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让我们从机器学习谈起（下）

2018-09-20 16:24 作者：来源：飞鸟各投林推荐人：郭瑾浏览：145 我要评论

本文的主要目录如下：
1.一个故事说明什么是机器学习
2.机器学习的定义
3.机器学习的范围
4.机器学习的方法
5.机器学习的应用--大数据
6.机器学习的子类--深度学习
7.机器学习的父类--人工智能
8.机器学习的思考--计算机的潜意识
9.总结
10.后记

6.机器学习的子类--深度学习
    近来，机器学习的发展产生了一个新的方向，即“深度学习”。
    虽然深度学习这四字听起来颇为高大上，但其理念却非常简单，就是传统的神经网络发展到了多隐藏层的情况。
    在上文介绍过，自从90年代以后，神经网络已经消寂了一段时间。但是BP算法的发明人Geoffrey Hinton一直没有放弃对神经网络的研究。由于神经网络在隐藏层扩大到两个以上，其训练速度就会非常慢，因此实用性一直低于支持向量机。2006年，Geoffrey Hinton在科学杂志《Science》上发表了一篇文章，论证了两个观点：
　　1.多隐层的神经网络具有优异的特征学习能力，学习得到的特征对数据有更本质的刻画，从而有利于可视化或分类；
　　2.深度神经网络在训练上的难度，可以通过“逐层初始化” 来有效克服。

图16 Geoffrey Hinton与他的学生在Science上发表文章

    通过这样的发现，不仅解决了神经网络在计算上的难度，同时也说明了深层神经网络在学习上的优异性。从此，神经网络重新成为了机器学习界中的主流强大学习技术。同时，具有多个隐藏层的神经网络被称为深度神经网络，基于深度神经网络的学习研究称之为深度学习
    由于深度学习的重要性质，在各方面都取得极大的关注，按照时间轴排序，有以下四个标志性事件值得一说：
    2012年6月，《纽约时报》披露了Google Brain项目，这个项目是由Andrew Ng和Map-Reduce发明人Jeff Dean共同主导，用16000个CPU Core的并行计算平台训练一种称为“深层神经网络”的机器学习模型，在语音识别和图像识别等领域获得了巨大的成功。Andrew Ng就是文章开始所介绍的机器学习的大牛(图1中左者)。
    2012年11月，微软在中国天津的一次活动上公开演示了一个全自动的同声传译系统，讲演者用英文演讲，后台的计算机一气呵成自动完成语音识别、英中机器翻译，以及中文语音合成，效果非常流畅，其中支撑的关键技术是深度学习；
    2013年1月，在百度的年会上，创始人兼CEO李彦宏高调宣布要成立百度研究院，其中第一个重点方向就是深度学习，并为此而成立深度学习研究院(IDL)。
    2013年4月，《麻省理工学院技术评论》杂志将深度学习列为2013年十大突破性技术(Breakthrough Technology)之首。

图17 深度学习的发展热潮

文章开头所列的三位机器学习的大牛，不仅都是机器学习界的专家，更是深度学习研究领域的先驱。因此，使他们担任各个大型互联网公司技术掌舵者的原因不仅在于他们的技术实力，更在于他们研究的领域是前景无限的深度学习技术。
目前业界许多的图像识别技术与语音识别技术的进步都源于深度学习的发展，除了本文开头所提的Cortana等语音助手，还包括一些图像识别应用，其中典型的代表就是下图的百度识图功能。

图18 百度识图

深度学习属于机器学习的子类。基于深度学习的发展极大的促进了机器学习的地位提高，更进一步地，推动了业界对机器学习父类人工智能梦想的再次重视。
7.机器学习的父类--人工智能
人工智能是机器学习的父类。深度学习则是机器学习的子类。如果把三者的关系用图来表明的话，则是下图：

