人工智能初步最新進展（訓練人工智能的方法）

說起人工智能，大家總把它和科幻電影中的機器人聯系起來，而實際上這些科幻場景與現如今的人工智能沒什么太大關系。

人工智能確實跟人類大腦很相似，但它們的顯著差異在于人工智能是人造的——人工智能不必具備生物特性。

人工智能的目標是使計算機可以如人腦一樣工作，但這并不意味著人工智能需要在方方面面都向人腦看齊。某個人工智能算法與人腦真實功能的匹配程度稱為“生物似真性”。

艾倫腦科學研究所（Allen Institute of Brain Science)的首席科學官Christof Koch曾斷言大腦“是已知宇宙中最復雜的東西”。而在人工智能的學科背景下，大腦本質上就是一種深奧、繁復的技術，我們有必要對它進行研究，通過逆向工程來解析它的工作原理和機制，從而模仿它的功能。

在進一步深入學習之前，還要介紹一些與人工智能算法交互的通用概念。人工智能算法也稱為“模型”， 本質上是一種用以解決問題的技術。現在已經有很多特性各異的人工智能算法了，最常用的有神經網絡、支持向量機、貝葉斯網絡和隱馬爾科夫模型等。

對于人工智能從業者來說，如何將問題建模為人工智能程序可處理的形式是至關重要的，因為這是與人工智能算法交互的主要方式。接下來我們將以人類大腦與現實世界的交互方式為引，展開關于問題建?；局R的講解。

01

對輸入/輸出建模

機器學習算法實際上就是給定輸入，產生輸出，而輸出又受到算法本身的長短期記憶影響。下圖展示了長短期記憶如何參與產生輸出的過程。

機器學習算法抽象圖示

如圖所示，算法接受輸入，產生輸出。大多數機器學習算法的輸入和輸出是完全同步的，只有給定輸入，才會產生輸出，而不像人腦，既可以對輸出做出響應，偶爾也能夠在沒有輸入的情況下自行產生輸出。

到目前為止，我們一直在抽象地談論輸入/輸出模式，你一定很好奇輸入/輸出到底長什么樣兒。實際上，輸入和輸出都是向量形式，而向量本質上就是一個如下所示的浮點數組：

Input:[-0.245,.283,0.0]
Output:[0.782,0.543]

絕大多數機器學習算法的輸入和輸出數目是固定的，就像計算機程序中的函數一樣。輸入數據可以被視作函數參數，而輸出則是函數的返回值。就上例而言，算法會接受3個輸入值，返回兩個輸出值，并且這些數目一般不會有什么變化，這也就導致對特定的算法而言，輸入和輸出模式的元素數量也不會改變。

要使用這種算法，就必須將特定問題的輸入轉化為浮點數數組，同樣，問題的解也會是浮點數數組。說真的，這已經是大多數算法所能做的極限了，機器學習算法說穿了也就是把一個數組轉換為另一個數組罷了。

在傳統編程實踐中，許多模式識別算法有點兒像用來映射鍵值對的哈希表，而哈希表在很大程度上與字典又有些相似之處，因為它們都是一個條目對應一個含義。哈希表一般長下面這樣兒：

● “hear” ->“to perceive or apprehend by the ear”；

● “run” ->“to go faster than a walk”；

● “write” ->“to form (as characters or symbols) on a surface with an instrument (as a pen)”。

上例這個哈希表是一些單詞到定義的映射，其中將字符串形式的鍵映射為同樣是字符串形式的值。你給出一個鍵（單詞），哈希表就會返回一個值（對應單詞的定義），這也是大多數機器學習算法的工作原理。

在所有程序中，哈希表都由鍵值對組成，機器學習算法輸入層的輸入模式可以類比為哈希表中的“鍵”，而輸出層的返回模式也可以類比為哈希表中的“值”——唯一的不同在于機器學習算法比一個簡單的哈希表更為復雜。

