AI大模型学习笔记｜神经网络与注意力机制（逐行解读）

来源分享链接：通过网盘分享的文件：详解神经网络是如何训练的
链接: https://pan.baidu.com/s/12EF7y0vJfH5x6X-0QEVezg 提取码: k924
内容摘要：本文深入探讨了神经网络与注意力机制的基础，以及神经网络参数训练的过程。以鸢尾花数据集为例，详细讲解了通过反向传播算法调整网络权重和偏置以最小化损失函数的方法。讨论涵盖了权重初始化、损失函数定义、选择优化器、前向传播和反向传播，以及模型性能评估。特别强调了从线性函数到多分类问题时，使用Softmax函数和交叉熵损失函数进行优化的重要性。本文细致讲解机器学习模型原理及其实现过程对初学者的必要性，确保模型在训练和测试集上的表现，并讨论了模型收敛的判断标准，旨在鼓励深入理解机器学习的核心概念。
备注：学习使用并不商用，若有侵权联系删除。

（1）神经网络和Attention机制参数训练过程详解

1. 对话开始于探讨神经网络和注意力机制的基本概念后，转而深入讨论这些模型内部参数的具体训练方法，突出了对抽象训练过程的需要解析。

2. 为了具体化这一抽象概念，讨论中引入了著名的“鸢尾花数据集”作为实例，这是一个用于分类任务的经典数据集，包含花瓣长度、花瓣宽度、花萼长度和花萼宽度等特征。

3. 在讨论中明确了，通过使用如鸢尾花这样的数据集，可以实际演示神经网络模型如何学习从输入特征中提取有意义的表示，并最终进行准确的分类任务，从而具体化了模型训练的过程和目标。

1. 我们计划在运行时加载数据，而不是一开始就启动程序，这是出于对GPU资源的考虑，因为我们无法使用GPU。

2. 所选择的数据加载自SK learn库，具体是通过调用load erris函数，随后从返回的数据集中选择前四列作为特征，而目标标签则取自最后一列。

3. 为了便于可视化，我们将处理后的数据转换并存入Pandas的DataFrame中，这样在打印时即可直接呈现可视化效果。

4. 通过应用train test split函数，我们将原始数据集划分为训练集和测试集，分别命名为data chain和data test，这为模型训练和评估提供了基础。

• （2）构建基于Python的神经网络函数实例

1. 对话内容始于讨论一个名为“WW1到W4”的过程，这个过程初期包含随机元素，目标是通过学习调整这些元素，使它们能够准确地将一组输入X1到X4映射到正确的输出Y。

2. 为了实现这一目标，决定使用Python编程语言来定义这样一个学习过程。这涉及到利用Python的PyTorch库，因为PyTorch提供了构建和训练神经网络的强大工具。

3. 首先，引入PyTorch库并从其中导入神经网络（NN）模块，这标志着正式进入神经网络的构建与训练领域。

4. 定义了一个名为“FE”的类，这个类是神经网络模块的实例，旨在封装和表达整个学习过程中的F函数，即输入X到输出Y的映射规则。

5. 这个“FE”类被设计为继承自PyTorch的某个特定模块（这里标记为NN点19），这确保了它能够利用神经网络的高级功能，包括前向传播、反向传播和参数优化等核心机制。

1. 构造函数首先必须调用父类的构造函数，初始化对象属性，如W1到W4和B，通过直接赋值方式设定，例如W1设为0.1，被视为参数；同样地，W2、W3、W4和B也被初始化，确保了网络层参数的预设。

2. 在定义好的构造函数内，参数W1到W4和B被明确设定，使用具体数值如0.1、0.2等，这些数值被初始化并作为网络层的基础权重和偏置。

3. 运算流程的定义集中于`forward`方法中，这是网络层的关键执行点，接收输入X1到X4作为参数，并返回相应的输出结果，表明了数据流的处理逻辑和最终输出形式。

4. `forward`方法接收四个输入参数X1到X4，表明了网络层处理输入数据的结构和方式，即如何将输入信号通过定义好的权重和偏置进行计算，最终得到输出。

1. 创建了一个名为F1的类实例，并尝试调用它，传递了X1、X2、X3、X4四个参数（5.1, 3.5, 1.4, 0.2），预期得到一个不为零的Y值（1.7100），但实际结果不符合预期。

