人類對于人工智能一直抱有無限遐想。
古希臘神話中，火神赫菲斯托斯用金子制造機器人女工，她們不僅可以幫他干活，還可以同他交流?，旣愌┤R筆下的科學(xué)怪人，和普通人一樣擁有好奇心，追求美好情感。除了出于提高勞動效率，改善生活等考慮，人類癡迷于人工智能，還因為人類也渴望成為造物者，像女媧那樣，看著泥土在自己手中幻化成有智慧的生命。
也許這一天還很遙遠(yuǎn)，人類的探索從未停止。過去幾年，人工智能快速增長，前所未有的浪潮洶涌而來。深度學(xué)習(xí)作為人工智能的一個子領(lǐng)域，在解決復(fù)雜學(xué)習(xí)問題領(lǐng)域的成功已經(jīng)有目共睹。亞馬遜語言助理 Alexa、人工智能圍棋程序 AlphaGo、Google 自動翻譯，這些技術(shù)背后都離不開深度學(xué)習(xí)。
我也十分好奇，計算機是如何具備學(xué)習(xí)能力的。相關(guān)科普文章、八卦新聞、媒體報道無法滿足我的好奇，于是我直接參加了開智學(xué)堂第一期深度學(xué)習(xí)課程。作為一個深度學(xué)習(xí)小白，我想跟你分享探索路看到的風(fēng)景。
機器學(xué)習(xí)把計算機看做黑盒子，接收輸入，處理后反饋結(jié)果；把處理過程表征為一個模型，或一個函數(shù) f()。
對于圖像識別程序，
對于 AlphaGo，
對于語音識別程序，
這個函數(shù)有可能非常復(fù)雜，計算機的任務(wù)就是把它模擬出來。
假設(shè)有這樣一組數(shù)據(jù)，記錄了一門課程的結(jié)業(yè)成績，a1 是學(xué)生的平時分，a2 是期末考試的分?jǐn)?shù)，y 是老師給出的最終得分。這組數(shù)據(jù)稱為樣本集，a1，a2 稱為特征，y 稱為標(biāo)簽。
把數(shù)據(jù)交給計算機，讓它從中學(xué)習(xí)打分的模型。也就是說，我們期望它能夠獲得這樣一個函數(shù) f(a1,a2)，盡可能地滿足這一系列等式
f(60,90) = 80
……
f(50,65) = 75
假如計算機學(xué)習(xí)到的模型是正確的，或者準(zhǔn)確率可以接受，我們就可以給這個函數(shù)一系列新的輸入，讓它預(yù)測這些學(xué)生的分?jǐn)?shù)。
看看如何用深度學(xué)習(xí)來解決這個問題。深度學(xué)習(xí)是機器學(xué)習(xí)的一個分支，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之前，要先理解什么是神經(jīng)元。神經(jīng)元其實就是一個能夠接收輸入，對輸入進(jìn)行線性疊加，運算并輸出結(jié)果的單元。
為了簡化問題，假設(shè)神經(jīng)元直接把線性疊加的結(jié)果輸出，沒有經(jīng)過其他的運算。 即 f(a1,a2) = a1W1+a2W2+b，W1，W2 是平時分和期末分?jǐn)?shù)分別所占的權(quán)重，但它們是未知的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)就是把這三個未知數(shù) W1，W2 和 b 算出來。
怎么算呢？答案是：猜。當(dāng)然不是漫無目的的猜，而是按照特定的策略，一邊猜一邊進(jìn)行修正。參考下面的流程圖。
先給權(quán)重和常數(shù)賦一個隨機的值，假設(shè)是 W1=0，W2=1，b=2。把樣本集里的第一行數(shù)據(jù)交給神經(jīng)元進(jìn)行計算。 把計算結(jié)果和第一行數(shù)據(jù)里的真實值進(jìn)行比較，算出誤差。再根據(jù)誤差修改權(quán)重。具體怎樣修改權(quán)重，有很多種方法，都是基于特定的數(shù)學(xué)理論，能夠保證不斷的迭代之后，誤差會越來越小。這個基于誤差修改權(quán)重的過程，就稱為學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)方法歸根結(jié)底就是網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)重的調(diào)整方法。接下來不斷地循環(huán)以上過程，直到誤差變得最小，就獲得了最合適的 W1，W2 和 b 的組合，也就得到所需的函數(shù)。