還有一個問題是，如果我們給上面這個哈希表傳入一個不在映射中的鍵會怎么樣呢？比如說傳入一個名為“wrote”的鍵。其結果是哈希表會返回一個空值，或者會嘗試指出找不到指定的鍵。而機器學習算法則不同，算法并不會返回空值，而是會返回最接近的匹配項或者匹配的概率。比如你要是給上面這個算法傳入一個“wrote”，很可能就會得到你想要的“write”的值。

機器學習算法不僅會找最接近的匹配項，還會微調輸出以適應缺失值。當然，上面這個例子中沒有足夠的數據給算法來調整輸出，畢竟其中只有3個實例。在數據有限的情況下，“最接近的匹配項”沒有什么實際意義。

上面這個映射關系也給我們提出了另一個關鍵問題：對于給定的接受一個浮點數組返回另一個浮點數組的算法來說，如何傳入一個字符串形式的值呢？下面介紹一種方法，雖然這種方法更適合處理數值型數據，但也不失為一種解決辦法。

詞袋算法是一種編碼字符串的常見方法。在這個算法模型中，每個輸入值都代表一個特定單詞出現的次數，整個輸入向量就由這些值構成。以下面這個字符串為例：

Of Mice and Men
Three Blind Mice
Blind Man's Bluff
Mice and More Mice

由上例我們可以得到下面這些不重復的單詞，這就是我們的一個“字典”：

Input 0 :and
Input 1 :blind
Input 2 :bluff
Input 3 :man's
Input 4 :men
Input 5 :mice
Input 6 :more
Input 7 :of
Input 8 :three

因此，例子中的4行字符串可以被編碼如下：

Of Mice and Men [0 4 5 7]
Three Blind Mice [1 5 8]
Blind Man's Bluff [1 2 3]
Mice and More Mice [0 5 6]

我們還必須用0來填充字符串中不存在的單詞，最終結果會是下面這樣：

Of Mice and Men [1,0,0,0,1,1,0,1,0]
Three Blind Mice [0,1,0,0,0,1,0,0,1]
Blind Man's Bluff [0,1,1,1,0,0,0,0,0]
Mice and More Mice [1,0,0,0,0,2,1,0,0]

請注意，因為我們的“字典”中總共有9個單詞，所以我們得到的是長度為9的定長向量。向量中每一個元素的值都代表著字典中對應單詞出現的次數，而這些元素在向量中的編號則對應著字典中有效單詞的索引。構成每個字符串的單詞集合都僅僅是字典的一個子集，這就導致向量中大多數值是0。

如上例所示，機器學習程序最大的特征之一是會把問題建模為定長浮點數組。下面用一個例子來演示如何進行這種建模。

02

向算法傳入圖像

圖像是算法的常見輸入源。本節我們將介紹一種歸一化圖像的方法，這種方法雖然不太高級，但效果很不錯卻。

以一個300像素×300像素的全彩圖像為例，90 000個像素點乘以3個RGB色彩通道數，總共有270 000個像素。要是我們把每個像素都作為輸入，就會有270 000個輸入——這對大多數算法來說都太多了。

因此，我們需要一個降采樣的過程。下圖是一幅全分辨率圖像。

一幅全分辨率圖像

我們要把它降采樣為32像素×32像素的圖像，如圖所示。

降采樣后的圖像

在圖片被壓縮為32像素×32像素之后，其網格狀模式使得我們可以按像素來生成算法的輸入。如果算法只能分辨每個像素點的亮度的話，那么只需要1 024個輸入就夠了——只能分辨亮度意味著算法只能“看見”黑色和白色。

要是希望算法能夠辨識色彩，還需要向算法提供每個像素點的紅綠藍3色（RGB）光強的值，這就意味著每個像素點有3個輸入，一下子把輸入數據的數目提升到了3 072個。

通常RGB值的范圍在0～255，要為算法創建輸入數據，就要先把光強除以255來得到一個“光強百分數”，比如光強度10經過計算就會變成0.039（10/255）。

你可能還想知道輸出的處理辦法。在這個例子中，輸出應該表明算法認為圖片內容是什么。通常的解決方案是為需要算法識別的每種圖片創建一個輸出通道，訓練好的算法會在置信的圖片種類對應的輸出通道返回一個值1.0。

03

人工智能算法搶先讀

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