摘要： 當你和女朋友在路邊手拉手一起約會的時候，你可曾想，你們之間早已碰撞出了一種神秘的智慧–深度學習。戀愛容易，相處不易，不斷磨合，打造你們的默契，最終才能決定你們是否在一起。深度學習也一樣，輸入各種不同的參數(shù)，進行訓練擬合，最后輸出擬合結果。 戀愛又不易，且學且珍惜！

導言： 目前人工智能非常火爆，而深度學習則是引領這一火爆現(xiàn)場的“火箭”。于是，有關“深度學習”的論文、書籍和網(wǎng)絡博客汗牛充棟，但大多數(shù)這類文章都具備“高不成低不就”的特征。對于高手來說，自然是沒有問題，他們本身已經(jīng)具備非常“深度”的學習能力，如果他們想學習有關深度學習的技術，直接找來最新的研究論文閱讀就好了。但是，對于低手（初學者）而言，就沒有那么容易了，因為他們基礎相對薄弱，通常看不太懂。
于是，我們推出深度學習的入門系列。在這個系列文章中，我們力圖用最為通俗易懂、圖文并茂的方式，帶你入門深度學習。我們都知道，高手從來都是自學出來的。所以，這個深度學習的入門系列，能帶給你的是“從入門到精通”，還是“從入門到放棄”，一切都取決你個人的認知。成就你自己的，永遠都是你自己，是吧？
好了，言歸正傳，下面開始我們的正題。

1. 什么是學習？

說到深度學習，我們首先需要知道，什么是學習。
著名學者赫伯特·西蒙教授（Herbert Simon，1975年圖靈獎獲得者、1978年諾貝爾經(jīng)濟學獎獲得者）曾對“學習”給了一個定義：“如果一個系統(tǒng)，能夠通過執(zhí)行某個過程，就此改進了它的性能，那么這個過程就是學習”。
大牛就是大牛，永遠都是那么言簡意賅，一針見血。從西蒙教授的觀點可以看出，學習的核心目的，就是改善性能。
其實對于人而言，這個定義也是適用的。比如，我們現(xiàn)在正在學習“深度學習”的知識，其本質目的就是為了“提升”自己在機器學習上的認知水平。如果我們僅僅是低層次的重復性學習，而沒有達到認知升級的目的，那么即使表面看起來非常勤奮，其實我們也僅僅是個“偽學習者”, 因為我們沒有改善性能。

2. 什么是機器學習？

遵循西蒙教授的觀點，對于計算機系統(tǒng)而言，通過運用數(shù)據(jù)及某種特定的方法（比如統(tǒng)計的方法或推理的方法），來提升機器系統(tǒng)的性能，就是機器學習。
英雄所見略同。卡內基梅隆大學的Tom Mitchell教授，在他的名作《機器學習》一書中，也給出了更為具體（其實也很抽象）的定義：

對于某類任務（Task，簡稱T）和某項性能評價準則（Performance，簡稱P），如果一個計算機程序在T上，以P作為性能的度量，隨著很多經(jīng)驗（Experience，簡稱E）不斷自我完善，那么我們稱這個計算機程序在從經(jīng)驗E中學習了。

比如說，對于學習圍棋的程序AlphaGo，它可以通過和自己下棋獲取經(jīng)驗，那么它的任務T就是“參與圍棋對弈”；它的性能P就是用“贏得比賽的百分比”來度量。“類似地，學生的任務T就是“上課看書寫作業(yè)”；它的性能P就是用“期末成績”來度量”
因此，Mitchell教授認為，對于一個學習問題，我們需要明確三個特征：任務的類型，衡量任務性能提升的標準以及獲取經(jīng)驗的來源。

3. 學習的4個象限

在前面的文章中，我們已提到，一般說來，人類的知識在兩個維度上可分成四類。即從可統(tǒng)計與否上來看，可分為：是可統(tǒng)計的和不可統(tǒng)計的。從能否推理上看，可分為可推理的和不可推理的。

