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一入侯门“深”似海,深度学习深几许(深度学习入门系列之一)

摘要: 当你和女朋友在路边手拉手一起约会的时候,你可曾想,你们之间早已碰撞出了一种神秘的智慧–深度学习。恋爱容易,相处不易,不断磨合,打造你们的默契,最终才能决定你们是否在一起。深度学习也一样,输入各种不同的参数,进行训练拟合,最后输出拟合结果。 恋爱又不易,且学且珍惜!

 【导言】目前人工智能非常火爆,而深度学习则是引领这一火爆现场的“火箭”。于是,有关“深度学习”的论文、书籍和网络博客汗牛充栋,但大多数这类文章都具备“高不成低不就”的特征。对于高手来说,自然是没有问题,他们本身已经具备非常“深度”的学习能力,如果他们想学习有关深度学习的技术,直接找来最新的研究论文阅读就好了。但是,对于低手(初学者)而言,就没有那么容易了,因为他们基础相对薄弱,通常看不太懂。

于是,我们推出深度学习的入门系列。在这个系列文章中,我们力图用最为通俗易懂、图文并茂的方式,带你入门深度学习。我们都知道,高手从来都是自学出来的。所以,这个深度学习的入门系列,能带给你的是“从入门到精通”,还是“从入门到放弃”,一切都取决你个人的认知。成就你自己的,永远都是你自己,是吧?

好了,言归正传,下面开始我们的正题。

 1.1 什么是学习?

说到深度学习,我们首先需要知道,什么是学习。

著名学者赫伯特·西蒙教授(Herbert Simon,1975年图灵奖获得者、1978年诺贝尔经济学奖获得者)曾对“学习”给了一个定义:“如果一个系统,能够通过执行某个过程,就此改进了它的性能,那么这个过程就是学习”。

大牛就是大牛,永远都是那么言简意赅,一针见血。从西蒙教授的观点可以看出,学习的核心目的,就是改善性能

其实对于人而言,这个定义也是适用的。比如,我们现在正在学习“深度学习”的知识,其本质目的就是为了“提升”自己在机器学习上的认知水平。如果我们仅仅是低层次的重复性学习,而没有达到认知升级的目的,那么即使表面看起来非常勤奋,其实我们也仅仅是个“伪学习者”, 因为我们没有改善性能。

1.2 什么是机器学习?

遵循西蒙教授的观点,对于计算机系统而言,通过运用数据及某种特定的方法(比如统计的方法或推理的方法),来提升机器系统的性能,就是机器学习。

英雄所见略同。卡内基梅隆大学的Tom Mitchell教授,在他的名作《机器学习》一书中,也给出了更为具体(其实也很抽象)的定义[1]:

对于某类任务(Task,简称T)和某项性能评价准则(Performance,简称P),如果一个计算机程序在T上,以P作为性能的度量,随着很多经验(Experience,简称E)不断自我完善,那么我们称这个计算机程序在从经验E中学习了。

比如说,对于学习围棋的程序AlphaGo,它可以通过和自己下棋获取经验,那么它的任务T就是“参与围棋对弈”;它的性能P就是用“赢得比赛的百分比”来度量。“类似地,学生的任务T就是“上课看书写作业”;它的性能P就是用“期末成绩”来度量”

因此,Mitchell教授认为,对于一个学习问题,我们需要明确三个特征:任务的类型,衡量任务性能提升的标准以及获取经验的来源。

1.3 学习的4个象限

在前面的文章中[2],我们已提到,一般说来,人类的知识在两个维度上可分成四类(见图1-1)。即从可统计与否上来看,可分为:是可统计的和不可统计的。从能否推理上看,可分为可推理的和不可推理的。

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图1-1 人类知识的4个象限

在横向方向上,对于可推理的,我们都可以通过机器学习的方法,最终可以完成这个推理。传统的机器学习方法,就是试图找到可举一反三的方法,向可推理但不可统计的象限进发(象限Ⅱ)。目前看来,这个象限的研究工作(即基于推理的机器学习)陷入了不温不火的境地,能不能峰回路转,还有待时间的检验。

而在纵向上,对于可统计的、但不可推理的(即象限Ⅲ),可通过神经网络这种特定的机器学习方法,以期望达到性能提升的目的。目前,基于深度学习的棋类博弈(阿尔法狗)、计算机视觉(猫狗识别)、自动驾驶等等,其实都是在这个象限做出了了不起的成就。

