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机器学习的定义与起源,我国机器学习发展现状和出路?

木马童年 2017-10-31 12:58 1365 0

机器学习是数据科学的核心,是现代人工智能的本质。通俗地说,机器学习就是从数据中挖掘出有价值的信息。数据本身是无意识的,它不能自动呈现出有用的信息。怎样才能找出有价值的东西呢?
        近年来,人工智能的强势崛起,特别是去年AlphaGo和韩国九段棋手李世石的人机大战,让我们深刻地领略到了人工智能技术的巨大潜力。数据是载体,智能是目标,而机器学习是从数据通往智能的技术、方法途径。因此,机器学习是数据科学的核心,是现代人工智能的本质。通俗地说,机器学习就是从数据中挖掘出有价值的信息。
数据本身是无意识的,它不能自动呈现出有用的信息。怎样才能找出有价值的东西呢?第一步要给数据一个抽象的表示;接着基于表示进行建模;然后估计模型的参数,也就是计算;为了应对大规模的数据所带来的问题,我们还需要设计一些高效的实现手段,包括硬件层面和算法层面。统计是建模的主要工具和途径,而模型求解大多被定义为一个优化问题或后验抽样问题,具体地,频率派方法其实就是一个优化问题。而贝叶斯模型的计算则往往牵涉蒙特卡罗(Monte Carlo) 随机抽样方法。因此,机器学习是计算机科学和统计学的交叉学科。 借鉴计算机视觉理论创始人马尔 (Marr) 的关于计算机视觉的三级论定义,我把机器学习也分为三个层次:初级、中级和高级。初级阶段是数据获取以及特征的提取。中级阶段是数据处理与分析,它又包含三个方面:首先是应用问题导向,简单地说,它主要应用已有的模型和方法解决一些实际问题,这可以理解为数据挖掘;其次,根据应用问题的需要,提出和发展模型、方法和算法以及研究支撑它们的数学原理或理论基础等,这则是机器学习学科的核心内容;第三,通过推理达到某种智能。高级阶段是智能与认知,即实现智能的目标。数据挖掘和机器学习本质上是一样的,其区别是数据挖掘更接近于数据端,而机器学习则更接近于智能端。

统计与计算

让我们具体讨论计算机与统计学之间的关系。计算机学家通常具有强大的计算能力和解决问题的直觉,而统计学家擅长于理论分析和问题建模,因此,两者具有很好的互补性。Boosting、支持向量机 (SVM)、集成学习和稀疏学习是机器学习界也是统计界在近十年或者是近二十年来最为活跃的方向,这些成果是统计界和计算机科学界共同努力成就的。例如,数学家瓦普尼克 (Vapnik) 等人早在20 世纪60 年代就提出了支持向量机的理论,但直到计算机界于90 年代末发明了非常有效的求解算法,并随着后续大量实现代码的开源,支持向量机现在成为了分类算法的一个基准模型。再比如,核主成分分析(Kernel Principal Component Analysis, KPCA) 是由计算机学家提出的一个非线性降维方法,其实它等价于经典多维尺度分析(Multi-Dimensional Scaling, MDS)。而后者在统计界是很早就存在的,但如果没有计算机界重新发现,有些好的东西可能就被埋没了。

计算机界和统计界的通力合作,成就了机器学习从20世纪90年代中期到21世纪00年代中期的黄金发展时期,主要标志是学术界涌现出一批重要成果,比如,基于统计学习理论的支持向量机、随机森林和Boosting等集成分类方法,概率图模型,基于再生核理论的非线性数据分析与处理方法,非参数贝叶斯方法,基于正则化理论的稀疏学习模型及应用等等。这些成果奠定了统计学习的理论基础和框架。

机器学习现在已成为统计学的一个主流方向,许多著名大学的统计系纷纷从机器学习领域招聘教授,比如斯坦福大学统计系新进的两位助理教授来自机器学习专业。计算在统计领域已经变得越来越重要,传统多元统计分析是以矩阵分解为计算工具, 现代高维统计则是以优化为计算工具。