2. 由于初始函数实现较为冗余，即重复了W1到W4的写法，提议通过将W1到W4合并到一个向量中来改进函数设计，以简化代码并提高效率。

3. 本次对话未直接说明如何具体改进函数，但强调了优化函数结构的重要性，以避免重复代码并可能提高算法的执行效率。

• （3）改进函数以实现向量化处理

1. 对话内容描述了如何将W1和W4合并成一个向量W，并使用这个向量与输入向量X进行点乘运算，点乘实质上是W与X的逐元素相乘再求和，加上传递偏置B得到最终结果。

2. 此过程简化了之前的复杂描述，通过向量和矩阵的运算，使得神经网络中的层计算更加高效和清晰。

3. 进一步解释了点乘操作如何在神经网络中实现不同权重与输入特征的加权求和，这是一层神经网络的核心计算步骤。

4. 提及了偏置项B在神经网络计算中的作用，它为神经元的输出提供了固定的偏移量，增强了模型的表达能力。

5. 讨论了单条数据处理与批量数据处理的区别，指出批量处理可以提高计算效率，减少重复计算，是训练神经网络时常用的优化手段。

1. 对话内容开始于描述一系列数据点，如“这是第一条数据，这是第二条数据，这是第三条数据”，这表明了数据的采集或准备过程。

2. 接着讨论了如何使用参数向量W来计算数据的输出，特别指出W是一个列向量，然后需要对其进行转置以便进行矩阵乘法操作，从而“拿W这一行乘上这一个batch”。

3. 计算过程描述为通过矩阵乘法操作，将单个W向量与一批（batch）数据进行运算，目的是为了批量计算多个数据点对应的F值，即“批量的把三条数据的对应的F都算出来了”。

4. 最后，整个过程的结果会被整合到一个向量中，这表明最终输出是一个集合了所有输入数据经过计算后的向量形式，反映了模型对整个批次数据的综合处理结果。

• （4）定义和计算损失函数

1. 对话首先定义了D表示包含所有错误数据集的数据集，X代表数据集的前四列特征，Y表示最后一列的标签或目标值，这表明了在机器学习或数据分析中如何使用数据集的不同部分。

2. 提到计算过程涉及对每一条数据对X进行预测以得到FX（预测值），然后计算预测值与实际值Y（YI）之间的差异，并将这个差异平方，最终对所有数据点的平方误差求平均，得到均方误差(MSE)，这个过程是评估模型预测性能的一种常用方法。

3. 计算均方误差(D)时，涉及对所有数据点的平方误差求平均，这一步骤确保了误差评估的全面性和一致性，反映了模型在数据集上的整体表现。

4. 对话中指出，通过遍历数据集中的每一条数据，分别计算预测值与真实值之间的均方误差，最后对所有误差求平均，这种方法可以客观、公正地评估模型预测的准确性。

5. 这段对话强调了在评估机器学习模型性能时，均方误差（MSE）作为关键指标的重要性，它不仅衡量了预测值与实际值之间的差距，而且通过求平均确保了评估的全面性和模型预测的可靠性。

1. 对话内容涉及到的是一个数据分析和机器学习的过程，特别是关于如何处理数据集进行训练。

2. 在这个过程中，数据是以batch的形式被处理的，每次处理的数据量是四条，即每批数据包含四条记录。

3. 训练集（data train）是一个pandas对象，通过iloc进行数据提取，这里提到的是从数据的第四行开始取到第八行，并且选取除了最后一列之外的所有列，实际上就是选取了前四列作为特征。

4. 这样的操作结果是生成了一个四行四列的矩阵（X），其中四行代表四条数据记录，四列代表了四种特征（如花瓣长度、宽度等）；同时，从原数据的最后一列提取出Y值，作为目标变量。

5. 训练过程中，通过将构建好的X batch（特征数据）输入到模型中，模型能够计算出每个X batch对应的Y预测值，这些预测值与实际的Y值（真实标签）一起被用来计算损失（误差），从而帮助模型学习和优化。