从图1可知,深度学习属于统计学习的范畴。用李航博士的话来说,统计机器学习的对象,其实就是数据[3]。这是因为,对于计算机系统而言,所有的“经验”都是以数据的形式存在的。作为学习的对象,数据的类型是多样的,可以是各种数字、文字、图像、音频、视频,也可以是它们的各种组合。

统计机器学习,就是从数据出发,提取数据的特征(由谁来提取,是个大是大非问题,下面将给予介绍),抽象出数据的模型,发现数据中的知识,最后又回到数据的分析与预测当中去。

1.4 机器学习的方法论

这里稍早说明的一点的是,在深度学习中,经常有“end-to-end(端到端)”学习的提法,与之相对应的传统机器学习是“Divide and Conquer(分而治之)”。这些都是什么意思呢?

“end-to-end”(端到端)说的是,输入的是原始数据(始端),然后输出的直接就是最终目标(末端),中间过程不可知,因此也难以知。比如说,基于深度学习的图像识别系统,输入端是图片的像素数据,而输出端直接就是或猫或狗的判定。这个端到端就是:像素–>判定。

再比如说,“end-to-end”的自动驾驶系统[4],输入的是前置摄像头的视频信号(其实也就是像素),而输出的直接就是控制车辆行驶指令(方向盘的旋转角度)。这个端到端就是:像素–>指令。

就此,有人批评深度学习就是一个黑箱(Black Box)系统,其性能很好,却不知道为何而好,也就是说,缺乏解释性。其实,这是由于深度学习所处的知识象限决定的。从图1可以看出,深度学习,在本质上,属于可统计不可推理的范畴。“可统计”是很容易理解的,就是说,对于同类数据,它具有一定的统计规律,这是一切统计学习的基本假设。那“不可推理”又是什么概念?其实就是“剪不断、理还乱”的非线性状态了。

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图1-2  1个人+个人1=?

在哲学上讲,这种非线性状态,是具备了整体性的“复杂系统”,属于复杂性科学范畴。复杂性科学认为,构成复杂系统的各个要素,自成体系,但阡陌纵横,其内部结构难以分割。简单来说,对于复杂系统,1+1≠2,也就是说,一个简单系统,加上另外一个简单系统,其效果绝不是两个系统的简单累加效应,而可能是大于部分之和。因此,我们必须从整体上认识这样的复杂系统。于是,在认知上,就有了从一个系统或状态(end)直接整体变迁到另外一个系统或状态(end)的形态。这就是深度学习背后的方法论。

与之对应的是“Divide and Conquer(分而治之)”,其理念正好相反,在哲学它属于“还原主义(reductionism,或称还原论)”。在这种方法论中,有一种“追本溯源”的蕴意包含其内,即一个系统(或理论)无论多复杂,都可以分解、分解、再分解,直到能够还原到逻辑原点。

在意象上,还原主义就是“1+1=2”,也就是说,一个复杂的系统,都可以由简单的系统简单叠加而成(可以理解为线性系统),如果各个简单系统的问题解决了,那么整体的问题也就得以解决。比如说,很多的经典力学问题,不论形式有多复杂,通过不断的分解和还原,最后都可以通过牛顿的三大定律得以解决。

经典机器学习(位于第Ⅱ象限),在哲学上,在某种程度上,就可归属于还原主义。传统的机器学习方式,通常是用人类的先验知识,把原始数据预处理成各种特征(feature),然后对特征进行分类。

然而,这种分类的效果,高度取决于特征选取的好坏。传统的机器学习专家们,把大部分时间都花在如何寻找更加合适的特征上。因此,早期的机器学习专家们非常苦逼,故此,传统的机器学习,其实可以有个更合适的称呼——特征工程(feature engineering)。

但这种苦逼,也是有好处的。这是因为,这些特征是由人找出来的,自然也就为人所能理解,性能好坏,机器学习专家们可以“冷暖自知”,灵活调整。

1.5 什么是深度学习?