图19 深度学习、机器学习、人工智能三者关系

    毫无疑问，人工智能(AI)是人类所能想象的科技界最突破性的发明了，某种意义上来说，人工智能就像游戏最终幻想的名字一样，是人类对于科技界的最终梦想。从50年代提出人工智能的理念以后，科技界，产业界不断在探索，研究。这段时间各种小说、电影都在以各种方式展现对于人工智能的想象。人类可以发明类似于人类的机器，这是多么伟大的一种理念！但事实上，自从50年代以后，人工智能的发展就磕磕碰碰，未有见到足够震撼的科学技术的进步。
    总结起来，人工智能的发展经历了如下若干阶段，从早期的逻辑推理，到中期的专家系统，这些科研进步确实使我们离机器的智能有点接近了，但还有一大段距离。直到机器学习诞生以后，人工智能界感觉终于找对了方向。基于机器学习的图像识别和语音识别在某些垂直领域达到了跟人相媲美的程度。机器学习使人类第一次如此接近人工智能的梦想。
    事实上，如果我们把人工智能相关的技术以及其他业界的技术做一个类比，就可以发现机器学习在人工智能中的重要地位不是没有理由的。
    人类区别于其他物体，植物，动物的最主要区别，作者认为是“智慧”。而智慧的最佳体现是什么？
    是计算能力么，应该不是，心算速度快的人我们一般称之为天才。
    是反应能力么，也不是，反应快的人我们称之为灵敏。
    是记忆能力么，也不是，记忆好的人我们一般称之为过目不忘。
    是推理能力么，这样的人我也许会称他智力很高，类似“福尔摩斯”，但不会称他拥有智慧。
    是知识能力么，这样的人我们称之为博闻广，也不会称他拥有智慧。
    想想看我们一般形容谁有大智慧？圣人，诸如庄子，老子等。智慧是对生活的感悟，是对人生的积淀与思考，这与我们机器学习的思想何其相似？通过经验获取规律，指导人生与未来。没有经验就没有智慧。

图20 机器学习与智慧

    那么，从计算机来看，以上的种种能力都有种种技术去应对。
    例如计算能力我们有分布式计算，反应能力我们有事件驱动架构，检索能力我们有搜索引擎，知识存储能力我们有数据仓库，逻辑推理能力我们有专家系统，但是，唯有对应智慧中最显著特征的归纳与感悟能力，只有机器学习与之对应。这也是机器学习能力最能表征智慧的根本原因。
    让我们再看一下机器人的制造，在我们具有了强大的计算，海量的存储，快速的检索，迅速的反应，优秀的逻辑推理后我们如果再配合上一个强大的智慧大脑，一个真正意义上的人工智能也许就会诞生，这也是为什么说在机器学习快速发展的现在，人工智能可能不再是梦想的原因。
    人工智能的发展可能不仅取决于机器学习，更取决于前面所介绍的深度学习，深度学习技术由于深度模拟了人类大脑的构成，在视觉识别与语音识别上显著性的突破了原有机器学习技术的界限，因此极有可能是真正实现人工智能梦想的关键技术。无论是谷歌大脑还是百度大脑，都是通过海量层次的深度学习网络所构成的。也许借助于深度学习技术，在不远的将来，一个具有人类智能的计算机真的有可能实现。
    最后再说一下题外话，由于人工智能借助于深度学习技术的快速发展，已经在某些地方引起了传统技术界达人的担忧。真实世界的“钢铁侠”，特斯拉CEO马斯克就是其中之一。最近马斯克在参加MIT讨论会时，就表达了对于人工智能的担忧。“人工智能的研究就类似于召唤恶魔，我们必须在某些地方加强注意。”