1. 对话内容开始于讨论如何将数据集处理并放入一个列表中，以便进行后续的损失计算。

2. 讨论了在完成整个数据集的遍历后，需要将这个列表中的所有损失值加起来，但重要的是，提到了由于损失函数中包含“mean”，实际上只对一个批次的损失进行了求和，没有除以总数，这一点需要更正，应该对损失列表的长度进行除法，从而得到平均损失。

3. 提及了代码尚未执行，需要从当前指向上继续运行，这暗示了之前提到的概念和函数需要被实现。

4. 对话涉及了关于如何定义和运行批量化函数，讨论了批量化在机器学习中的重要性，以及如何实现数据集的向量化处理。

5. 最后，计算了在特定参数设置（W1为0.1，W4为0.4）下的损失值，得到了112.3935作为整个训练集上的损失，这表明损失计算已经完成，并对所获得的损失值表示确认。

• （5） 使用优化器更新模型参数降低损失值

1. 对话中讨论的主题是优化器在深度学习中的应用，特别提到了一种常用的优化器：i dw优化器。

2. 在使用优化器时，需要向它传递参数，这些参数通常是由模型的权重和偏置组成，这里称为F点parameters，即W的参数。

3. 传递给优化器的参数可以通过调用对象的parameters方法实现，这样可以方便地将模型的所有可学习参数一次性传递给优化器，而无需手动列出每一个参数。

4. 优化器中还有一个关键参数是学习率，它决定了参数更新的步长大小。在这个对话中，学习率被设定为0.1，意味着每次更新时，参数会按照这个固定的比例进行调整。

1. 对话内容涉及到计算损失函数(total loss)关于参数(W和B)的梯度的过程。

2. 损失函数用于评估模型预测值与实际值之间的差异，其梯度用于指导参数优化。

3. 在计算梯度后，系统执行了“backward pass”但未进行参数优化，仅计算了梯度。

4. 计算梯度的步骤是自动完成的，为下一步的参数更新做好准备，优化步骤尚未执行。

1. 对话内容主要讨论了在机器学习和神经网络训练过程中，如何通过计算损失函数（Loss）关于权重（W）和偏置（B）的梯度来优化参数的过程。

2. 梯度是一个与参数W和B形状相同的东西，它指示了参数在哪个方向上改变时，损失函数L的减少量最大。

3. 计算出的梯度表示了权重和偏置的最佳更新方向，通过这些梯度，可以精确地知道参数应该如何调整以最小化损失函数。

4. 优化器（Optimizer）是一个预先定义的算法，用于根据计算出的梯度更新权重和偏置，其目的是沿着梯度的反方向调整参数，从而逐步减小损失函数的值。

5. 优化过程涉及计算损失函数关于权重和偏置的梯度，然后使用与权重和偏置绑定的优化器来执行梯度下降或上升的步骤，以实现参数的优化。

1. 对话开始时，数值序列从0.0递增至0.4。

2. 数值序列随后发生了变化，第一个数值变为-1乘以10的负4次方，第二个数值变为9.98乘以10的负2次方，第三个数值变为1.997。

3. 在描述变化的过程中，提到了B的值从零变化到了-0.1。

4. 对话中提到，之前调整学习率时，W中的每个值都减小了0.1，同时B也减小了。

1. 对话首先关注的是当前loss值降低至6.8，较之前的120多有了显著优化，这说明模型训练方向正确且效果明显。

2. 讨论提到需要再次运行网络以计算输出的Y值，这个过程与之前的步骤完全一致，仅是重复验证了模型的运作逻辑。

3. 训练优化过程被强调，通过多轮训练，观察到loss值显著下降，显示模型学习能力较强，对数据的适应性提升。

4. 讲述了遍历数据集的策略，即通过循环多次遍历整个数据集来加强模型的学习，总共执行100个epoch，即遍历数据集100次，以此加深模型对数据的理解和掌握。

5. 最后提及了每轮遍历后记录每个batch的loss值，并最终计算出整个数据集的总loss值，之后进行反向传播和优化，这是深度学习训练过程中的关键步骤，确保模型参数调整以最小化loss。