以上是最簡單的，只有一個神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)，它只能表達(dá)簡單的函數(shù)。假如有兩個老師給學(xué)生打分，他們的意見不一致，各自都有自己的一組權(quán)重。那就在網(wǎng)絡(luò)中增加一個神經(jīng)元。權(quán)重增加為四個。每個老師算出的分?jǐn)?shù)再交給一個神經(jīng)元進(jìn)行計算，同樣也要添加不同的權(quán)重。
假如輸入的特征增加，例如上課次數(shù)，平時分，期末得分共同決定總成績，網(wǎng)絡(luò)就變?yōu)?/p>
當(dāng)許許多多神經(jīng)元按一定規(guī)則連接起來，構(gòu)成深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，就具備了強大的功能。深度學(xué)習(xí)的「深度」一詞指的是層數(shù)比較多的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
以上就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理。
具體到特定領(lǐng)域，比如圖像識別，也是先人工給大量圖片做好標(biāo)記，這是一只貓，這是一只狗，這是一朵花，再交給計算機進(jìn)行學(xué)習(xí)。每一輪學(xué)習(xí)，它都會根據(jù)設(shè)定好的方式對權(quán)重系數(shù)做出修正。當(dāng)然具體的應(yīng)用要更復(fù)雜，例如 y 值的計算，通常不是簡單的線性函數(shù)，而是更復(fù)雜的運算過程，每一層的計算方法也會不一樣。微軟在 2015 年 ImageNet 挑戰(zhàn)賽中應(yīng)用的系統(tǒng)具有 152 層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
神經(jīng)元的學(xué)習(xí)過程令我想起曾經(jīng)在科學(xué)館里走過的鏡子迷宮。當(dāng)你進(jìn)入迷宮后，眼前層層疊疊，分不清虛實，前進(jìn)的方法是用手里的泡沫軸敲一敲，看看是鏡子還是路，如果路就往前走，如果是鏡子就換一個方向，當(dāng)走到了死胡同就退回來。
人類大腦做決策也是類似的：不斷的接收輸入，做出判斷，再根據(jù)現(xiàn)實與自身判斷的差距進(jìn)行調(diào)整。人類的學(xué)習(xí)是對自我的修正，人工神經(jīng)元的學(xué)習(xí)則是對它擁有的一系列權(quán)重系數(shù)的修正，只是在計算機上精確的量化了這一過程。
1943 年，邏輯學(xué)家 Walter Pitts 和神經(jīng)生理學(xué)家 Warren McCulloch 提出神經(jīng)元模型，其后神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究起起伏伏多年，一度被淡忘，直到 2010 年前后才重新崛起，獲得廣泛應(yīng)用。事實上人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)明正是受到中樞神經(jīng)系統(tǒng)的啟發(fā)。研究大腦認(rèn)知機理，再把它運用到計算機上，是實現(xiàn)人工智能的一個重要途徑。下圖是大腦神經(jīng)元的構(gòu)造。
