一文了解人工智能的概念元素资料下载

人工���能的发展曾经经历过几次起起伏伏，近来在深度学习技术的推动下又迎来了一波新的前所未有的高潮。近日，IBM 官网发表了一篇概述文章，对人工智能技术的发展过程进行了简单梳理，同时还图文并茂地介绍了感知器、聚类算法、基于规则的系统、机器学习、深度学习、神经网络等技术的概念和原理。 人类对如何创造智能机器的思考从来没有中断过。期间，人工智能的发展起起伏伏，有成功，也有失败，以及其中暗藏的潜力。今天，有太多的新闻报道是关于机器学习算法的应用问题，从癌症检查预测到图像理解、自然语言处理，人工智能正在赋能并改变着这个世界。 现代人工智能的历史具备成为一部伟大戏剧的所有元素。在最开始的 1950 年代，人工智能的发展紧紧围绕着思考机器和焦点人物比如艾伦·图灵、冯·诺伊曼，迎来了其第一次春天。经过数十年的繁荣与衰败，以及难以置信的高期望，人工智能及其先驱们再次携手来到一个新境界。现在，人工智能正展现着其真正的潜力，深度学习、认知计算等新技术不断涌现，且不乏应用指向。 本文探讨了人工智能及其子领域的一些重要方面。下面就先从人工智能发展的时间线开始，并逐个剖析其中的所有元素。 现代人工智能的时间线 1950 年代初期，人工智能聚焦在所谓的强人工智能，希望机器可以像人一样完成任何智力任务。强人工智能的发展止步不前，导致了弱人工智能的出现，即把人工智能技术应用于更窄领域的问题。1980 年代之前，人工智能的研究一直被这两种范式分割着，两营相对。但是，1980 年左右，机器学习开始成为主流，它的目的是让计算机具备学习和构建模型的能力，从而它们可在特定领域做出预测等行为。 图 1：现代人工智能发展的时间线 在人工智能和机器学习研究的基础之上，深度学习在 2000 年左右应运而生。计算机科学家在多层神经网络之中使用了新的拓扑学和学习方法。最终，神经网络的进化成功解决了多个领域的棘手问题。 在过去的十年中，认知计算（Cognitive computing）也出现了，其目标是打造可以学习并与人类自然交互的系统。通过成功地击败 Jeopardy 游戏的世界级选手，IBM Watson 证明了认知计算的价值。 在本文中，我将逐一探索上述的所有领域，并对一些关键算法作出解释。 基础性人工智能 1950 年之前的研究提出了大脑是由电脉冲网络组成的想法，正是脉冲之间的交互产生了人类思想与意识。艾伦·图灵表明一切计算皆是数字，那么，打造一台能够模拟人脑的机器也就并非遥不可及。 上文说过，早期的研究很多是强人工智能，但是也提出了一些基本概念，被机器学习和深度学习沿用至今。 图 2：1950 - 1980 年间人工智能方法的时间线 人工智能搜索引擎 人工智能中的很多问题可以通过强力搜索（brute-force search）得到解决。然而，考虑到中等问题的搜索空间，基本搜索很快就受影响。人工智能搜索的最早期例子之一是跳棋程序的开发。亚瑟·塞缪尔（Arthur Samuel）在 IBM 701 电子数据处理机器上打造了第一款跳棋程序，实现了对搜索树（alpha-beta 剪枝）的优化；这个程序也记录并奖励具体行动，允许应用学习每一个玩过的游戏（这是首个自我学习的程序）。为了提升程序的学习率，塞缪尔将其编程为自我游戏，以提升其游戏和学习的能力。 尽管你可以成功地把搜索应用到很多简单问题上，但是当选择的数量增加时，这一方法很快就会失效。以简单的一字棋游戏为例，游戏一开始，有 9 步可能的走棋，每 1 个走棋有 8 个可能的相反走棋，依次类推。一字棋的完整走棋树包含 362,880 个节点。如果你继续将这一想法扩展到国际象棋或者围棋，很快你就会发展搜索的劣势。 感知器 感知器是单层神经网络的一个早期监督学习算法。给定一个输入特征向量，感知器可对输入进行具体分类。通过使用训练集，网络的权重和偏差可为线性分类而更新。感知器的首次实现是 IBM 704，接着在自定义硬件上用于图像识别。 