• （6）详细描述AI训练过程和结果

1. 在深度学习训练过程中，每次backward操作会计算梯度，但这些梯度会被累积在PyTorch的后台，不会直接显示给用户。

2. 累积梯度有助于更稳定地更新模型参数，尤其是在使用动量优化算法时，但需要定期清空累积梯度以避免累积误差的积累。

3. Zero gradient是清空累积梯度的过程，以便计算新的梯度并进行参数更新，保持训练过程的正确性和有效性。

4. 通过累积多个梯度再进行一次优化步骤，可以在一定程度上增强模型的收敛性能，但这要求在累积梯度后不立即更新参数，以利用累积梯度的益处。

5. 训练过程中的结果显示，初始梯度（6.8级）并非全局最优解，随着训练的进行，模型逐渐找到更好的解（如33.59和41.32），这表明最初的解是一个局部最优解，并非最终的最优解。

1 我们可以提供咨询服务，并通过这种方式获得收入，市场上可能缺乏如此清晰详尽且耐心撰写的内容，许多人默认认为受众已经了解很多基础知识，但实际上我们假设受众对所有内容都是一无所知。

2 在我们的服务中，我们致力于将所有相关信息条理清晰地整理出来，不留下任何遗漏，即便是那些通常被认为是常识性的东西，我们也会详细解释，确保每位客户都能获得完整的知识体系。

3 训练模型或进行测试时，我们直接应用了先前在软件工程领域积累的经验，尽管没有将其封装成可供复用的函数，但这并不影响我们对流程的掌握和实践应用。

• （7） 训练与测试流程分析

1. 对话内容描述了将训练数据转换为测试数据的过程，其中X代表测试集的一个批次，y代表对应的标签批次。

2. 测试集的批次通过模型F进行预测，产生的预测值被添加到列表中，同时真实标签也被添加到另一个列表中。

3. 计算了预测值与真实值之间的损失，这个损失是针对测试集计算的，展示了模型在未知数据上的表现。

4. 测试集上的损失值很小，经过平均化处理后为0.09，即使未做平均处理，损失值也应该接近，显示出模型在测试集上的良好性能。

5. 有趣的是，测试集只包含训练集的约1/9，尽管如此，模型在测试集上的表现与训练集上的表现相当，仅略有差异，可能是因为测试集的规模较小导致的。

1. 对话中讨论了在训练集和测试集上进行模型训练的过程。

2. 训练和测试的损失值分别为1.6多和0.16多，这表明模型在训练集上表现较好，但在测试集上的表现更接近预期。

3. 虽然损失值能提供一定参考，但准确率是评估模型性能更为关键的指标。

4. 通过将预测值与真实值分别放入两个列表，可以计算出模型的准确率，从而更准确地评估模型性能。

5. 讨论强调了预测值是连续的数值，例如1.23这种形式，而不是离散的分类标签，这影响了评估指标的选择和计算方式。

• （8）评估模型准确率方法

1. 对话内容涉及到将数值进行四舍五入处理，以将其转换为整数分类。

2. 使用round函数实现四舍五入，将非整数预测值转换为整数，便于分类分析。

3. 经过四舍五入处理后，预测值变为整数形式，如102等，而非小数形式。

4. 对比处理前后，发现使用round函数进行四舍五入后，分类准确率达到了百分之百。

5. 通过调整预测值的格式（通过四舍五入至最近的整数），可以提高分类任务的准确性和可理解性。

1. 预测值和真实值需要转换为向量形式，以便进行后续的比较操作。

2. 通过将预测值和真实值列表转换为NumPy数组，然后求和，得到一个布尔向量，该向量中的元素指示每个预测值与实际值是否相等。

3. 布尔向量通过计算其平均值，将布尔值转换为浮点数（其中True为1，False为0），进而得到预测准确率的数值。

4. 这一过程涉及到将逻辑判断（预测与实际是否相同）转换为数值计算，便于量化模型的预测精度。

5. 算法的关键在于将分类预测结果的比较转换为数值处理，以获得模型预测的准确率。

• （9） 改进分类预测模型的方法

1. 对于不同类别的预测，简单地将预测值设为零，并根据真实值计算损失，会显得对不同类别不公平。比如，预测错误时，真实值为1的损失是1，而真实值为2的损失变成了2，这似乎认为更大的错误应该受到更严重的惩罚，但这样对所有类别来说并不公平。

