人工???能的發(fā)展曾經(jīng)經(jīng)歷過幾次起起伏伏，近來在深度學(xué)習(xí)技術(shù)的推動(dòng)下又迎來了一波新的前所未有的高潮。近日，IBM 官網(wǎng)發(fā)表了一篇概述文章，對(duì)人工智能技術(shù)的發(fā)展過程進(jìn)行了簡(jiǎn)單梳理，同時(shí)還圖文并茂地介紹了感知器、聚類算法、基于規(guī)則的系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的概念和原理。 人類對(duì)如何創(chuàng)造智能機(jī)器的思考從來沒有中斷過。期間，人工智能的發(fā)展起起伏伏，有成功，也有失敗，以及其中暗藏的潛力。今天，有太多的新聞報(bào)道是關(guān)于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的應(yīng)用問題，從癌癥檢查預(yù)測(cè)到圖像理解、自然語(yǔ)言處理，人工智能正在賦能并改變著這個(gè)世界。 現(xiàn)代人工智能的歷史具備成為一部偉大戲劇的所有元素。在最開始的 1950 年代，人工智能的發(fā)展緊緊圍繞著思考機(jī)器和焦點(diǎn)人物比如艾倫·圖靈、馮·諾伊曼，迎來了其第一次春天。經(jīng)過數(shù)十年的繁榮與衰敗，以及難以置信的高期望，人工智能及其先驅(qū)們?cè)俅螖y手來到一個(gè)新境界?，F(xiàn)在，人工智能正展現(xiàn)著其真正的潛力，深度學(xué)習(xí)、認(rèn)知計(jì)算等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，且不乏應(yīng)用指向。 本文探討了人工智能及其子領(lǐng)域的一些重要方面。下面就先從人工智能發(fā)展的時(shí)間線開始，并逐個(gè)剖析其中的所有元素。 現(xiàn)代人工智能的時(shí)間線 1950 年代初期，人工智能聚焦在所謂的強(qiáng)人工智能，希望機(jī)器可以像人一樣完成任何智力任務(wù)。強(qiáng)人工智能的發(fā)展止步不前，導(dǎo)致了弱人工智能的出現(xiàn)，即把人工智能技術(shù)應(yīng)用于更窄領(lǐng)域的問題。1980 年代之前，人工智能的研究一直被這兩種范式分割著，兩營(yíng)相對(duì)。但是，1980 年左右，機(jī)器學(xué)習(xí)開始成為主流，它的目的是讓計(jì)算機(jī)具備學(xué)習(xí)和構(gòu)建模型的能力，從而它們可在特定領(lǐng)域做出預(yù)測(cè)等行為。 圖 1：現(xiàn)代人工智能發(fā)展的時(shí)間線 在人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)研究的基礎(chǔ)之上，深度學(xué)習(xí)在 2000 年左右應(yīng)運(yùn)而生。計(jì)算機(jī)科學(xué)家在多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中使用了新的拓?fù)鋵W(xué)和學(xué)習(xí)方法。最終，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化成功解決了多個(gè)領(lǐng)域的棘手問題。 在過去的十年中，認(rèn)知計(jì)算（Cognitive computing）也出現(xiàn)了，其目標(biāo)是打造可以學(xué)習(xí)并與人類自然交互的系統(tǒng)。通過成功地?fù)魯?Jeopardy 游戲的世界級(jí)選手，IBM Watson 證明了認(rèn)知計(jì)算的價(jià)值。 在本文中，我將逐一探索上述的所有領(lǐng)域，并對(duì)一些關(guān)鍵算法作出解釋。 基礎(chǔ)性人工智能 1950 年之前的研究提出了大腦是由電脈沖網(wǎng)絡(luò)組成的想法，正是脈沖之間的交互產(chǎn)生了人類思想與意識(shí)。艾倫·圖靈表明一切計(jì)算皆是數(shù)字，那么，打造一臺(tái)能夠模擬人腦的機(jī)器也就并非遙不可及。 上文說過，早期的研究很多是強(qiáng)人工智能，但是也提出了一些基本概念，被機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)沿用至今。 圖 2：1950 - 1980 年間人工智能方法的時(shí)間線 人工智能搜索引擎 人工智能中的很多問題可以通過強(qiáng)力搜索（brute-force search）得到解決。