现在计算机界戏称机器学习为“全能学科”,它无所不在。除了有其自身的学科体系外,机器学习还有两个重要的辐射功能。一是为应用学科提供解决问题的方法与途径。对于一个应用学科来说,机器学习的目的就是把一些难懂的数学翻译成让工程师能够写出程序的伪代码。二是为一些传统学科,比如统计、理论计算机科学、运筹优化等找到新的研究问题。因此,大多数世界著名大学的计算机学科把机器学习或人工智能列为核心方向,扩大机器学习领域的教师规模,而且至少要保持两、三个机器学习研究方向具有一流竞争力。有些计算机专业有1/3甚至1/2的研究生选修机器学习或人工智能。

然而,机器学习是一门应用学科,它需要在工业界发挥作用,能为他们解决实际问题。幸运的是,机器学习切实能被用来帮助工业界解决问题。特别是当下的热点,比如说深度学习、AlphaGo、无人驾驶汽车、人工智能助理等对工业界的巨大影响。当今IT的发展已从传统的微软模式转变到谷歌模式。传统的微软模式可以理解为制造业,而谷歌模式则是服务业。谷歌搜索完全是免费的,服务社会,他们的搜索技术做得越来越极致,同时创造的财富也越来越丰厚。

财富蕴藏在数据中,而挖掘财富的核心技术则是机器学习,因此谷歌认为自己是一家机器学习公司。深度学习作为当今最有活力的机器学习方向,在计算机视觉、自然语言理解、语音识别、智力游戏等领域的颠覆性成就,造就了一批新兴的创业公司。工业界对机器学习领域的人才有大量的需求。不仅仅需要代码能力强的工程师,也需要有数学建模和解决问题的科学家。

机器学习在我国得到了广泛的关注,也取得了一定的成绩,但我觉得大多数研究集中在数据挖掘层面,我国从事纯粹机器学习研究的学者屈指可数。在计算机学术界,理论、方法等基础性的研究没有得到足够重视,一些理论背景深厚的领域甚至被边缘化。而一些“过剩学科”、“夕阳学科”则聚集了大量的人力、财力,这使得我国在国际主流计算机领域中缺乏竞争力和影响力。

统计学在我国还是一个弱势学科,最近才被国家定为一级学科。我国统计学处于两个极端,一是它被当作数学的一个分支,主要研究概率论、随机过程以及数理统计理论等。二是它被划为经济学的分支,主要研究经济分析中的应用。而机器学习在统计学界还没有被深度地关注。统计学和计算机科学仍处于沃塞曼所说的“各自为战”阶段。

我国计算机学科的培养体系还基本停留在早期发展阶段,如今的学生从小就与计算机接触,他们的编程能力和国外学生相比没有任何劣势。但由于理论知识一直没有被充分重视,而且统计学的重要性没有被充分认识到,这些造成了学生的数学能力和国外著名高校相比差距很大。我国大多数大学计算机专业的本科生都开设了人工智能课程,研究生则开设了机器学习课程,但无论是深度、宽度还是知识结构都落后于学科的发展,不能适应时代的需要。因此,人才的培养无论是质量还是数量都无法满足工业界的迫切需求。

目前数据科学专业在我国得到了极大的关注,北京大学、复旦大学和中国人民大学等依托雄厚的统计学实力纷纷建立了数据科学专业或大数据研究院,并已经开始招收本科生和研究生。但是目前还没有一所大学开设机器学习专业。机器学习对其他应用或理论学科有辐射作用,也是连接两者的纽带。一方面它可以为理论端储备人才,另一方面可以结合不同领域问题,比如医疗数据、金融数据、图像视频数据等,为应用端输送人才。因此,我认为在计算机科学和应用数学本科专业中,增加机器学习的训练是必要的。


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