2016年开启了人工智能的时代。在这一年里，AlphaGo围棋胜了人类；微软报告ASR语音识别结果好过专业速记员；日本NHK电视报道，IBM机器Watson只花10分钟完成41名病人的诊断，这通常是医生两周的工作；它读取大量资料和病人DNA后，救了一位医者束手无策的白血病人；特斯拉自动驾驶汽车已挤进车流，还发生了车祸；机器创作歌曲、绘画、诗歌、小说、电影也有了不俗的成绩。Google、IBM、Facebook、Amazon和Microsoft组成人工智能联盟，研究AI行业的规范标准。美国白宫发布了《准备迎接人工智能未来》和《国家人工智能研究发展战略计划书》。现在的人工智能核心是机器学习，它不是过去那种，依人类知识为规则来作答的专家系统，而是通过样本来获得知识，自己作判断的机器。

这篇简单介绍机器学习的工作原理。希望只要懂的线性代数、最小二乘法和统计概念的读者，便能通过数学原理了解其机制，破除神秘给自己解惑，对此有兴趣的人能抓住要点启发应用。

什么是机器学习？简单地说，计算机利用输入的大量样本数据，调整表示规律和分类通用数学模型的参数，然后以调好的模型作答。通常用线性函数的组合来表示数值规律和划分类别模式，实用中的线性函数参数是以万计到百亿计的数量。这样的数学模型虽然很简单，却因参数数量的巨大能够实现复杂的功能，足以涵盖各种预测和辨识情况。在数学上，这调整模型参数及应用模型的计算机制，都是精确有效的，但也因变量个数的巨大，难以分析归纳成像物理规律那样简单明晰的因果性机制，无法从人脑逻辑推演的角度来理解。

测试人的IQ，是让人回答几十道题，每道题列出几张图形，或几组数字，或几个词作为样本，让你从一组可能的选项中挑出一个最“合理”的答案，以此来评估人的智商。这与你拥有的知识内容无关，测定的是大脑从样本来类比判断的能力。计算机和学习算法，模仿人脑这种能力，赋予机器智商。人类具有智商，可以通过学习获得知识。样本的数据潜藏着大量的信息，通过训练给予了机器知识，让机器表现出判断和预测的智能。

机器学习基本分成无监督学习和监督学习两类。无监督学习是从样本数据分布中，按它们的聚集来分类，例如用大量的人民币硬币尺寸和重量作为样本的数据，它们在2维空间的分布聚集在几个地方。人们看后，知道它们是分成几类，依此知识判断新给的硬币类别。机器可以通过数据点间距离的计算（K-means），自动将聚类分成几组。得到各组的中心和分布范围后，以此判别新输入硬币所对应的组别。许多事物看来杂乱无章，其实分属不同类别，例如学生潜力，绘画风格，只要用足够多特征属性来描述就可以把它们区分，但对于许多的特征属性，人类需要研究归纳抽取出能理解其含义的少量特征，很难利用非常多的特征属性来分类，机器却很容易做到。在你现在的工作中，也可能应用现成的N维自动分类程序，在已经拥有数据中发现潜藏的分类。

无监督学习就像无师自通的领悟，效率较差。有老师教学就会快得多。监督学习是最广泛最成功应用的机器学习，用我们知识来标记样本，去“教”机器学会回答问题。这个问答在数学上，是从问题的属性空间映射到答案空间的一个函数。机器学习的基本算法是从一族候选函数中，比如说线性函数，通过计算选取出与预测样本标记误差最小的函数。这个选取多是通过迭代法，沿着减小误差的梯度方向，不断修正候选函数的参数来实现。这个过程称为训练。

对于数值结果的问题，线性回归几乎是最基本的机器学习，几百年前人们就用它从实验数据中导出经验公式。采用最小二乘法，求出与它们误差最小的直线或超平面。它有公式解，在线性代数上称为“正规方程（Normal Equation）”的线性方程解。然而，商业应用中的机器学习模型未知参数数量巨大，公式解要求非常大的计算机内存和计算量来实现，通常是用梯度法迭代求出近似解。这是被应用最广泛的数值预测的学习方法。

