入门贴:从传统机器学习到深度学习:侃侃人工智能的发展历程和未来趋势

个人日志 做棵大树 1年前 (2023-04-13) 1262次浏览 0个评论
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本文是一个机器学习和深度学习的入门文章。

从人工智能的发展历程开始讲述,文章尽量从白话的角度解释相关的概念,不会太深,所以如果您对人工智能/机器学习/深度学习有底子,甚至说很了解,可以大概扫一下或者跳过就好哈。如果您也是像大树一样的初级玩家,那可以留出来几分钟读一下这篇文章哈~

欢迎大家在文末 “阅读原文” 进行评论,表达自己不同的意见和观点~

I. 引言

机器学习和深度学习的概念和应用范围

机器学习是指一类能够自动从数据中学习规律并且能够进行预测的算法。它是人工智能的重要分支,其基本原理是通过训练模型来学习数据的模式,然后通过该模型来对未知数据进行预测或分类。

深度学习是机器学习的一种,是一种基于人工神经网络的模型,其核心思想是模拟人类神经系统的结构和功能,实现对数据的表征和学习。深度学习模型通常由多个隐藏层组成也就是我们所说的深度,可以自动提取数据的特征和表示,广泛应用于图像识别、自然语言处理、语音识别等领域。

机器学习和深度学习在众多领域都有着广泛的应用,包括但不限于以下几个方面:

  • 图像识别和处理:通过训练深度学习模型,可以实现对图像中物体、场景等的识别和处理,广泛应用于自动驾驶、安防监控等领域。
  • 自然语言处理:通过训练深度学习模型,可以实现对文本的理解和分析,例如语音识别、文本分类、情感分析等。
  • 推荐系统:通过训练机器学习模型,可以实现对用户的偏好和需求的分析,从而向用户推荐相关的商品、内容等。
  • 医疗诊断和预测:通过训练深度学习模型,可以实现对医疗图像和数据的诊断和预测,例如疾病诊断、药物研发等。

机器学习和深度学习的应用领域不断拓展和扩大,未来将有更多的领域受益于这些技术的发展。

II. 传统机器学习

传统机器学习的基本概念和方法

基本概念

传统机器学习是指非深度学习的机器学习算法,其基本概念大概包括以下几个方面:

  1. 数据集:机器学习算法的训练和测试需要用到数据集,数据集通常由输入特征和对应的标签组成。数据集的质量对机器学习的效果有很大的影响。

  2. 特征工程:特征工程是指将原始数据转化为机器学习算法可用的特征表示,包括特征选择、特征提取、特征变换等过程。好的特征工程能够提高机器学习算法的准确性和泛化能力。

  3. 模型训练:模型训练是指使用数据集对机器学习算法进行学习和优化,以使得模型能够准确地对新数据进行预测或分类。常见的训练方法包括梯度下降、随机梯度下降、批量梯度下降等。

  4. 模型评估:模型评估是指对训练好的模型进行性能评估,通常采用交叉验证、ROC 曲线、混淆矩阵等方法来评估模型的准确性、召回率、精度等指标。

  5. 模型应用:训练好的模型可以用于预测或分类新的数据。在实际应用中,机器学习算法可以用于各种场景,例如推荐系统、金融风控、医疗诊断等。

常用方法

传统机器学习算法常见的分类方法包括监督学习、无监督学习和半监督学习,不同的算法适用于不同的问题类型和数据类型。传统机器学习算法是机器学习领域的重要基础,为深度学习的发展和应用提供了重要的支持和基础。

传统机器学习的常用方法可以分为监督学习、无监督学习和半监督学习三种类型。

1. 监督学习

监督学习是指利用带标签的数据进行训练和预测的机器学习方法,常见的监督学习算法包括:

  • 决策树(Decision Tree):将数据集分成多个小集合,每个集合根据特定条件分裂成更小的集合,最终形成一棵树状结构,用于分类和回归任务。
  • 朴素贝叶斯(Naive Bayes):基于贝叶斯定理,利用已知类别的样本计算先验概率和条件概率,从而对新的样本进行分类。
  • 支持向量机(Support Vector Machine):利用核函数将数据映射到高维空间,找到能够将不同类别数据分隔开的最优超平面,用于分类和回归任务。
  • k 近邻算法(k-Nearest Neighbor):根据距离来衡量相似度,将新的样本与已有的样本进行比较,选择与之距离最近的 k 个样本作为预测结果。

2. 无监督学习

无监督学习是指利用未标注的数据进行训练和预测的机器学习方法,常见的无监督学习算法包括:

  • 聚类(Clustering):将数据集划分为多个组,每个组内数据相似度高,组间数据相似度低,用于数据分析和分类任务。
  • 主成分分析(Principal Component Analysis):将多维数据降维到低维度空间,以便更好地可视化和分析数据特征。
  • 关联规则学习(Association Rule Learning):寻找数据集中的频繁项集和关联规则,用于市场分析、商品推荐等领域。

3. 半监督学习

半监督学习是指利用部分带标签的数据和未标注的数据进行训练和预测的机器学习方法,常见的半监督学习算法包括:

  • 自编码器(Autoencoder):通过将输入数据映射到一个低维空间再进行重建,利用未标注的数据训练网络模型,从而实现特征提取和分类任务。
  • 协同训练(Co-Training):利用两个或多个不同特征空间的分类器,交叉训练和预测,提高分类性能。

传统机器学习在人工智能应用中的局限性和挑战

传统机器学习在人工智能应用中存在以下局限性和挑战:

  1. 需要大量的手工特征工程

传统机器学习算法需要人工对数据进行特征提取和选择,需要具备丰富的领域知识和经验。这个过程耗时、费力,也容易出现特征选择不当、特征缺失等问题,导致模型性能下降。

  1. 依赖大量的标注数据

传统机器学习算法需要大量带标签的数据进行训练,而且这些数据需要具有代表性和多样性,才能训练出泛化性能好的模型。然而,在很多实际场景中,标注数据难以获取或者成本较高,导致机器学习算法的应用受限。

  1. 无法处理复杂的非线性关系

传统机器学习算法通常基于线性模型或者局部模型进行建模,无法处理复杂的非线性关系。例如,人脸识别、自然语言处理等领域,需要识别的特征复杂多样,存在大量的非线性关系,传统机器学习算法无法有效处理。

  1. 无法处理大规模的高维数据

随着数据规模和特征维度的增加,传统机器学习算法的计算和存储复杂度也呈指数级增长。因此,当面对大规模的高维数据时,传统机器学习算法的效率和性能都面临很大的挑战。

为了克服这些局限性和挑战,深度学习逐渐成为了人工智能领域的主流方法。深度学习算法不需要手工特征工程,能够自动从原始数据中提取抽象的、高阶的特征表示,同时也具备强大的泛化能力和自适应能力,可以处理复杂的非线性关系和大规模的高维数据。

III. 深度学习的兴起

深度学习的基本概念和方法

深度学习是一种基于人工神经网络的机器学习方法,它通过多层非线性变换将原始数据映射到高阶的抽象特征空间中,并利用这些特征进行分类、回归、聚类、降维等任务。

深度学习中用到的基本概念包含以下几个:

  1. 神经网络:神经网络是深度学习的核心组成部分,它由多个神经元组成的层级结构构成。神经网络可以拟合任意复杂的非线性映射,具有较强的表达能力和泛化能力。

  2. 前向传播:前向传播是神经网络的基本运算,它通过多次非线性变换将输入数据映射到输出空间中,其中每一层的输出作为下一层的输入。

  3. 反向传播:反向传播是神经网络的训练方法,它通过误差反向传播的方式,计算出每个神经元对误差的贡献,并根据贡献大小对网络参数进行调整,以最小化目标函数。

  4. 激活函数:激活函数是神经元的非线性变换,它将神经元的输入映射到输出空间中。常见的激活函数包括 sigmoid 函数、ReLU 函数、tanh 函数等。

  5. 损失函数:损失函数是衡量模型预测值与真实值之间差距的函数,通常用于监督学习任务中。常见的损失函数包括均方误差、交叉熵、对数损失等。

  6. 优化算法:优化算法是反向传播的核心,它通过调整网络参数来最小化损失函数。常见的优化算法包括随机梯度下降、动量优化、自适应学习率优化等。

在进行深度学习时,通常有以下研究方法,或者说神经网络的类型,这里简单介绍了下,可能不全,欢迎补充哈~

  1. 卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN):主要应用于图像和视频数据的识别和分类,它利用卷积层和池化层对输入数据进行多次特征提取和降维,最后通过全连接层将特征映射到输出空间中。

  2. 循环神经网络(Recurrent Neural Networks, RNN):主要应用于序列数据的建模和预测,它通过循环连接实现对历史信息的记忆和利用,从而实现对未来事件的预测。

  3. 长短时记忆网络(Long Short-Term Memory, LSTM):是一种特殊的循环神经网络,能够有效地解决传统 RNN 在长序列中出现的梯度消失和爆炸问题,适用于序列建模、自然语言处理等任务。

  4. 自编码器(Autoencoder, AE):是一种无监督学习方法,通过对输入数据进行编码和解码,实现特征提取和降维,具有一定的去噪、数据压缩和特征学习能力。

  5. 对抗生成网络(Generative Adversarial Networks, GAN):是一种生成模型,通过两个神经网络的对抗学习,实现对数据的生成和重建,广泛应用于图像生成、视频合成等领域。

  6. 强化学习(Reinforcement Learning, RL):是一种基于智能体与环境交互的学习方法,通过尝试不同的行动来最大化奖励信号,从而达到特定的目标,适用于游戏、机器人控制等领域。

这些研究方法的应用范围十分广泛,同样也可以用于图像识别、语音识别、自然语言处理、推荐系统、自动驾驶、金融预测、医疗诊断等领域。

深度学习的发展历程

简单说说深度学习的发展历程和重要里程碑

深度学习的发展历程可以追溯到上世纪 80 年代,但直到 2006 年,Hinton 等人提出的深度置信网络(Deep Belief Networks, DBN)才开始引起广泛关注。自此之后,深度学习得到快速发展,涌现出许多重要里程碑,如:

  1. LeNet-5:1998 年,Yann LeCun 等人提出的卷积神经网络模型,首次将卷积和池化操作应用于手写数字识别任务中,取得了优异的成果。

  2. AlexNet:2012 年,Alex Krizhevsky 等人在 ImageNet 图像识别竞赛中提出的深度卷积神经网络模型,使用 ReLU 激活函数和 Dropout 技术,大幅提升了图像识别的准确率,成为深度学习领域的里程碑之一。

  3. GoogLeNet/Inception:2014 年,Google 提出的深度卷积神经网络模型,采用 Inception 模块实现不同卷积核的并行运算,大幅减少了模型参数量,提高了模型的效率和准确率。

  4. ResNet:2015 年,Microsoft 提出的残差网络模型,通过引入残差块实现深度网络的训练和优化,有效解决了深度学习中的梯度消失和模型退化问题,成为深度学习领域的重要进展。

  5. AlphaGo:2016 年,DeepMind 团队利用深度强化学习技术开发的围棋人工智能程序,首次击败世界围棋冠军李世石,引起全球关注。

这些模型的提出和应用,推动了深度学习在图像识别、语音识别、自然语言处理等领域的广泛应用,同时也催生了更多的深度学习算法和模型,推动了人工智能技术的快速发展。

深度学习的成功案例

深度学习的成功案例很多,本文选了三个领域,简单举个例子

  1. 图像识别:ImageNet 图像识别竞赛上,深度学习模型的表现超越了传统机器学习算法。2012 年,AlexNet 在 ImageNet 图像识别竞赛上首次使用深度学习模型,取得了超过其他算法 10%以上的准确率提升,开启了深度学习在图像识别领域的热潮。之后,GoogLeNet、ResNet 等深度学习模型也相继在 ImageNet 竞赛中取得了优异的成绩,使得深度学习在图像识别领域得到广泛应用,如自动驾驶、人脸识别、安防监控等。