图21 马斯克与人工智能

    尽管马斯克的担心有些危言耸听，但是马斯克的推理不无道理。“如果人工智能想要消除垃圾邮件的话，可能它最后的决定就是消灭人类。”马斯克认为预防此类现象的方法是引入政府的监管。在这里作者的观点与马斯克类似，在人工智能诞生之初就给其加上若干规则限制可能有效，也就是不应该使用单纯的机器学习，而应该是机器学习与规则引擎等系统的综合能够较好的解决这类问题。因为如果学习没有限制，极有可能进入某个误区，必须要加上某些引导。正如人类社会中，法律就是一个最好的规则，杀人者死就是对于人类在探索提高生产力时不可逾越的界限。
    在这里，必须提一下这里的规则与机器学习引出的规律的不同，规律不是一个严格意义的准则，其代表的更多是概率上的指导，而规则则是神圣不可侵犯，不可修改的。规律可以调整，但规则是不能改变的。有效的结合规律与规则的特点，可以引导出一个合理的，可控的学习型人工智能。
8.机器学习的思考--计算机的潜意识
    最后，作者想谈一谈关于机器学习的一些思考。主要是作者在日常生活总结出来的一些感悟。
    回想一下我在节1里所说的故事，我把小Y过往跟我相约的经历做了一个罗列。但是这种罗列以往所有经历的方法只有少数人会这么做，大部分的人采用的是更直接的方法，即利用直觉。那么，直觉是什么？其实直觉也是你在潜意识状态下思考经验后得出的规律。就像你通过机器学习算法，得到了一个模型，那么你下次只要直接使用就行了。那么这个规律你是什么时候思考的？可能是在你无意识的情况下，例如睡觉，走路等情况。这种时候，大脑其实也在默默地做一些你察觉不到的工作。
    这种直觉与潜意识，我把它与另一种人类思考经验的方式做了区分。如果一个人勤于思考，例如他会每天做一个小结，譬如“吾日三省吾身”，或者他经常与同伴讨论最近工作的得失，那么他这种训练模型的方式是直接的，明意识的思考与归纳。这样的效果很好，记忆性强，并且更能得出有效反应现实的规律。但是大部分的人可能很少做这样的总结，那么他们得出生活中规律的方法使用的就是潜意识法。
    举一个作者本人关于潜意识的例子。作者本人以前没开过车，最近一段时间买了车后，天天开车上班。我每天都走固定的路线。有趣的是，在一开始的几天，我非常紧张的注意着前方的路况，而现在我已经在无意识中就把车开到了目标。这个过程中我的眼睛是注视着前方的，我的大脑是没有思考，但是我手握着的方向盘会自动的调整方向。也就是说。随着我开车次数的增多，我已经把我开车的动作交给了潜意识。这是非常有趣的一件事。在这段过程中，我的大脑将前方路况的图像记录了下来，同时大脑也记忆了我转动方向盘的动作。经过大脑自己的潜意识思考，最后生成的潜意识可以直接根据前方的图像调整我手的动作。假设我们将前方的录像交给计算机，然后让计算机记录与图像对应的驾驶员的动作。经过一段时间的学习，计算机生成的机器学习模型就可以进行自动驾驶了。这很神奇，不是么。其实包括Google、特斯拉在内的自动驾驶汽车技术的原理就是这样。
    除了自动驾驶汽车以外，潜意识的思想还可以扩展到人的交际。譬如说服别人，一个最佳的方法就是给他展示一些信息，然后让他自己去归纳得出我们想要的结论。这就好比在阐述一个观点时，用一个事实，或者一个故事，比大段的道理要好很多。古往今来，但凡优秀的说客，无不采用的是这种方法。春秋战国时期，各国合纵连横，经常有各种说客去跟一国之君交流，直接告诉君主该做什么，无异于自寻死路，但是跟君主讲故事，通过这些故事让君主恍然大悟，就是一种正确的过程。这里面有许多杰出的代表，如墨子，苏秦等等。