在橫向方向上，對于可推理的，我們都可以通過機器學習的方法，最終可以完成這個推理。傳統(tǒng)的機器學習方法，就是試圖找到可舉一反三的方法，向可推理但不可統(tǒng)計的象限進發(fā)（象限Ⅱ）。目前看來，這個象限的研究工作（即基于推理的機器學習）陷入了不溫不火的境地，能不能峰回路轉，還有待時間的檢驗。
而在縱向上，對于可統(tǒng)計的、但不可推理的（即象限Ⅲ），可通過神經(jīng)網(wǎng)絡這種特定的機器學習方法，以期望達到性能提升的目的。目前，基于深度學習的棋類博弈（阿爾法狗）、計算機視覺（貓狗識別）、自動駕駛等等，其實都是在這個象限做出了了不起的成就。
從圖可知，深度學習屬于統(tǒng)計學習的范疇。用李航博士的話來說，統(tǒng)計機器學習的對象，其實就是數(shù)據(jù)。這是因為，對于計算機系統(tǒng)而言，所有的“經(jīng)驗”都是以數(shù)據(jù)的形式存在的。作為學習的對象，數(shù)據(jù)的類型是多樣的，可以是各種數(shù)字、文字、圖像、音頻、視頻，也可以是它們的各種組合。
統(tǒng)計機器學習，就是從數(shù)據(jù)出發(fā)，提取數(shù)據(jù)的特征（由誰來提取，是個大是大非問題，下面將給予介紹），抽象出數(shù)據(jù)的模型，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的知識，最后又回到數(shù)據(jù)的分析與預測當中去。

4. 機器學習的方法論

這里稍早說明的一點的是，在深度學習中，經(jīng)常有“end-to-end（端到端）”學習的提法，與之相對應的傳統(tǒng)機器學習是“Divide and Conquer（分而治之）”。這些都是什么意思呢？
“end-to-end”（端到端）說的是，輸入的是原始數(shù)據(jù)（始端），然后輸出的直接就是最終目標（末端），中間過程不可知，因此也難以知。比如說，基于深度學習的圖像識別系統(tǒng)，輸入端是圖片的像素數(shù)據(jù)，而輸出端直接就是或貓或狗的判定。這個端到端就是：像素-->判定。
再比如說，“end-to-end”的自動駕駛系統(tǒng)，輸入的是前置攝像頭的視頻信號（其實也就是像素），而輸出的直接就是控制車輛行駛指令（方向盤的旋轉角度）。這個端到端就是：像素-->指令。
就此，有人批評深度學習就是一個黑箱（Black Box）系統(tǒng)，其性能很好，卻不知道為何而好，也就是說，缺乏解釋性。其實，這是由于深度學習所處的知識象限決定的。從圖1可以看出，深度學習，在本質上，屬于可統(tǒng)計不可推理的范疇。“可統(tǒng)計”是很容易理解的，就是說，對于同類數(shù)據(jù)，它具有一定的統(tǒng)計規(guī)律，這是一切統(tǒng)計學習的基本假設。那“不可推理”又是什么概念？其實就是“剪不斷、理還亂”的非線性狀態(tài)了。