樹突是神經(jīng)元的輸入通道，軸突是神經(jīng)元的輸出通道。一個神經(jīng)元通常具有多個樹突，而軸突只有一條，軸突尾端有許多軸突末梢跟其他神經(jīng)元的樹突產(chǎn)生連接，從而傳遞信號。這個連接的位置在生物學(xué)上叫做「突觸」。
1977 年諾貝爾物理學(xué)獎得主安德森在論文《多者異也》中指出，物質(zhì)在不同的尺度會遵從不一樣的規(guī)律。單個神經(jīng)元的功能十分簡單，當(dāng)神經(jīng)元多達(dá)數(shù)百億個，心智自然涌現(xiàn)。大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之所以具有思維認(rèn)識等高級功能，正是因為無數(shù)神經(jīng)元之間的聯(lián)結(jié)構(gòu)成了一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)。
我前面所介紹的內(nèi)容，都只是簡單的，淺層次的理解，可能有些知識也屬于「司機知識」。深度學(xué)習(xí)是一個融合了數(shù)學(xué)，計算機技術(shù)和特定領(lǐng)域知識的多學(xué)科交叉領(lǐng)域。在數(shù)學(xué)理論的指導(dǎo)下，才能保證模型的學(xué)習(xí)是朝著正確的方向，能夠獲得最優(yōu)的結(jié)果；在理解了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理之后，必須通過編程技術(shù)才能真正實現(xiàn)；如何用來解決現(xiàn)實中的問題，計算機怎樣理解圖像，我們使用的語言文字要怎樣轉(zhuǎn)換成計算機可以處理的數(shù)字，這些都是需要沉下心來，投入時間才能夠掌握的。下一階段的計劃是深度學(xué)習(xí)「深度學(xué)習(xí)」。
新生兒大腦中約有 860 億個神經(jīng)元。對大腦的運行而言，神經(jīng)元數(shù)目只是一方面，神經(jīng)元之間的連接才是決定性的。怎樣建立神經(jīng)元之間的連接呢？通過學(xué)習(xí)。
神經(jīng)可塑性（Neuro-plasticity）是指的由于經(jīng)驗原因引起的大腦的結(jié)構(gòu)改變。神經(jīng)可塑性是近期的發(fā)現(xiàn)，過去往往認(rèn)為在嬰兒關(guān)鍵期后，大腦結(jié)構(gòu)往往不發(fā)生變化。大腦有神經(jīng)元細(xì)胞和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成，這些細(xì)胞互相連接，通過加強或削弱這些連接，大腦的結(jié)構(gòu)可以發(fā)生改變。
大家都有這樣的體會，第一次讀到一段文字，往往不會有深刻印象。后來，在某個觸動你的故事中再次看到這段文字，或某個具體場景令你聯(lián)想到它，才在腦海中留下鮮活印象。
中學(xué)時很喜歡讀詩詞，大部分都是過目即忘。某天放學(xué)路上，我望著天邊的落日，一句話從腦海里涌出：浮云游子意，落日故人情。完全記不起這是誰寫的，什么時候讀過，甚至有種錯覺，似乎是自己想出來的。查書才知道來自李白的《送友人》，這時我才是真正的「記住」了這首詩。
生物學(xué)家埃里克·坎德爾（Eric R. Kandel）研究原始動物海兔的神經(jīng)細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)記憶就發(fā)生在神經(jīng)元的突觸上。短期記憶形成時，突觸連接的強度增加，長期記憶形成時，不僅是突觸強度增加，神經(jīng)回路中的突觸數(shù)目也發(fā)生了變化。
因此，坎德爾寫道：「對需要長期保持的記憶而言，輸入的信息必須經(jīng)過徹底而深入的處理。要完成這樣的處理過程，就得留意這些信息，并把這些信息跟記憶中已有的知識有意義地、系統(tǒng)化地聯(lián)系起來。」
