.0000000,极限值：2.0000000\\ h值：0.1000000,极限值：0.1550000\\ h值：0.0100000,极限值：0.0150500\\ h值：0.0010000,极限值：0.0015005\\ h值：0.0001000,极限值：0.0001500\\ h值：0.0000100,极限值：0.0000150\\ h值：0.0000010,极限值：0.0000015\\ h值：0.0000001,极限值：0.0000002\\ f′(2)=h→0limhf(2+h)−f(2)h值：1.0000000,极限值：2.0000000h值：0.1000000,极限值：0.1550000h值：0.0100000,极限值：0.0150500h值：0.0010000,极限值：0.0015005h值：0.0001000,极限值：0.0001500h值：0.0000100,极限值：0.0000150h值：0.0000010,极限值：0.0000015h值：0.0000001,极限值：0.0000002
2.2.2导数和极限
常见导数计算公式：
常数函数 f ( x ) = C f ′ ( x ) = 0 f(x)=C \quad f'(x)=0 f(x)=Cf′(x)=0
幂函数 f ( x ) = x n f ′ ( x ) = n x n − 1 f(x)=x^n \quad f'(x)=nx^{n-1} f(x)=xnf′(x)=nxn−1
指数函数 f ( x ) = e x f ′ ( x ) = e x f(x)=e^x \quad f'(x)=e^x f(x)=exf′(x)=ex
对数函数 f ( x ) = l n ( x ) f ′ ( x ) = 1 x f(x)=ln(x) \quad f'(x)=\frac{1}{x} f(x)=ln(x)f′(x)=x1
2.3微分
微分是指对函数得局部变化的一种线性描述，自变量的微分记作 d x dx dx,函数 y = f ( x ) y=f(x) y=f(x)的微分记作 d y = d f ( x ) = f ′ ( x ) d x dy=df(x)=f'(x)dx dy=df(x)=f′(x)dx。
导数是微分的比值， f ′ ( x ) = d f ( x ) d x f'(x)=\frac{df(x)}{dx} f′(x)=dxdf(x)。
导数表示变化率(rate)，微分表示变化量(dy或dx)。
2.4偏导数
偏导数指的是多元函数在莫一点处关于某一变量的导数。
通常用符号 ∂ f ( x , y ) ∂ x \frac{ \partial f(x,y)}{\partial x} ∂x∂f(x,y)来表示多元函数 z = f ( x , y ) z=f(x,y) z=f(x,y)关于x的偏导数，即：
∂ f ( x , y ) ∂ x = lim h → 0 f ( x + h , y ) − f ( x , y ) h \frac{ \partial f(x,y)}{\partial x}=\lim_{h \to 0} \frac{f(x+h,y)-f(x,y)}{h} ∂x∂f(x,y)=h→0limhf(x+h,y)−f(x,y)
2.5梯度
梯度可以理解为一个包含所有偏导数的向量，符号是 ∇ \nabla ∇
对函数 z = f ( x , y ) = x 2 + y 2 z=f(x,y)=x^2+y^2 z=f(x,y)=x2+y2来说，它的梯度向量是:
∇ f ( x , y ) = ( 2 x , 2 y ) \nabla f(x,y)=(2x,2y) ∇f(x,y)=(2x,2y)
梯度下降算法中，参数更新公式为（其中 η \eta η为学习率）：
θ t + 1 = θ t − η ∇ θ J ( θ t ) \theta _{t+1}=\theta _{t}-\eta \nabla {\theta} \mathcal{J}(\theta{t}) θt+1=θt−η∇θJ(θt)
2.6链式法则
链式法则是用来计算复合函数导数的。
假设对实数x，有可微函数f和g，其中 z = f ( y ) , y = g ( x ) z=f(y),y=g(x) z=f(y),y=g(x)那么，链式法则公式如下：
d z d x = d z d y ⋅ d y d x \frac{dz}{dx}=\frac{dz}{dy}·\frac{dy}{dx} dxdz=dydz⋅dxdy
所谓的链式法则，就是一层一层增加可以"相互抵消"的分子分母。
有函数 f ( x ) = x 2 f(x)=x^2 f(x)=x2和 g ( x ) = x + 1 g(x)=x+1 g(x)=x+1，计算 h ( x ) = f ( g ( x ) ) = ( x + 1 ) 2 h(x)=f(g(x))=(x+1)^2 h(x)=f(g(x))=(x+1)2的导数，可得：
h ′ ( x ) = f ( g ( x ) ) ⋅ g ′ ( x ) = 2 ( x + 1 ) ⋅ 1 = 2 x + 2 \begin{align*} h'(x)&=f(g(x))·g'(x) \\ &=2(x+1)·1 \\ &=2x+2 \end{align*} h′(x)=f(g(x))⋅g′(x)=2(x+1)⋅1=2x+2