    基本上所有的交流过程，使用故事说明的效果都要远胜于阐述道义之类的效果好很多。为什么用故事的方法比道理或者其他的方法好很多，这是因为在人成长的过程，经过自己的思考，已经形成了很多规律与潜意识。如果你告诉的规律与对方的不相符，很有可能出于保护，他们会本能的拒绝你的新规律，但是如果你跟他讲一个故事，传递一些信息，输送一些数据给他，他会思考并自我改变。他的思考过程实际上就是机器学习的过程，他把新的数据纳入到他的旧有的记忆与数据中，经过重新训练。如果你给出的数据的信息量非常大，大到调整了他的模型，那么他就会按照你希望的规律去做事。有的时候，他会本能的拒绝执行这个思考过程，但是数据一旦输入，无论他希望与否，他的大脑都会在潜意识状态下思考，并且可能改变他的看法。
    如果计算机也拥有潜意识(正如本博客的名称一样)，那么会怎么样？譬如让计算机在工作的过程中，逐渐产生了自身的潜意识，于是甚至可以在你不需要告诉它做什么时它就会完成那件事。这是个非常有意思的设想，这里留给各位读者去发散思考吧。
9.总结
    本文首先介绍了互联网界与机器学习大牛结合的趋势，以及使用机器学习的相关应用，接着以一个“等人故事”展开对机器学习的介绍。介绍中首先是机器学习的概念与定义，然后是机器学习的相关学科，机器学习中包含的各类学习算法，接着介绍机器学习与大数据的关系，机器学习的新子类深度学习，最后探讨了一下机器学习与人工智能发展的联系以及机器学习与潜意识的关联。经过本文的介绍，相信大家对机器学习技术有一定的了解，例如机器学习是什么，它的内核思想是什么(即统计和归纳)，通过了解机器学习与人类思考的近似联系可以知晓机器学习为什么具有智慧能力的原因等等。其次，本文漫谈了机器学习与外延学科的关系，机器学习与大数据相互促进相得益彰的联系，机器学习界最新的深度学习的迅猛发展，以及对于人类基于机器学习开发智能机器人的一种展望与思考，最后作者简单谈了一点关于让计算机拥有潜意识的设想。
    机器学习是目前业界最为Amazing与火热的一项技术，从网上的每一次淘宝的购买东西，到自动驾驶汽车技术，以及网络攻击抵御系统等等，都有机器学习的因子在内，同时机器学习也是最有可能使人类完成AI dream的一项技术，各种人工智能目前的应用，如微软小冰聊天机器人，到计算机视觉技术的进步，都有机器学习努力的成分。作为一名当代的计算机领域的开发或管理人员，以及身处这个世界，使用者IT技术带来便利的人们，最好都应该了解一些机器学习的相关知识与概念，因为这可以帮你更好的理解为你带来莫大便利技术的背后原理，以及让你更好的理解当代科技的进程。
10.后记
    这篇文档花了作者两个月的时间，终于在2014年的最后一天的前一天基本完成。通过这篇文章，作者希望对机器学习在国内的普及做一点贡献，同时也是作者本人自己对于所学机器学习知识的一个融汇贯通，整体归纳的提高过程。作者把这么多的知识经过自己的大脑思考，训练出了一个模型，形成了这篇文档，可以说这也是一种机器学习的过程吧(笑)。
    作者所在的行业会接触到大量的数据，因此对于数据的处理和分析是平常非常重要的工作，机器学习课程的思想和理念对于作者日常的工作指引作用极大，几乎导致了作者对于数据价值的重新认识。想想半年前，作者还对机器学习似懂非懂，如今也可以算是一个机器学习的Expert了(笑)。但作者始终认为，机器学习的真正应用不是通过概念或者思想的方式，而是通过实践。只有当把机器学习技术真正应用时，才可算是对机器学习的理解进入了一个层次。正所谓再“阳春白雪”的技术，也必须落到“下里巴人”的场景下运用。目前有一种风气，国内外研究机器学习的某些学者，有一种高贵的逼格，认为自己的研究是普通人无法理解的，但是这样的理念是根本错误的，没有在真正实际的地方发挥作用，凭什么证明你的研究有所价值呢？作者认为必须将高大上的技术用在改变普通人的生活上，才能发挥其根本的价值。一些简单的场景，恰恰是实践机器学习技术的最好地方。

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