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一粒金砂（中级）

楼主

发表于2024-12-10 20:04 只看该作者

《深度学习的数学——使用Python语言》1. 环境搭建 [复制链接]

<div class='showpostmsg'>非常感谢电子工程世界提供了这样一个宝贵的学习机会！恰好近期在项目中需要借助深度学习解决实际问题。虽然已经接触过一些基础知识，但在原理层面的理解仍然不够透彻。因此，我希望通过这本书能够补全短板，为后续工作提供理论支撑和实践指导。
# 图书展示

<ignore_js_op>

<img style="cursor:pointer;" id="aimg_869483" aid="869483" src="static/image/common/none.gif" onclick="zoom(this, this.getAttribute('zoomfile'), 0, 0, '0')" zoomfile="data/attachment/forum/202412/10/195756lclrmw91mlno1qco.jpg" file="data/attachment/forum/202412/10/195756lclrmw91mlno1qco.jpg.thumb.jpg" inpost="1" onmouseover="showMenu({'ctrlid':this.id,'pos':'12'})" />

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_869483_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>1.jpg</strong> <em class="xg1">(595.71 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_869483" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=869483&handlekey=savephoto_869483">保存到相册</a>

</p>

<p class="xg1 y"><span title="2024-12-10 19:57">3天前</span> 上传</p>

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<div class="tip_horn"></div>
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</ignore_js_op>

<ignore_js_op>

<img style="cursor:pointer;" id="aimg_869484" aid="869484" src="static/image/common/none.gif" onclick="zoom(this, this.getAttribute('zoomfile'), 0, 0, '0')" zoomfile="data/attachment/forum/202412/10/195756ytdb8dktsdpvyd8e.jpg" file="data/attachment/forum/202412/10/195756ytdb8dktsdpvyd8e.jpg.thumb.jpg" inpost="1" onmouseover="showMenu({'ctrlid':this.id,'pos':'12'})" />

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_869484_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>2.jpg</strong> <em class="xg1">(443.85 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_869484" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=869484&handlekey=savephoto_869484">保存到相册</a>

</p>

<p class="xg1 y"><span title="2024-12-10 19:57">3天前</span> 上传</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

以下是图书的内容概要：

<ignore_js_op>

<img style="cursor:pointer;" id="aimg_869485" aid="869485" src="static/image/common/none.gif" onclick="zoom(this, this.getAttribute('zoomfile'), 0, 0, '0')" zoomfile="data/attachment/forum/202412/10/195757kbytw9898y99o59x.jpg" file="data/attachment/forum/202412/10/195757kbytw9898y99o59x.jpg.thumb.jpg" inpost="1" onmouseover="showMenu({'ctrlid':this.id,'pos':'12'})" />

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_869485_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>3.jpg</strong> <em class="xg1">(143.55 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_869485" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=869485&handlekey=savephoto_869485">保存到相册</a>

</p>

<p class="xg1 y"><span title="2024-12-10 19:57">3天前</span> 上传</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

这本书并不是一部深度学习的入门教程，而是一部为读者解决实际问题铺路的“数学武器库”。它系统地讲解了构建和训练神经网络所需的核心数学知识，包括 概率论、线性代数和微积分 等。同时，它还深入浅出地阐述了神经网络的工作原理和训练机制，帮助我们在了解基础数学的同时，更好地理解深度学习模型背后的逻辑。
需要注意的是，本书对读者的知识储备有一定要求——建议在学习本书之前对深度学习有初步的了解。
# 环境搭建
书中推荐的Python版本为 3.8.5，当然更高版本也可以兼容。需要安装的核心工具包包括：
- numpy：科学计算的基础库，处理多维数组和矩阵运算的利器；
- scipy：高级科学计算库；
- matplotlib：用于绘图和数据可视化；
- scikit-learn：提供经典机器学习模型和数据处理工具。
以上工具通过 pip 命令即可轻松安装：
```bash
pip install numpy scipy matplotlib scikit-learn
```
# 基础工具使用
在第一章中，详细介绍了numpy工具的使用，并简要介绍了scipy、matplotlib，在最后使用scikit-learn完成了一个简单的手写数字识别网络。我们主要来学习一下numpy的使用。
## numpy
numpy 是科学计算的核心工具。在使用之前，我们首先需要将numpy模块导入：
```python
import numpy as np
```
### 定义数组
Numpy以数组为运算对象，可提供了将 Python 列表快速转换为数组的方法，并可通过 shape 和 size 查看数组形状与大小，首先以一维数组为例：
```python
a = np.array([1,2,3,4])
a
a.shape
a.size
```

<ignore_js_op>

<img id="aimg_869487" style="cursor:pointer;" aid="869487" src="static/image/common/none.gif" zoomfile="data/attachment/forum/202412/10/200137orry2ttty2jvtcpt.png" file="data/attachment/forum/202412/10/200137orry2ttty2jvtcpt.png" class="zoom" onclick="zoom(this, this.src, 0, 0, 0)" width="251" id="aimg_869487" inpost="1" onmouseover="showMenu({'ctrlid':this.id,'pos':'12'})" />

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_869487_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>4.png</strong> <em class="xg1">(5.08 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_869487" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=869487&handlekey=savephoto_869487">保存到相册</a>

</p>

<p class="xg1 y"><span title="2024-12-10 20:01">3天前</span> 上传</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