然而，考慮到中等問題的搜索空間，基本搜索很快就受影響。人工智能搜索的最早期例子之一是跳棋程序的開發(fā)。亞瑟·塞繆爾（Arthur Samuel）在 IBM 701 電子數(shù)據(jù)處理機(jī)器上打造了第一款跳棋程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)搜索樹（alpha-beta 剪枝）的優(yōu)化；這個(gè)程序也記錄并獎(jiǎng)勵(lì)具體行動(dòng)，允許應(yīng)用學(xué)習(xí)每一個(gè)玩過的游戲（這是首個(gè)自我學(xué)習(xí)的程序）。為了提升程序的學(xué)習(xí)率，塞繆爾將其編程為自我游戲，以提升其游戲和學(xué)習(xí)的能力。 盡管你可以成功地把搜索應(yīng)用到很多簡(jiǎn)單問題上，但是當(dāng)選擇的數(shù)量增加時(shí)，這一方法很快就會(huì)失效。以簡(jiǎn)單的一字棋游戲?yàn)槔?，游戲一開始，有 9 步可能的走棋，每 1 個(gè)走棋有 8 個(gè)可能的相反走棋，依次類推。一字棋的完整走棋樹包含 362,880 個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果你繼續(xù)將這一想法擴(kuò)展到國(guó)際象棋或者圍棋，很快你就會(huì)發(fā)展搜索的劣勢(shì)。 感知器 感知器是單層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)早期監(jiān)督學(xué)習(xí)算法。給定一個(gè)輸入特征向量，感知器可對(duì)輸入進(jìn)行具體分類。通過使用訓(xùn)練集，網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重和偏差可為線性分類而更新。感知器的首次實(shí)現(xiàn)是 IBM 704，接著在自定義硬件上用于圖像識(shí)別。 圖 3：感知器與線性分類 作為一個(gè)線性分類器，感知器有能力解決線性分離問題。感知器局限性的典型實(shí)例是它無法學(xué)習(xí)專屬的 OR (XOR) 函數(shù)。多層感知器解決了這一問題，并為更復(fù)雜的算法、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵W(xué)、深度學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。 聚類算法 使用感知器的方法是有監(jiān)督的。用戶提供數(shù)據(jù)來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，然后在新數(shù)據(jù)上對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試。聚類算法則是一種無監(jiān)督學(xué)習(xí)（unsupervised learning）方法。在這種模型中，算法會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)的一個(gè)或多個(gè)屬性將一組特征向量組織成聚類。 圖 4：在一個(gè)二維特征空間中的聚類 你可以使用少量代碼就能實(shí)現(xiàn)的最簡(jiǎn)單的聚類算法是 k-均值（k-means）。其中，k 表示你為樣本分配的聚類的數(shù)量。你可以使用一個(gè)隨機(jī)特征向量來對(duì)一個(gè)聚類進(jìn)行初始化，然后將其它樣本添加到其最近鄰的聚類（假定每個(gè)樣本都能表示一個(gè)特征向量，并且可以使用 Euclidean distance 來確定「距離」）。隨著你往一個(gè)聚類添加的樣本越來越多，其形心（centroid，即聚類的中心）就會(huì)重新計(jì)算。然后該算法會(huì)重新檢查一次樣本，以確保它們都在最近鄰的聚類中，最后直到?jīng)]有樣本需要改變所屬聚類。 盡管 k-均值聚類相對(duì)有效，但你必須事先確定 k 的大小。根據(jù)數(shù)據(jù)的不同，其它方法可能會(huì)更加有效，比如分層聚類（hierarchical clustering）或基于分布的聚類（distribution-based clustering）。 決策樹 決策樹和聚類很相近。