人工智能、机器学习和深度学习的概念及关系

1、人工智能、机器学习和深度学习的概念及关系

人工智能、机器学习和深度学习的概念在近些年十分火热,但很多从业者也难以说清它们之间的关系,外行人更是雾里看花。学习深度学习,需要先从三个概念的正本清源开始。
三者覆盖的技术范畴是逐层递减的,人工智能是最宽泛的概念,机器学习则是实现人工智能的一种方式,也是目前较有效的方式。深度学习是机器学习算法中最热的一个分支,在近些年取得了显著的进展,并代替了多数传统机器学习算法。所以,三者的关系可用下图表示,人工智能>机器学习>深度学习。
人工智能、机器学习和深度学习的概念及关系_第1张图片
人工智能概念:是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的科学。 由于这个定义只阐述了目标,而没限定方法。所以,实现人工智能存在的诸多方法和分支,导致其变成一个“大杂烩”式的学科。

与此不同,机器学习,尤其是监督学习则有更加明确的指代。机器学习是专门研究计算机怎样模拟或实现人类的学习行为,以获取新的知识或技能,重新组织已有的知识结构使之不断改善自身的性能。机器学习的实现步骤可以分成两步,训练和预测。这两个专业名词类似于归纳和演绎的含义。归纳是从具体案例中抽象一般规律,机器学习中的“训练”亦是如此。从一定数量的样本(已知模型输入X和模型输出Y)中,学习出输出Y与输入X的关系(可以想象成是某种表达式)。演绎则是从一般规律推导出具体案例的结果,机器学习中的预测亦是如此。基于训练得到的Y与X之间的关系,遇到新出现的输入X,计算出输出Y。在多数时候,通过模型计算得到的输出,如果和真实场景中的输出一致,说明模型是有效的。

2、人脑视觉机理
人工智能、机器学习和深度学习的概念及关系_第2张图片
总的来说,人的视觉系统的信息处理是分级的。从低级的V1区提取边缘特征,再到V2区的形状或者目标的部分等,再到更高层,整个目标、目标的行为等。也就是说高层的特征是低层特征的组合,从低层到高层的特征表示越来越抽象,越来越能表现语义或者意图。而抽象层面越高,存在的可能猜测就越少,就越利于分类。例如,单词集合和句子的对应是多对一的,句子和语义的对应又是多对一的,语义和意图的对应还是多对一的,这是个层级体系。
3、Deep Learning的基本思想
假设我们有一个系统S,它有n层(S1,…Sn),它的输入是I,输出是O,形象地表示为: I =>S1=>S2=>……=>Sn => O,如果输出O等于输入I,即输入I经过这个系统变化之后没有任何的信息损失(呵呵,大牛说,这是不可能的)保持了不变,这意味着输入I经过每一层Si都没有任何的信息损失,即在任何一层Si,它都是原有信息(即输入I)的另外一种表示。现在回到我们的主题Deep Learning,我们需要自动地学习特征,假设我们有一堆输入I(如一堆图像或者文本),假设我们设计了一个系统S(有n层),我们通过调整系统中参数,使得它的输出仍然是输入I,那么我们就可以自动地获取得到输入I的一系列层次特征,即S1,…, Sn。
对于深度学习来说,其思想就是对堆叠多个层,也就是说这一层的输出作为下一层的输入。通过这种方式,就可以实现对输入信息进行分级表达了。
另外,前面是假设输出严格地等于输入,这个限制太严格,我们可以略微地放松这个限制,例如我们只要使得输入与输出的差别尽可能地小即可,这个放松会导致另外一类不同的Deep Learning方法。上述就是Deep Learning的基本思想。

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