再后来,机器学习的专家们发现,可以让神经网络自己学习如何抓取数据的特征,这种学习的方式,效果更佳。于是兴起了特征表示学习(feature representation learning)的风潮。这种学习方式,对数据的拟合也更加的灵活好用。于是,人们终于从自寻“特征”的苦逼生活中解脱出来。

但这种解脱也付出了代价,那就是机器自己学习出来的特征,它们存在于机器空间,完全超越了人类理解的范畴,对人而言,这就是一个黑盒世界。为了让神经网络的学习性能,表现得更好一些,人们只能依据经验,不断地尝试性地进行大量重复的网络参数调整,同样是“苦不堪言”。于是,“人工智能”领域就有这样的调侃:“有多少人工,就有多少智能”。

因此,你可以看到,在这个世界上,存在着一个“麻烦守恒定律”:麻烦不会减少,只会转移。

再后来,网络进一步加深,出现了多层次的“表示学习”,它把学习的性能提升到另一个高度。这种学习的层次多了,其实也就是套路“深了”。于是,人们就给它取了个特别的名称——Deep Learning(深度学习)。

深度学习的学习对象同样是数据。与传统机器学习所不同的是,它需要大量的数据,也就是“大数据(Big Data)”。

有一个观点,在工业界一度很流行,那就是在大数据条件下,简单的学习模型会比复杂模型更加有效。而简单的模型,最后会趋向于无模型,也就是无理论。例如,早在2008年,美国 《连线》(Wired)杂志主编克里斯﹒安德森(Chris Anderson)就曾发出“理论的终结(The End of Theory)”的惊人断言[5]:“海量数据已经让科学方法成为过去时(The Data Deluge Makes the Scientific Method Obsolete)”。

但地平线机器人创始人(前百度深度学习研究院副院长)余凯先生认为[6],深度学习的惊人进展,是时候促使我们要重新思考这个观点了。也就是说,他认为“大数据+复杂模型”或许能更好地提升学习系统的性能。

1.6 “恋爱”中的深度学习

法国科技哲学家伯纳德﹒斯蒂格勒(Bernard Stiegler)认为,人们以自己的技术和各种物化的工具,作为自己“额外”的器官,不断的成就自己。按照这个观点,其实,在很多场景下,计算机都是人类思维的一种物化形式。换句话说,计算机的思维(比如说各种电子算法),都能找到人类生活实践的影子。

比如说,现在火热的深度学习,与人们的恋爱过程也有相通之处。在知乎上,就有人(jacky yang)以恋爱为例来说明深度学习的思想,倒也非常传神。我们知道,男女恋爱大致可分为三个阶段:

第一阶段初恋期,相当于深度学习的输入层。妹子吸引你,肯定是有很多因素,比如说脸蛋、身高、身材、性格、学历等等,这些都是输入层的参数。对不同喜好的人,他们对输出结果的期望是不同的,自然他们对这些参数设置的权重也是不一样的。比如,有些人是奔着结婚去的,那么他们对妹子的性格可能给予更高的权重。否则,脸蛋的权重可能会更高。

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图1-3 恋爱中的深度学习

第二阶段热恋期,对应于深度学习的隐藏层。在这个期间,恋爱双方都要经历各种历练和磨合。清朝湖南湘潭人张灿写了一首七绝:

书画琴棋诗酒花,当年件件不离他。

而今七事都更变,柴米油盐酱醋茶。

这首诗说的就是,在过日子的洗礼中,各种生活琐事的变迁。恋爱是过日子的一部分,其实也是如此,也需要双方不断磨合。这种磨合中的权重取舍平衡,就相等于深度学习中隐藏层的参数调整,它们需要不断地训练和修正!恋爱双方相处,磨合是非常重要的。要怎么磨合呢?光说“520(我爱你)”,是廉价的。这就给我们程序猿(媛)提个醒,爱她(他),就要多陪陪她(他)。陪陪她(他),就增加了参数调整的机会。参数调整得好,输出的结果才能是你想要的。

第三阶段稳定期,自然相当于深度学习的输出层。输出结果是否合适,是否达到预期,高度取决于“隐藏层”的参数 “磨合”得怎么样。

1.7 小结

在本小节,我们回顾了“机器学习”的核心要素,那就是通过对数据运用,依据统计或推理的方法,让计算机系统的性能得到提升。而深度学习,则是把由人工选取对象特征,变更为通过神经网络自己选取特征,为了提升学习的性能,神经网络的表示学习的层次较多(较深)。

以上仅仅给出机器学习和深度学习的概念性描述,在下一个小结中,我们将给出机器学习的形式化表示,传统机器学习和深度学习的不同之处在哪里,以及到底什么是神经网络等。

文章作者:张玉宏

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