输入属性x与答案y不能用一个线性式子表示怎么办？通过增加一些与输入x是非线性关系的项，例如x², x³,…，有可能把它们表达成一个线性式子，这在样条函数逼近理论上，已有很好的数学研究。在应用上，它相应于选取足够多的输入属性表达。例如房价的估值，所在的地区和房子的面积是基本的属性，当它用线性回归误差较大时，加入与已有属性是非线性关系的邻居平均房价，房间卫浴个数，装修等级等来扩充属性空间的维数，便可取得较好模型精度。

对于分类模式的判断，逻辑回归是基本的算法。在直观上是用一个超平面把输入属性空间分成两半，逻辑上对应着0和1。超平面用一个线性函数表示，输出对应于这线性函数值是否大于0。多个的超平面将属性空间分成多类。能够这样归类的数据称为是线性可分的。上世纪五十年代AI热潮中的感知器（Perceptron），用一个Sigmoid作用函数 S(z)=1/(1+exp(-z)) 加在线性函数之后，即 y = S (〈w, x〉- b)，让输出结果基本饱和在0和1，并且易于导出修正误差的梯度。它模拟了一个神经元的功能，它们组成的单层神经网络，能很好处理线性可分的模式识别。对于不是线性可分的模式，可以采用上述增加输入特征属性的方法，让它在高维空间上线性可分。

机器学习强大的功能来自巨量的可调参数，它的学习算法并不难理解，基本是向量和矩阵的线性运算，关键之处是巨量的样本数据的获得和计算巨量未知数的技术实现。

支持向量机（SVM）采用内积的“核函数（Kernelfunction）”，将输入经过非线性变换映射到高维空间，实现线性可分。用分段线性函数代替神经元里的Sigmoid作用函数，这样调整间隔分类超平面的参数就只跟较少的点有关，既可以大大减少计算量，又把计算转化成二次函数在线性约束下求极值的问题。实践中的应用涉及到巨大稀疏矩阵的计算，1998年Microsoft Research的John C. Platt提出SMO算法，可以很有效地处理巨量的变量和样本数据，这使得SVM获得广泛的应用。支持向量机有清晰数学理论的支持，能有效地控制训练结果，有着许多语言实现的软件包可用，相对于多层神经网络，它所要求的机器资源较少，但要求有应用领域知识的人力合作来选取合适的核函数。它成功地应用在许多分类领域，如文本、图像、蛋白质、垃圾邮件分类和手写体字识别等等。

人工神经网络对每一层输入都用线性来分类，由于sigmoid作用函数，每层的输入和输出是个非线性变换，因此能通用地实现各种数据的分类。多层神经网络具有极大的适应性和潜力解决复杂的问题，但多于三层的神经网络，采用向后传播误差的梯度法来训练，较难控制学习的结果，所以较难简单地应用来处理非常复杂的情况。

相对于前面单纯机制的机器学习数学模型，深度学习像是一种综合的工程设计，它基本架构是深层的神经网络，具有处理非常复杂模式的能力。为了提高训练的效果和效率，设计不同层次网络构造，例如在底层应用“先天”预设功能的卷积网络层，来获取特征，在深层网络中分层采用无监督的预先学习和随后的监督学习，来提高学习效率。今天深度学习的神经网络已有百亿个神经联接参数，具有极强的智商，它需要巨大的计算机资源和信息的支持，在大公司研究突破性的应用和探索人工智能的未来。

机器学习的算法都以取得与样本最小误差为学习的目标，如果仅仅是这样，让机器简单记忆这些样本就行了，而现实的不同往往是无穷多的，有限的样本怎么能用来判别无限的可能？

答案是：严格上说是不能，但在很大概率上是可能的。

输出只有0和1是最基本的判断学习，机器学习是用样本调整候选函数的参数，以获得合适供作判别的模型。只要候选函数族不会细到足以区分属性空间任何的点，用足够多随机选取的样本来训练，那么它预测误差也以足够大的概率收敛于训练样本的误差率。这个Vapnik-Chervonenkis bound公式是：