  2. 自然语言处理:深度学习在自然语言处理领域的成功应用主要包括机器翻译、语音识别、情感分析等。Google 的神经机器翻译系统(GNMT)利用深度学习技术,实现了不同语种之间的自动翻译,取得了很好的效果。同时,深度学习也被广泛应用于语音识别领域,如 Siri、Alexa 等语音助手,以及自动化的语音客服系统等。情感分析也是深度学习在自然语言处理领域的重要应用,可以自动识别一段文本的情感倾向,如正面、负面或中性等,有助于帮助企业了解用户反馈、舆情监测等。

  3. 游戏人工智能:DeepMind 的 AlphaGo 利用深度学习技术,击败了世界围棋冠军李世石,成为深度学习在游戏人工智能领域的成功案例。除了围棋,深度学习还被应用于其他游戏中,如星际争霸、自动驾驶游戏等,取得了显著的成效。

深度学习的优势和挑战

相比于机器学习,深度学习的优势主要有以下几个方面:

  1. 强大的表征能力:深度学习通过多层神经网络的组合和优化,可以从原始数据中提取出更高层次的抽象特征,有效地解决了传统机器学习方法中的“维度灾难”问题,从而在图像识别、自然语言处理等领域获得了极高的准确率和鲁棒性。

  2. 自适应性:深度学习模型可以通过大量的训练数据和反馈机制不断调整和优化参数,实现自适应学习和迭代优化,能够更好地适应复杂、多变的数据分布和任务需求。

  3. 高度并行化:深度学习模型可以采用 GPU 等高性能硬件进行高效并行计算,大大提高了模型训练和预测的速度,能够更快地响应实时的应用需求。

不过,深度学习也面临一些挑战,主要包括以下几个方面:

  1. 数据需求:深度学习模型需要大量的数据进行训练,否则模型的表现会受到限制,但现实中获取大规模高质量的训练数据仍然是一大挑战。

  2. 算法复杂度:深度学习模型的算法复杂度很高,需要大量的计算资源和算法优化技术才能实现高效的训练和预测。

  3. 可解释性:深度学习模型在处理复杂任务时可以达到很高的准确率,但是其决策过程和内部机制比较难以解释和理解,这也限制了深度学习模型在一些关键应用领域的应用。

IV. 人工智能的未来发展

人工智能是一项快速发展的技术,未来的发展趋势和方向可以从以下几个方面分析:

  1. 大模型和自学习:近年来,随着计算能力和数据量的不断增加,大型深度学习模型在图像、语音、自然语言处理等领域获得了广泛的应用,例如 BERT、GPT 等大语言模型已经在自然语言处理领域取得了很大的进展。未来,大型深度学习模型将会越来越普及,同时也将更加注重自学习的能力,即使在少量的监督信号下,也可以自动学习复杂的规律和知识。

  2. 多模态融合:人工智能不仅可以处理单一类型的数据,如图像、音频、文本等,还可以处理多种类型的数据,例如视频、三维物体等。未来,多模态数据处理和融合将会成为人工智能的重要方向。

  3. 面向应用场景的定制化:不同的应用场景对人工智能的需求不同,例如智能交通、智能医疗、智能制造等领域需要的人工智能算法和系统也不尽相同。未来,人工智能将越来越面向不同的应用场景进行定制化的开发和应用。

  4. 可解释性和可信度:目前,深度学习模型的可解释性和可信度问题一直是人工智能领域的难点。未来,将会有更多的研究关注于如何使得人工智能算法更加可解释和可信。

  5. 人机协作:人工智能将与人类更加紧密地协作,共同完成各种任务。未来,人机协作将成为人工智能领域的一个重要发展方向。

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