決策樹是一種關(guān)于觀察（observation）的預(yù)測(cè)模型，可以得到一些結(jié)論。結(jié)論在決策樹上被表示成樹葉，而節(jié)點(diǎn)則是觀察分叉的決策點(diǎn)。決策樹來自決策樹學(xué)習(xí)算法，其中數(shù)據(jù)集會(huì)根據(jù)屬性值測(cè)試（attribute value tests）而被分成不同的子集，這個(gè)分割過程被稱為遞歸分區(qū)（recursive partitioning）。 考慮下圖中的示例。在這個(gè)數(shù)據(jù)集中，我可以基于三個(gè)因素觀察到某人是否有生產(chǎn)力。使用一個(gè)決策樹學(xué)習(xí)算法，我可以通過一個(gè)指標(biāo)來識(shí)別屬性（其中一個(gè)例子是信息增益）。在這個(gè)例子中，心情（mood）是生產(chǎn)力的主要影響因素，所以我根據(jù) Good Mood 一項(xiàng)是 Yes 或 No 而對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行了分割。但是，在 Yes 這邊，還需要我根據(jù)其它兩個(gè)屬性再次對(duì)該數(shù)據(jù)集進(jìn)行切分。表中不同的顏色對(duì)應(yīng)右側(cè)中不同顏色的葉節(jié)點(diǎn)。 圖 5：一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)集及其得到的決策樹 決策樹的一個(gè)重要性質(zhì)在于它們的內(nèi)在的組織能力，這能讓你輕松地（圖形化地）解釋你分類一個(gè)項(xiàng)的方式。流行的決策樹學(xué)習(xí)算法包括 C4.5 以及分類與回歸樹（Classification and Regression Tree）。 基于規(guī)則的系統(tǒng) 最早的基于規(guī)則和推理的系統(tǒng)是 Dendral，于 1965 年被開發(fā)出來，但直到 1970 年代，所謂的專家系統(tǒng)（expert systems）才開始大行其道。基于規(guī)則的系統(tǒng)會(huì)同時(shí)存有所需的知識(shí)的規(guī)則，并會(huì)使用一個(gè)推理系統(tǒng)（reasoning system）來得出結(jié)論。 基于規(guī)則的系統(tǒng)通常由一個(gè)規(guī)則集合、一個(gè)知識(shí)庫(kù)、一個(gè)推理引擎（使用前向或反向規(guī)則鏈）和一個(gè)用戶接口組成。下圖中，我使用了知識(shí)「蘇格拉底是人」、規(guī)則「如果是人，就會(huì)死」以及一個(gè)交互「誰(shuí)會(huì)死？」 圖 6：基于規(guī)則的系統(tǒng) 基于規(guī)則的系統(tǒng)已經(jīng)在語(yǔ)音識(shí)別、規(guī)劃和控制以及疾病識(shí)別等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。上世紀(jì) 90 年代人們開發(fā)的一個(gè)監(jiān)控和診斷大壩穩(wěn)定性的系統(tǒng) Kaleidos 至今仍在使用。 機(jī)器學(xué)習(xí) 機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能和計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)子領(lǐng)域，也有統(tǒng)計(jì)學(xué)和數(shù)學(xué)優(yōu)化方面的根基。機(jī)器學(xué)習(xí)涵蓋了有監(jiān)督學(xué)習(xí)和無監(jiān)督學(xué)習(xí)領(lǐng)域的技術(shù)，可用于預(yù)測(cè)、分析和數(shù)據(jù)挖掘。機(jī)器學(xué)習(xí)不限于深度學(xué)習(xí)這一種。但在這一節(jié)，我會(huì)介紹幾種使得深度學(xué)習(xí)變得如此高效的算法。 圖 7：機(jī)器學(xué)習(xí)方法的時(shí)間線 反向傳播 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大力量源于其多層的結(jié)構(gòu)。單層感知器的訓(xùn)練是很直接的，但得到的網(wǎng)絡(luò)并不強(qiáng)大。那問題就來了：我們?nèi)绾斡?xùn)練多層網(wǎng)絡(luò)呢？這就是反向傳播的用武之地。