图 3：感知器与线性分类 作为一个线性分类器，感知器有能力解决线性分离问题。感知器局限性的典型实例是它无法学习专属的 OR (XOR) 函数。多层感知器解决了这一问题，并为更复杂的算法、网络拓扑学、深度学习奠定了基础。 聚类算法 使用感知器的方法是有监督的。用户提供数据来训练网络，然后在新数据上对该网络进行测试。聚类算法则是一种无监督学习（unsupervised learning）方法。在这种模型中，算法会根据数据的一个或多个属性将一组特征向量组织成聚类。 图 4：在一个二维特征空间中的聚类 你可以使用少量代码就能实现的最简单的聚类算法是 k-均值（k-means）。其中，k 表示你为样本分配的聚类的数量。你可以使用一个随机特征向量来对一个聚类进行初始化，然后将其它样本添加到其最近邻的聚类（假定每个样本都能表示一个特征向量，并且可以使用 Euclidean distance 来确定「距离」）。随着你往一个聚类添加的样本越来越多，其形心（centroid，即聚类的中心）就会重新计算。然后该算法会重新检查一次样本，以确保它们都在最近邻的聚类中，最后直到没有样本需要改变所属聚类。 尽管 k-均值聚类相对有效，但你必须事先确定 k 的大小。根据数据的不同，其它方法可能会更加有效，比如分层聚类（hierarchical clustering）或基于分布的聚类（distribution-based clustering）。 决策树 决策树和聚类很相近。决策树是一种关于观察（observation）的预测模型，可以得到一些结论。结论在决策树上被表示成树叶，而节点则是观察分叉的决策点。决策树来自决策树学习算法，其中数据集会根据属性值测试（attribute value tests）而被分成不同的子集，这个分割过程被称为递归分区（recursive partitioning）。 考虑下图中的示例。在这个数据集中，我可以基于三个因素观察到某人是否有生产力。使用一个决策树学习算法，我可以通过一个指标来识别属性（其中一个例子是信息增益）。在这个例子中，心情（mood）是生产力的主要影响因素，所以我根据 Good Mood 一项是 Yes 或 No 而对这个数据集进行了分割。但是，在 Yes 这边，还需要我根据其它两个属性再次对该数据集进行切分。表中不同的颜色对应右侧中不同颜色的叶节点。 图 5：一个简单的数据集及其得到的决策树 决策树的一个重要性质在于它们的内在的组织能力，这能让你轻松地（图形化地）解释你分类一个项的方式。流行的决策树学习算法包括 C4.5 以及分类与回归树（Classification and Regression Tree）。 基于规则的系统 最早的基于规则和推理的系统是 Dendral，于 1965 年被开发出来，但直到 1970 年代，所谓的专家系统（expert systems）才开始大行其道。基于规则的系统会同时存有所需的知识的规则，并会使用一个推理系统（reasoning system）来得出结论。 基于规则的系统通常由一个规则集合、一个知识库、一个推理引擎（使用前向或反向规则链）和一个用户接口组成。下图中，我使用了知识「苏格拉底是人」、规则「如果是人，就会死」以及一个交互「谁会死？」 图 6：基于规则的系统 基于规则的系统已经在语音识别、规划和控制以及疾病识别等领域得到了应用。上世纪 90 年代人们开发的一个监控和诊断大坝稳定性的系统 Kaleidos 至今仍在使用。 机器学习 机器学习是人工智能和计算机科学的一个子领域，也有统计学和数学优化方面的根基。机器学习涵盖了有监督学习和无监督学习领域的技术，可用于预测、分析和数据挖掘。机器学习不限于深度学习这一种。但在这一节，我会介绍几种使得深度学习变得如此高效的算法。 图 7：机器学习方法的时间线 反向传播 神经网络的强大力量源于其多层的结构。单层感知器的训练是很直接的，但得到的网络并不强大。那问题就来了：我们如何训练多层网络呢？这就是反向传播的用武之地。