P ( |E_in(h) – E_out(h)|> ε| ∃h∈H ) ≤ 4m_H(2N)exp( -ε² N/8)

这里P是概率，ε是任给的一个小数值，H是候选函数族，h是训练后选出的函数，N是训练样本的个数，E_in(h)是h函数训练样本预测失误率，E_out(h)是样本之外预测失误率（数学期望），m_H(2N)是与候选函数族有关的上界估算。VC维度的理论说，只要候选函数族不会细到足以区分任何样本，这个上界至多按比N小VC维数的多项式速度增大。那么不等式的右边随N增大趋于0.  VC维数大致等于函数族中自由变量的数目，例如2个输入的感知器Perceptron，有3个可调参数，它的VC维是3，即是线性函数的参数变量数目。这式子说明数学模型越简单，即参数变量少VC维数小，用非常多的样本训练后，它预测的准确性就越容易接近于在训练样本上检测到的精度。另一方面，数学模型越复杂，训练的结果对样本集的失误率E_in(h)就越小，它对样本的适应性就越好。成功的机器学习要求这两者都小，机器学习的实践工程是在模型的复杂程度上取得均衡，尽量用简单的模型取得满意的样本训练结果。

由此可以看到，机器学习可行性依赖于两个条件：第一，数据必须有规律模式。无规律随机分布的数据无从预测，表现为学习过程不收敛。第二，拥有巨量的随机样本数据。统计公式的基本假设是样本的随机性，只有足够多随机无偏的样本，这个概率估计的式子才成立。越是复杂的辨识问题，概率的样本空间越大，就需要越多数量的样本才足以满足要求。它们不仅用来减小对训练样本的误差，也用以保证有足够大的概率取得精确预测。这要求有巨量的数据，以及支持这个巨量计算的计算机功能，这就是为什么一直到了大数据时代，人工智能的突破才到来。

介绍了一般原理和抽象公式，讲些具体的数据，给大家一个直观的印象。上世纪80年代末，我在科学院研究生院讲授“人工神经元网络”时，所里计算机的功能还不及现在的手机。手写体字识别研究，只能用较小的网络和几百个样本串行迭代学习来进行，无论算多少小时，结果都不理想。作为比较，前几天我用斯坦福大学Andrew Ng公开课里练习项目里的数据，用PC训练手写数字的辨识，算法与20多年前几乎一样，但样本是5000个，用批量计算更新参数，经过50轮迭代，PC运行不到10分钟就训练好了模型，取得95.26%的判别的准确率。注意这里用的只是简单400x25x10节点的三层网络，已经有了1万多个待定的参数，输入样本是400x5000的矩阵。这只是个辨识10个数字图像的小项目；斯坦福大学李菲菲教授的机器学习，用了1500万张照片的数据库，涵盖22000种物品，对2400万个节点，150亿个联接的神经网络进行训练，能够让计算机看懂了照片，描述图里的场景。机器学习后的智能来自大数据、算法和有处理这些数据能力的计算机。

计算机犹如蒸汽机的发明，只有工业化才改变了大众的职业，现在各种条件已经成熟，机器学习将智力劳动工业化，我们正在这新时代的开端。

【参考资料】

1. 腾讯科“技盘点2016年人工智能的十大创意项目”http://tech.qq.com/a/20161230/030073.htm

2. White House report ：PREPARING FOR THE FUTURE OF ARTIFICIAL INTELLIGENCE  https://obamawhitehouse.archives.gov/sites/default/files/whitehouse_files/microsites/ostp/NSTC/preparing_for_the_future_of_ai.pdf

3. Stanford University Andrew Ng coursera “Machine Learning” https://www.coursera.org/learn/machine-learning

4. Caltech course Yaser S.Abu-Mostafa“Learning From Data”http://work.caltech.edu/telecourse.html

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自应行仁科学网博客。

链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-826653-1029786.html?mobile=1

收藏

分享