在哲學上講，這種非線性狀態(tài)，是具備了整體性的“復雜系統(tǒng)”，屬于復雜性科學范疇。復雜性科學認為，構成復雜系統(tǒng)的各個要素，自成體系，但阡陌縱橫，其內部結構難以分割。簡單來說，對于復雜系統(tǒng)，1+1≠2，也就是說，一個簡單系統(tǒng)，加上另外一個簡單系統(tǒng)，其效果絕不是兩個系統(tǒng)的簡單累加效應，而可能是大于部分之和。因此，我們必須從整體上認識這樣的復雜系統(tǒng)。于是，在認知上，就有了從一個系統(tǒng)或狀態(tài)（end）直接整體變遷到另外一個系統(tǒng)或狀態(tài)（end）的形態(tài)。這就是深度學習背后的方法論。
與之對應的是“Divide and Conquer（分而治之）”，其理念正好相反，在哲學它屬于“還原主義（reductionism，或稱還原論）”。在這種方法論中，有一種“追本溯源”的蘊意包含其內，即一個系統(tǒng)（或理論）無論多復雜，都可以分解、分解、再分解，直到能夠還原到邏輯原點。
在意象上，還原主義就是“1+1=2”，也就是說，一個復雜的系統(tǒng)，都可以由簡單的系統(tǒng)簡單疊加而成（可以理解為線性系統(tǒng)），如果各個簡單系統(tǒng)的問題解決了，那么整體的問題也就得以解決。比如說，很多的經(jīng)典力學問題，不論形式有多復雜，通過不斷的分解和還原，最后都可以通過牛頓的三大定律得以解決。
經(jīng)典機器學習（位于第Ⅱ象限），在哲學上，在某種程度上，就可歸屬于還原主義。傳統(tǒng)的機器學習方式，通常是用人類的先驗知識，把原始數(shù)據(jù)預處理成各種特征（feature），然后對特征進行分類。
然而，這種分類的效果，高度取決于特征選取的好壞。傳統(tǒng)的機器學習專家們，把大部分時間都花在如何尋找更加合適的特征上。因此，早期的機器學習專家們非常苦逼，故此，傳統(tǒng)的機器學習，其實可以有個更合適的稱呼——特征工程（feature engineering）。
但這種苦逼，也是有好處的。這是因為，這些特征是由人找出來的，自然也就為人所能理解，性能好壞，機器學習專家們可以“冷暖自知”，靈活調整。

5. 什么是深度學習

再后來，機器學習的專家們發(fā)現(xiàn)，可以讓神經(jīng)網(wǎng)絡自己學習如何抓取數(shù)據(jù)的特征，這種學習的方式，效果更佳。于是興起了特征表示學習（feature representation learning）的風潮。這種學習方式，對數(shù)據(jù)的擬合也更加的靈活好用。于是，人們終于從自尋“特征”的苦逼生活中解脫出來。
但這種解脫也付出了代價，那就是機器自己學習出來的特征，它們存在于機器空間，完全超越了人類理解的范疇，對人而言，這就是一個黑盒世界。為了讓神經(jīng)網(wǎng)絡的學習性能，表現(xiàn)得更好一些，人們只能依據(jù)經(jīng)驗，不斷地嘗試性地進行大量重復的網(wǎng)絡參數(shù)調整，同樣是“苦不堪言”。于是，“人工智能”領域就有這樣的調侃：“有多少人工，就有多少智能”。
因此，你可以看到，在這個世界上，存在著一個“麻煩守恒定律”：麻煩不會減少，只會轉移。
再后來，網(wǎng)絡進一步加深，出現(xiàn)了多層次的“表示學習”，它把學習的性能提升到另一個高度。這種學習的層次多了，其實也就是套路“深了”。于是，人們就給它取了個特別的名稱——Deep Learning（深度學習）。
深度學習的學習對象同樣是數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)機器學習所不同的是，它需要大量的數(shù)據(jù)，也就是“大數(shù)據(jù)（Big Data）”。
有一個觀點，在工業(yè)界一度很流行，那就是在大數(shù)據(jù)條件下，簡單的學習模型會比復雜模型更加有效。而簡單的模型，最后會趨向于無模型，也就是無理論。例如，早在2008年，美國 《連線》（Wired）雜志主編克里斯﹒安德森（Chris Anderson）就曾發(fā)出“理論的終結（The End of Theory）”的驚人斷言：“海量數(shù)據(jù)已經(jīng)讓科學方法成為過去時（The Data Deluge Makes the Scientific Method Obsolete）”。
但地平線機器人創(chuàng)始人（前百度深度學習研究院副院長）余凱先生認為，深度學習的驚人進展，是時候促使我們要重新思考這個觀點了。也就是說，他認為“大數(shù)據(jù)+復雜模型”或許能更好地提升學習系統(tǒng)的性能。