3.概率
概率是一种用来描述随机事件发生的可能性的数字度量。
概率并不客观存在。
概率是一种不确定性的度量。
3.1概率和深度学习
概率可以用来表示模型的准确率（错误率） 。
概率可以用来描述模型的不确定性 。
概率可以作为模型损失的度量。
3.2概率的研究
频率学派------愚公移山的智慧（多次实验）。代表人物Jakob Bernoulli。
频率学派计算公式如下：
P n ( x ) = n x n P ( x ) = lim n → ∞ P n ( x ) \begin{align*} P_n(x)&=\frac{n_x}{n}\\ P(x)&=\lim_{n \to \infty}P_n(x) \end{align*} Pn(x)P(x)=nnx=n→∞limPn(x)
古典学派------平均主义的倡导者。
无法掌握先验知识的情况下，未知事件发生的概率都是相等的。其公式如下（其中m是x包含基本事件的个数，n是基本事件的总数）：
P ( x ) = m n \begin{align*} P(x)&=\frac{m}{n} \end{align*} P(x)=nm
贝叶斯学派------探索未知世界的观察者。
频率学派认为概率是随机性，贝叶斯派认为概率是不确定性。
概率是个人的主观概念，表面我们对事务的相信程度，通过观测得到的数据对结果进行更新，从而得到更为准确的估计。
3.3概率和统计
概率研究的是一次事件的结果。
统计研究的是总体数据的情况。
概率是统计的基础，统计则根据观测的数据反向思考其数据生成过程。
3.3.1事件(Event)
事件相当于实验的结果。
随机事件其实是一次或多次随机试验的结果。
事件的基本属性包括：可能性，确定性，兼容性。
依赖事件指的是事件的发生受其他事件影响。
独立事件指的是事件的发生与其他事件无关。
3.3.2随机变量和概率分布
随机变量是概率统计中用来表示随机事件结果的变量。
随机标量包括离散随机变量和连续随机变量。
概率分布用来描述随机变量的分布情况。
3.3.3概率密度
概率密度（probability density）是一种描述概率分布的函数。它表示在某一区间内取一个特定值的概率。
概率 = 概率密度曲线下的面积(CDF，cumulative probability density function)。
正态分布概率密度函数如下：
f ( x ) = ( 1 2 π σ 2 e x p ( − x − μ 2 2 σ 2 ) ) \begin{align*} f(x)=(\frac{1}{\sqrt{2 \pi \sigma^2}}exp(-\frac{x-\mu^2}{2 \sigma^2})) \end{align*} f(x)=(2πσ2 1exp(−2σ2x−μ2))
3.3.4联合概率和条件概率
联合概率是指同时发生两个或多个事件的概率，记为 P ( A , B ) P(A,B) P(A,B)。
条件概率是指在某个条件下发生某个事件的概率，记为 P ( A ∣ B ) P(A|B) P(A∣B)。
联合概率和条件概率相互转化：
P ( A , B ) = P ( A ∣ B ) P ( B ) P ( A ∣ B ) = P ( A , B ) P ( B ) \begin{align*} P(A,B)&=P(A|B)P(B)\\ P(A|B)&=\frac{P(A,B)}{P(B)} \end{align*} P(A,B)P(A∣B)=P(A∣B)P(B)=P(B)P(A,B)
3.4贝叶斯定理
贝叶斯定理表明在已知条件概率的情况下，可以推导出联合概率。常用于根据已知信息推测未知信息的场景，公式如下：
P ( A ∣ B ) = P ( B ∣ A ) P ( A ) P ( B ) \begin{align*} P(A|B)=\frac{P(B|A)P(A)}{P(B)} \end{align*} P(A∣B)=P(B)P(B∣A)P(A)
其中 P ( A ) P(A) P(A)和 P ( B ) P(B) P(B)称为先验概率， P ( B ) P(B) P(B)为Evidence， P ( A ) P(A) P(A)为prior， P ( A ∣ B ) P(A|B) P(A∣B)称为后验概率posterior， P ( B ∣ A ) P(B|A) P(B∣A)称为可能性likelihood。
3.5极大似然估计
Maximum Likelihood Estimation，MLE：利用已知的样本结果，反推最优可能导致这样结果的参数，即找到参数的最大概率取值。
对于给定的样本集 X = x 1 , x 2 , . . . , x n X={x_1,x_2,...,x_n} X=x1,x2,...,xn我们需要估计参数向量 θ \theta θ，此时可以计算似然函数 L ( θ ) L(\theta) L(θ)，等于联合概率密度函数 p ( X ∣ θ ) p(X|\theta) p(X∣θ)。公式表示如下：
L ( θ ) = p ( X ∣ θ ) = ∏ i = 1 n p ( x i ∣ θ ) \begin{align*} L(\theta)=p(X|\theta)=\prod_{i=1}^{n}p(x_i|\theta) \end{align*} L(θ)=p(X∣θ)=i=1∏np(xi∣θ)