古人云，學(xué)而時習(xí)之。學(xué)習(xí)是一個反復(fù)印證，互為佐證的過程，也是在不斷地增強大腦中神經(jīng)元之間的連接。深度學(xué)習(xí)的計算部分，通過線性代數(shù)中的矩陣來實現(xiàn)。每列代表一個神經(jīng)元，也就是它所擁有的權(quán)重。一個公式簡潔的表達(dá)了前面所說的一系列運算步驟。
這是我和線性代數(shù)的第三次相遇。
讀大學(xué)時它是令我頭疼的一門課，各種矩陣變換令人暈頭轉(zhuǎn)向，完全不明白為什么要定義這些奇怪的規(guī)則?？佳袝r弄懂了，后來工作中不常用到，又漸漸遺忘。在深度學(xué)習(xí)課程中，我才明白，原來矩陣可以用在這里。
我們接受的教育有一個奇怪的特點，把知識灌輸?shù)搅四X海，卻沒有與現(xiàn)實生活聯(lián)系。仿佛有一塊孤零零的區(qū)域，專門用來考試。學(xué)生在考試的指揮棒之下趕路，無法領(lǐng)略其中的奧妙。直到多年以后，為了理解新的知識去重溫，才明白，原來它是這樣使用的。把過去的記憶提取到大腦中，與新的記憶連接，我們同時在織著兩張網(wǎng)，一張是虛擬的知識網(wǎng)絡(luò)，一張是大腦中神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)。
到目前為止，我參加了開智學(xué)堂的四門課程，坦白說，開智的課程信息密度都很大，稍不注意就會掉隊。每期課程都有一些特別優(yōu)秀的同學(xué)，在我還沒看懂算法內(nèi)容的時候，他已經(jīng)可以和老師討論算法的性能了。我的狀態(tài)就是一直在追趕，從來都追不上，但是這樣一次又一次「被虐」，我卻樂此不疲。
大家可能聽說過柏拉圖的洞穴隱喻，設(shè)想有一個深邃幽暗的洞穴，人被完全禁錮，只能看到前方墻壁上刻意制造的幻象，他就以為這是真實的世界。當(dāng)其中一人的枷鎖被解除，能夠自由行動，看到洞穴里的一切，他會開始思考何者為真何者為幻，產(chǎn)生困惑與痛苦。當(dāng)他走出洞穴，逐步看清事物真相，適應(yīng)了刺眼的陽光，便不愿意再回到黑暗之中生活。
我們都生活在自我構(gòu)建的洞穴之中，它可以是你所處的環(huán)境，也可以是人生的不同階段。假如你觀察一個孩子，會發(fā)現(xiàn)他的喜怒哀樂、行動都是出于本能，是不自知的。隨著心智成熟，有一天他會能夠意識到自己的情緒，從而調(diào)節(jié)和控制。這便是一個走出洞穴的過程。留在已知世界中會令我們感覺安全，而探索新知，開拓思維的疆域，則有機會來到更寬廣更精彩的世界。對我而言，這就是光。
其實學(xué)習(xí)的這些課程，在短期內(nèi)都和我的工作沒有多大關(guān)聯(lián)，但是并不意味著它們對我的生活不具備現(xiàn)實意義。在我看來，最好的教育不是僅僅提供知識和答案，而是給你更多疑問，讓你對現(xiàn)狀產(chǎn)生質(zhì)疑。
相信很多小伙伴都和我一樣，面臨這個問題：想做的事情太多，時間不夠用，怎么辦？在學(xué)習(xí)認(rèn)知科學(xué)，了解大腦怎樣做決策后，開始嘗試著簡化生活， 把一些不那么重要的事情盡可能地簡單化，自動化，減少對認(rèn)知能量的消耗。在陽志平老師的生活十二問中有所提及，我就不再贅述。
簡化生活，最重要的是處理好與身邊人的關(guān)系。遠(yuǎn)方的戰(zhàn)爭會令我們動容，慨嘆過后，生活照舊。但是假如和身邊的人，尤其是家人產(chǎn)生矛盾，則會帶來一整天的心神不寧。而我們往往更在意自己面對外人時的形象，而忽略了家人的感受。意識到這一點，帶來的是行動上的改變。相比兩年之前，我能感受到自己能夠以一種更平和的心境面對工作和生活。
陶淵明筆下，武陵人穿越山中小口，遇見桃花源。當(dāng)我們跨出自我的疆域，踏進(jìn)未知世界，或許會感覺豁然開朗，另有一番天地？■
