機器學習？人工智慧？傻傻分不清楚？

摘要： 機器學習就是人工智慧？別在這樣認為了，太傻了！看完本文，搞清楚它們之間的關係吧。

原文

人工智慧並不是一個新的術語，它已經有幾十年的歷史了，大約從80年代初開始，計算機科學家們開始設計可以學習和模仿人類行為的演算法。

在演算法方面，最重要的演算法是神經網路，由於過擬合而不是很成功（模型太強大，但數據不足）。儘管如此，在一些更具體的任務中，使用數據來適應功能的想法已經取得了顯著的成功，並且這也構成了當今機器學習的基礎。

在模仿方面，人工智慧專註於圖像識別，語音識別和自然語言處理。人工智慧專家們花費了大量的時間來創建諸如邊緣檢測，顏色配置文件，N-gram，語法樹等。不過，這些進步還不足以達到我們的需求。

傳統的機器學習：

機器學習（ML）技術在預測中發揮了重要的作用，ML經歷了多代的發展，形成了具有豐富的模型結構，例如：

1.線性回歸。

2.邏輯回歸。

3.決策樹。

4.支持向量機。

5.貝葉斯模型。

6.正則化模型。

7.模型集成（ensemble）。

8.神經網路。

這些預測模型中的每一個都基於特定的演算法結構，參數都是可調的。訓練預測模型涉及以下步驟：

1. 選擇一個模型結構（例如邏輯回歸，隨機森林等）。

2. 用訓練數據（輸入和輸出）輸入模型。

3. 學習演算法將輸出最優模型（即具有使訓練錯誤最小化的特定參數的模型）。

每種模式都有自己的特點，在一些任務中表現不錯，但在其他方面表現不佳。但總的來說，我們可以把它們分成低功耗（簡單）模型和高功耗（複雜）模型。選擇不同的模型是一個非常棘手的問題。

由於以下原因，使用低功率/簡單模型是優於使用高功率/複雜模型：

• 在我們擁有強大的處理能力之前，訓練高功率模型將需要很長的時間。
• 在我們擁有大量數據之前，訓練高功率模型會導致過度擬合問題（因為高功率模型具有豐富的參數並且可以適應廣泛的數據形狀，所以我們最終可能訓練一個適合於特定到當前的訓練數據，而不是推廣到足以對未來的數據做好預測）。

然而，選擇一個低功率的模型會遇到所謂的「欠擬合」的問題，模型結構太簡單，如果它複雜，就無法適應訓練數據。（想像一下，基礎數據有一個二次方關係：y = 5 * x ^ 2;你無法適應線性回歸：y = a * x + b，不管我們選擇什麼樣的a和b。

為了緩解「不適合的問題」，數據科學家通常會運用他們的「領域知識」來提出「輸入特徵」，這與輸出關係更為直接。（例如，返回二次關係y = 5 * square（x），如果創建了一個特徵z = x ^ 2，則可以擬合線性回歸：y = a * z + b，通過選擇a = 5和b = 0）。

機器學習的主要障礙是特徵工程這個步驟，這需要領域專家在進入訓練過程之前就要找到非常重要的特徵。特徵工程步驟是要靠手動完成的，而且需要大量領域專業知識，因此它成為當今大多數機器學習任務的主要瓶頸。

換句話說，如果我們沒有足夠的處理能力和足夠的數據，那麼我們必須使用低功耗/更簡單的模型，這就需要我們花費大量的時間和精力來創建合適的輸入特徵。這是大多數數據科學家今天花時間去做的地方。

神經網路的回歸：

在大數據時代，雲計算和大規模並行處理基礎架構的共同發展，使得機器處理能力在二十一世紀初得到了極大的提升。我們不再局限於低功耗/簡單的模型。例如，當今最流行的兩種主流機器學習模型是隨機森林和梯度提升樹。儘管如此，兩者都非常強大，並且提供了非線性模型擬合的訓練數據，但數據科學家仍然需要仔細地創建特徵以獲得良好的性能。

與此同時，計算機科學家重新使用神經網路的許多層來完成這些人類模仿的任務。這給DNN（深度神經網路）帶來了新的生機，並在圖像分類和語音識別任務方面提供了重大突破。DNN的主要區別在於，你可以將原始信號（例如RGB像素值）直接輸入DNN，而不需要創建任何域特定的輸入功能。通過多層神經元（這就是為什麼它被稱為「深度」神經網路），DNN可以「自動」通過每一層產生適當的特徵，最後提供一個非常好的預測。這極大地消除了尋找「特徵工程」的麻煩，這是數據科學家們最喜歡看到的。

DNN也演變成許多不同的網路拓撲結構，所以有CNN（卷積神經網路），RNN（遞歸神經網路），LSTM（長期短期記憶），GAN（生成敵對網路），轉移學習，注意模型（attention model）所有的這些被統稱為深度學習（Deep Learning），它正在引起整個機器學習界的關注。

強化學習：

另一個關鍵組成部分是關於如何模仿一個人（或動物）的學習，設想感知/行為/獎勵循環的非常自然的動物行為。一個人或者一個動物首先會通過感知他或者她所處的狀態來了解環境。在此基礎上，他或者她會選擇一個「動作」，將他或者她帶到另一個「狀態」。那麼他或她將獲得「獎勵」，循環重複，直到他或她消失。這種學習方式（稱為強化學習）與傳統監督機器學習的曲線擬合方法有很大不同。尤其是，強化學習學習得非常快，因為每一個新的反饋（例如執行一個行動並獲得獎勵）都被立即發送到影響隨後的決定。

強化學習也提供了預測和優化的平滑整合，因為它在採取不同的行動時保持當前狀態的信念和可能的轉換概率，然後做出決定哪些行動可以導致最佳結果。

深度學習+強化學習= AI

與經典的ML技術相比，DL提供了一個更強大的預測模型，通常可以產生良好的預測結果。與經典優化模型相比，強化學習提供了更快的學習機制，並且更適應環境的變化。

文章原標題《how-ai-differs-from-ml》

作者：Ricky Ho

譯者：虎說八道，審校：。