2. 为了更加公平地处理分类问题，我们不应该直接输出代表类别的具体值，而是输出每个类别的概率，形成一个概率分布。这种方式可以让模型在预测时考虑到每个类别的可能性，从而避免了简单数值比较的不足，更加准确地反映模型对每个类别的判断力度。

1. 对话内容描述了在机器学习模型中，对于多分类问题，如何通过softmax函数确保输出概率之和为1。首先，假设每个样本属于不同类别的概率分别为Y1、Y2、Y3，这些概率是由输入数据X经过线性变换（WX+b）得到的，其中W是一个4x3的权重矩阵，X是一个4维的特征向量，b是偏置向量，确保最终输出是三行一列的向量。

2. 在线性变换后，直接得到的概率输出并不一定满足所有概率加和为1的条件。因此，需要应用softmax函数对这些概率进行调整，确保输出的概率值构成一个概率分布，即Y1、Y2、Y3相加等于1，这样每个类别的概率才符合统计学中的要求。

3. softmax函数的工作原理是将每个原始概率值通过指数函数计算后再做归一化处理，即对于每个类别i，新的概率计算公式为 exp(Yi) / Σ(exp(Yj))，其中j遍历所有类别。这样处理后，即使原始概率值很大或很小，经过softmax后也会得到一个合理的概率分布。

4. 实现这一思路时，银行W（假设为一个4x3的矩阵）确实是一个关键参数，它决定了特征X通过线性变换后，如何影响最终每个类别的概率输出。W的每个元素都对输出概率有直接影响，因此在训练模型时，W会通过反向传播算法来不断调整，以最小化预测概率与实际类别标签之间的差异。

5. 整个过程强调了在多分类问题中，正确地设计和应用softmax函数对于获得准确且具有实际意义的概率预测的重要性。通过这一机制，模型可以有效地为每个类别分配合理的概率，从而提高预测的准确性和可靠性。

1. 对话中讨论了在编程中使用softmax函数的情况，特别提到了输入数据的结构和维度选择的问题。

2. 在softmax函数的应用中，一个具体的例子是将输入数据x初始化为-1，讨论了关于数据归一化的问题，即确保数据在特定维度上的和为1。

3. 提到了在指定维度进行归一化时，可以选择让每一行或每一列的元素和为1，具体通过调整索引（如使用-1或-2）来实现。

4. 解释了在多维数组中选择指定维度进行归一化的重要性，特别是在处理行和列时的区别，以及如何通过索引-1或-2来达到让行或列的元素和为1的目的。

5. 对于多维数组操作的理解和解释，强调了在进行归一化时，选择正确的维度（第一维或第二维，即正数1或负数-1）以确保每一行或每一列的元素和为1，从而实现正确的数据归一化效果。

1. 对话内容涉及到概率的讨论，但未详细说明各类概率的具体含义及其应用背景。

2. 提及了“第一类、第二类、第三类的概率”，表明讨论中包含至少三个不同类型的概率分析或场景，但未进一步阐述这些类别所代表的具体内容。

3. 提到“随机的矩阵”生成，暗示了讨论中用到了随机数矩阵的概念，用来模拟或分析不确定事件。

4. 强调了不需要实际书写整个矩阵，而是通过“touch点random”这一方式，即通过随机函数快速生成矩阵，体现出对效率和灵活性的关注。

5. 在描述矩阵尺寸时出现了一些混淆，如“三行四晕了，三行四列是吧”，随后更正为“三行四列”，说明了生成的是一个3行4列的矩阵，这可能指向了生成随机矩阵过程中对矩阵维度的特定要求或测试。