6. “戀愛”中的深度學習

法國科技哲學家伯納德﹒斯蒂格勒（Bernard Stiegler）認為，人們以自己的技術和各種物化的工具，作為自己“額外”的器官，不斷的成就自己。按照這個觀點，其實，在很多場景下，計算機都是人類思維的一種物化形式。換句話說，計算機的思維（比如說各種電子算法），都能找到人類生活實踐的影子。
比如說，現(xiàn)在火熱的深度學習，與人們的戀愛過程也有相通之處。在知乎上，就有人（jacky yang）以戀愛為例來說明深度學習的思想，倒也非常傳神。我們知道，男女戀愛大致可分為三個階段：
第一階段初戀期，相當于深度學習的輸入層。妹子吸引你，肯定是有很多因素，比如說臉蛋、身高、身材、性格、學歷等等，這些都是輸入層的參數(shù)。對不同喜好的人，他們對輸出結果的期望是不同的，自然他們對這些參數(shù)設置的權重也是不一樣的。比如，有些人是奔著結婚去的，那么他們對妹子的性格可能給予更高的權重。否則，臉蛋的權重可能會更高。

第二階段熱戀期，對應于深度學習的隱藏層。在這個期間，戀愛雙方都要經(jīng)歷各種歷練和磨合。清朝湖南湘潭人張燦寫了一首七絕：

書畫琴棋詩酒花，當年件件不離他。
而今七事都更變，柴米油鹽醬醋茶。

這首詩說的就是，在過日子的洗禮中，各種生活瑣事的變遷。戀愛是過日子的一部分，其實也是如此，也需要雙方不斷磨合。這種磨合中的權重取舍平衡，就相等于深度學習中隱藏層的參數(shù)調整，它們需要不斷地訓練和修正！戀愛雙方相處，磨合是非常重要的。要怎么磨合呢？光說“520（我愛你）”，是廉價的。這就給我們程序猿（媛）提個醒，愛她（他），就要多陪陪她（他）。陪陪她（他），就增加了參數(shù)調整的機會。參數(shù)調整得好，輸出的結果才能是你想要的。
第三階段穩(wěn)定期，自然相當于深度學習的輸出層。輸出結果是否合適，是否達到預期，高度取決于“隱藏層”的參數(shù) “磨合”得怎么樣。

7. 小結

在本小節(jié)，我們回顧了“機器學習”的核心要素，那就是通過對數(shù)據(jù)運用，依據(jù)統(tǒng)計或推理的方法，讓計算機系統(tǒng)的性能得到提升。而深度學習，則是把由人工選取對象特征，變更為通過神經(jīng)網(wǎng)絡自己選取特征，為了提升學習的性能，神經(jīng)網(wǎng)絡的表示學習的層次較多（較深）。
以上僅僅給出機器學習和深度學習的概念性描述，在下一個小結中，我們將給出機器學習的形式化表示，傳統(tǒng)機器學習和深度學習的不同之處在哪里，以及到底什么是神經(jīng)網(wǎng)絡等。

8. 請你思考

• 在大數(shù)據(jù)時代，你是贊同科技編輯出生的克里斯﹒安德森的觀點呢（僅需簡單模型甚至無模型），還是更認可工業(yè)界大神余凱先生的觀點呢（還是需要復雜模型）？為什么？
• 你認為用“戀愛”的例子比擬“深度學習”貼切嗎？為什么？
• 為什么非要用“深度”學習，“淺度”不行嗎？

總結

以上是生活随笔為你收集整理的简单易懂的讲解深度学习（入门系列之一）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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