之后我们尝试更高维的数组

<ignore_js_op>

<img id="aimg_869488" style="cursor:pointer;" aid="869488" src="static/image/common/none.gif" zoomfile="data/attachment/forum/202412/10/200138fm0rwyg9wqyzy0qm.png" file="data/attachment/forum/202412/10/200138fm0rwyg9wqyzy0qm.png" class="zoom" onclick="zoom(this, this.src, 0, 0, 0)" width="346" id="aimg_869488" inpost="1" onmouseover="showMenu({'ctrlid':this.id,'pos':'12'})" />

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_869488_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>5.png</strong> <em class="xg1">(9.64 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_869488" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=869488&handlekey=savephoto_869488">保存到相册</a>

</p>

<p class="xg1 y"><span title="2024-12-10 20:01">3天前</span> 上传</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

这里我们使用到了np.arrange函数，它的作用类似于python中的range，之后我们将它reshape成了形状为（3，2，2）的数组。
### 数据类型
由于numpy底层是用C实现的，因此其支持C中的所有数据类型，包括：float64、float32、int64、uint64、int32、uint32、uint8等。
在创建数组时，numpy默认情况下会根据数据自动推断类型。但是与在C中类似，我们需要注意数据溢出的情况，在高精度计算或防止溢出时，可以手动指定数据类型，从而避免运算错误。
下面是对uint8类型的数组赋了一个500的值，
```python
a= np.array([1,2,500],dtype="uint8")
```

<ignore_js_op>

<img style="cursor:pointer;" id="aimg_869489" aid="869489" src="static/image/common/none.gif" onclick="zoom(this, this.getAttribute('zoomfile'), 0, 0, '0')" zoomfile="data/attachment/forum/202412/10/200138k1zdt9tkkuov461v.png" file="data/attachment/forum/202412/10/200138k1zdt9tkkuov461v.png.thumb.jpg" inpost="1" onmouseover="showMenu({'ctrlid':this.id,'pos':'12'})" />

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_869489_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>6.png</strong> <em class="xg1">(20.44 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_869489" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=869489&handlekey=savephoto_869489">保存到相册</a>

</p>

<p class="xg1 y"><span title="2024-12-10 20:01">3天前</span> 上传</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

可以看到系统只是给出了一个警告，但是并没有报错。但是打印出来的数据中500变成了244，这是由于numpy默认只保留这个数的最后8位。
### 数据索引
在numpy中，其还支持复杂的索引方式，常用的是使用单个索引查询整个子数组：
```
a=np.arange(12).reshape((3,2,2))
a[1]
a
```

<ignore_js_op>

<img id="aimg_869490" style="cursor:pointer;" aid="869490" src="static/image/common/none.gif" zoomfile="data/attachment/forum/202412/10/200138zznu60yiyg6py6dy.png" file="data/attachment/forum/202412/10/200138zznu60yiyg6py6dy.png" class="zoom" onclick="zoom(this, this.src, 0, 0, 0)" width="363" id="aimg_869490" inpost="1" onmouseover="showMenu({'ctrlid':this.id,'pos':'12'})" />

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_869490_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>7.png</strong> <em class="xg1">(8.12 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_869490" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=869490&handlekey=savephoto_869490">保存到相册</a>

</p>

<p class="xg1 y"><span title="2024-12-10 20:01">3天前</span> 上传</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

此外，类似于python，还支持切片索引的方式

<ignore_js_op>

<img id="aimg_869491" style="cursor:pointer;" aid="869491" src="static/image/common/none.gif" zoomfile="data/attachment/forum/202412/10/200138oxsqe089qw10wzds.png" file="data/attachment/forum/202412/10/200138oxsqe089qw10wzds.png" class="zoom" onclick="zoom(this, this.src, 0, 0, 0)" width="393" id="aimg_869491" inpost="1" onmouseover="showMenu({'ctrlid':this.id,'pos':'12'})" />

<div class="tip tip_4 aimg_tip" id="aimg_869491_menu" style="position: absolute; display: none" disautofocus="true">
<div class="xs0">
<p><strong>8.png</strong> <em class="xg1">(3.96 KB, 下载次数: 0)</em></p>
<p>
<a href="javascript:;" class="loginf" >下载附件</a>

<a href="javascript:;" onclick="showWindow(this.id, this.getAttribute('url'), 'get', 0);" id="savephoto_869491" url="home.php?mod=spacecp&ac=album&op=saveforumphoto&aid=869491&handlekey=savephoto_869491">保存到相册</a>

</p>

<p class="xg1 y"><span title="2024-12-10 20:01">3天前</span> 上传</p>

</div>
<div class="tip_horn"></div>
</div>

</ignore_js_op>

### 数据保存与读取
numpy支持使用np.load和np.save进行数据的读取和保存。其中数组文件必须保存为".npy"为后缀，如果没有指定，其会自动添加该后缀。
```python
np.save('a.npy',a)
np.load('a.npy')
```
# 阅读感悟
第一章不仅让我重新认识了 Numpy 的强大功能，也让我对深度学习中数据处理的重要性有了更深的理解。作为数学工具，它为后续模型的搭建和训练奠定了坚实的基础。
期待接下来的学习中，能够进一步掌握概率论与微积分在深度学习中的具体应用，同时提升自己解决实际问题的能力！</div><script>					var loginstr = '<div class="locked">查看本帖全部内容，请<a href="javascript:;"   style="color:#e60000" class="loginf">登录</a>或者<a href="https://bbs.eeworld.com.cn/member.php?mod=register_eeworld.php&action=wechat" style="color:#e60000" target="_blank">注册</a></div>';
					
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