1 对话开始时讨论了神经网络中输入和输出维度的设定，明确输入为四维（花瓣长度、花瓣宽度、花瓣高度），输出为三维（代表不同类别的概率）。

2 在描述网络架构时，提到了使用“四三”来表示模型，即输入四维，输出三维，清晰地定义了网络的输入输出结构。

3 讨论了如何将输入X传递给线性层（linear），说明了通过直接将X与权重W相乘并加上偏置B来计算输出，这一过程封装在W和B中，生成了不同类别的概率。

4 在解释网络输出时，强调了线性层的输出是三个概率值，这些概率代表了输入数据属于不同类别的可能性。

5 最后，提及了在查看模型参数时，“wait”被指出实际上指的是权重W，强调了模型参数在神经网络架构中的重要性。

• （10）假设模型输出与真实标签计算交叉熵损失

1. 对话首先建立在一个假设的基础上，即讨论的焦点是预测值与真实值的对比，这为后续的分析提供了前提条件。

2. 在这种假设的框架内，讨论转向了损失函数的讨论，特别提到了交叉熵作为计算损失的一种方法，表明了模型预测与实际结果差异的量化方式。

3. 对话中提到的预测概率值，如0.7，被用来具体化讨论，展示了如何根据预测概率来评估模型的性能。

4. 进一步解释了如何根据预测概率来判断模型的预测是否准确，通过比较不同类别的预测概率，比如预测为“二”的概率期望更高，这体现了分类任务中正例概率的重要性。

5. 最后，对话强调了在分类任务中，对于不同类别的样本，模型期望的预测概率分布是有区别的，这种区别体现在对不同类别预测概率的期望值上，以此来优化模型的分类性能。

1. 对话内容主要围绕着一个被索引的对象进行讨论，其中提到索引的具体数值。

2. 在对话中，提到了几个索引值，包括0.7、0.8和0.2，这些数值是被探讨和展示的。

3. 对话最后提及，所做操作是将这些数值直接提取出来，暗示了处理数据或信息的过程。

4. 通过对话可以推测，此段讨论可能是技术交流的一部分，涉及到数据处理或者索引查找的技术细节。

1. 对话内容主要探讨了损失函数在期望最大化和最小化过程中的应用，重点讨论了交叉熵作为损失函数的一种，及其在评估模型性能时的重要性。

2. 交叉熵被定义为负的对数概率的平均值，体现了模型预测概率与实际标签概率的差距，越小的交叉熵意味着模型预测更加准确。

3. 通过取负对数操作，交叉熵确保了当模型预测概率接近1（即预测正确）时，交叉熵值会显著降低，反之则升高，这有助于优化模型的学习方向。

4. 在讨论中，提到了通过求每个概率的对数再求和（或平均）的方式来计算交叉熵，这一过程直观地反映了模型在预测任务上的表现好坏，越小的交叉熵值意味着模型对数据的分类或回归越准确。

5. 综上所述，交叉熵作为一种损失函数，其值的大小直接关联着模型预测的准确性，是评估和调整模型的关键指标之一。

• （11）训练与评估一个模型的流程说明

1. 对话内容描述了机器学习模型训练和评估的一个循环过程，首先将输入变量X传递给预测函数F，而输出Y不是一个单一的预测值，而是一个预测分布。

2. 预测分布和实际的标签数据被送入交叉熵损失函数，该函数计算出一个衡量预测与真实值差异的损失值。

3. 计算出的损失与整个模型的其他损失项合并，形成总损失，这一过程之后是反向传播，以调整模型参数，优化预测性能。

4. 经过这一系列步骤，假设是3秒钟内完成了一轮训练，初始损失从较高的数值（如40多）下降到较低的数值（如6.07级），表明模型开始收敛，即学习过程有效。

5. 最后，为了评估模型的性能，会使用测试数据集进行同样的评估过程，确保模型不仅在训练数据上表现良好，而且在未见过的数据上也能有稳定的表现。

1. 对话讨论了如何处理浮点数(FX)作为概率值的过程，通过四舍五入将其转换为整数以匹配标签格式，此步骤为概率分布的创建奠定了基础。

2. 在获得四舍五入后的概率值后，选取概率最大的那个值所对应的位置作为分类标签，例如在01二三个位置中，最大概率的位置决定最终分类。

3. 根据最大概率值的位置，如果第一个位置的概率最高，则预测标签为1，体现了决策依据的确定性。

4. 为了评估模型性能，将预测值与真实值对比并记录于列表中，随后基于这些对比数据计算了损失值(loss)，反映了模型预测的准确性或偏差。

5. 计算准确率后得出结果为1.0，意味着在本次测试或评估的样本中，模型的预测完全准确，达到了100%的正确率，体现了良好的分类性能。