AI

人工智能（Artificial Intelligence, AI）是一个宏大的概念，它指的是让机器像人类一样思考、学习和行动的科学。不过，在实际应用中，AI 主要分为两个截然不同的概念：

• ANI（弱人工智能），专门针对某个特定任务设计的 AI。它只能做一件事，而且做得非常好
• AGI（强人工智能），它拥有跨领域的学习、理解、推理和解决问题的能力，可以用来做任何事情，甚至可能超过人类

AI 如何工作？从传统编程到机器学习

为了理解 AI 的核心，可以将其与传统的编程方式进行对比，假设想编写一个程序来识别照片中的人脸：

• 传统编程：需要编写非常详细、硬编码的规则。比如，“如果看到一个圆形的物体，上方有两只眼睛，下方有一个嘴巴，就把它标记为人脸。”必须穷尽所有可能性，考虑到不同的角度、光线、面部表情等。这个过程极其复杂，且几乎不可能完美实现
• 机器学习： 这种方法完全不同，不需要编写规则，而是向程序提供大量的例子。给它数百万张照片，并告诉它：“这张是人脸，这张不是。”然后，机器学习算法会自己从这些带标签的数据中摸索出一套规则，来判断输入是人脸还是非人脸。这套由机器自己“学”出来的规则，通常比人工编写的规则要好得多，也更具通用性。

机器学习的两个核心阶段

这个过程包含两个重要阶段：

• 训练阶段（Training phase）：这是 AI 的“学习”时期，就像教孩子认字一样，你将大量的带标签数据（比如“这张图是猫”）喂给一个模型。在这一阶段，模型会反复调整内部参数，不断学习数据与答案之间的映射关系。它会尝试不同的规则，然后根据每次的错误程度进行微调，直到输出的结果越来越接近我们期望的答案。这个过程计算量很大，可能持续几毫秒到几天
• 推理阶段 (Inference Phase)：这是 AI 的“应用”时期，一旦模型训练完成，它就能对全新的、未见过的数据快速做出预测。这个阶段计算量较小，因为模型无需再学习，只需将学到的规则应用到新的输入上

这种通过带标签的样例来逐步减小模型输出误差的学习方法，被称为监督式学习（Supervised Learning）,绝大多数深度学习算法都属于这个范畴

深度学习、神经网络与数据

深度学习和神经网络

深度学习（Deep Learning）和神经网络（Neural Networks）这两个词经常可以互换使用，它们是目前推动 AI 飞速发展的主要技术

可以把神经网络想象成一个庞大而复杂的计算网络，由许多“神经元”连接而成。每个神经元负责进行一个简单的计算，并将结果传递给下一个神经元。这些神经元被组织成多层，从输入层、多个隐藏层，再到输出层。这就是为什么它被称为“深度”学习——因为它的层数很多

它的“魔力”在于：只需要给它大量的输入和对应的输出，它就会自己搞清楚中间的计算过程。例如，在人脸识别任务中，输入一张照片的像素值，并告诉它这是“人脸”。不需要关心隐藏层是如何工作的，神经网络会自己学习从像素到“人脸”的复杂映射关系

数据：AI 的“燃料”

对于一个机器学习模型来说，数据是至关重要的。数据就像是 AI 的食物，没有足够的数据，再强大的模型也无法发挥作用

数据集（Dataset）通常由一组输入和对应的输出组成。例如，如果想训练一个 AI 来预测房价，数据集可能包含房子的“大小”、“卧室数量”（输入）和对应的“价格”（输出）。数据的质量和数量直接决定了 AI 模型的表现：

• 数据多多益善：通常，数据量越大，模型的泛化能力越强，预测也越准确
• 数据质量决定上限：如果数据本身存在错误或不准确，AI 也会学到错误的规律，导致输出结果不可靠。因此，数据清理和预处理是 AI 项目中非常重要的一步

比如有个想要给某个房子定价，可能会收集以下数据：

大小（平米）	卧室数量	价格（1000 人民币）
90	2	612
110	3	752
129	3	876
200	4	153

现在，互联网上有很多开放的数据集可供下载和使用

优化 AI 的核心机制

训练一个 AI 模型，就像让它在一个复杂的山谷里找到最低点。这个最低点就是模型的最佳状态，也就是误差最小的时候。这个过程离不开以下几个关键概念：

• 损失函数（Loss Function）
• 梯度下降（Gradient Descent）
• 优化器（Optimizer）

损失函数

损失函数是衡量模型“犯了多少错误”的工具，它计算模型的预测值和真实值之间的差异。想象在玩一个扔飞镖的游戏，目标是红心。损失函数就像是一个计分板，它会量化每一支飞镖离红心的距离。距离越远，分数（损失值）越高。我们的目标就是通过调整模型的参数，让这个“损失值”变得尽可能小

不同的任务使用不同的损失函数：

• 回归任务：均方误差（MSE），预测连续值，如房价。
• 分类任务：交叉熵（Cross-Entropy Loss），用于多分类问题，如垃圾邮件

梯度下降

梯度下降是一种优化算法，它的作用就是帮助模型找到损失函数的“最低点”。想象在一个浓雾弥漫的山坡上，想要走到山谷的最低处。看不到整个山谷的全貌，但每一步都可以感受到地面的坡度。梯度下降的核心思想就是：沿着坡度最陡峭的方向下坡。每走一小步，就调整一次方向，直到最终到达谷底。它会不断调整模型的参数（比如神经网络中神经元之间的权重），每次调整都保证损失值会下降，从而逐步接近最优解

为了提高效率，梯度下降有几种变体：

• 批量梯度下降（Batch Gradient Descent）：每走一步都看清整个山坡（使用所有训练数据），准确但速度慢
• 随机梯度下降（Stochastic Gradient Descent, SGD）：每走一步只看脚下的一小块地方（使用一个样本）。速度快但方向不稳定
• 小批量梯度下降（Mini-batch Gradient Descent）：综合了前两者的优点，每次看一部分地方（使用一小批次数据），这是实际应用中最常见的方法。

优化器

优化器是实现梯度下降的具体策略，它决定了模型如何根据梯度（坡度）来更新参数。如果说梯度下降告诉你“往下坡走”，那么优化器则告诉你“怎么下坡”。是小步慢跑，还是大步流星？是遇到平坦地带加速，还是遇到陡峭地带放慢脚步？优化器提供了更智能的更新策略，旨在让训练更快、更稳定，并避免陷入局部最优解。

常见的优化器有：

• Adam：一种非常流行的自适应学习率优化器，它能为每个参数动态调整“步长”
• RMSprop：另一种常用的自适应优化器，在处理非平稳目标时表现良好

走火入魔：过拟合与欠拟合

在训练 AI 模型时，有两个常见的陷阱需要避免：

• 欠拟合（Underfitting）：模型过于简单，甚至无法从训练数据中学习到基本的规律。模型在训练集和测试集上的表现都很差
• 过拟合（Overfitting）：模型“死记硬背”了训练集中的每一个样本，包括其中的噪声和异常值，但没有学到数据背后的普遍规律，模型在训练集上表现完美，但在新的、未见过的数据（测试集）上表现急剧下降，就像一个学生，只会背书本上的例题，遇到稍微改动过的题目就完全不会做

机器学习模型的最终目标是泛化，即能够对新的未知数据做出准确的预测或判断。过拟合的模型失去了泛化能力，它仅仅是“记住”了训练数据，而不是“理解”了数据背后的模式。因此，一个过拟合的模型在实际应用中是不可靠的，会做出错误的预测。有多种技术可以减轻或防止过拟合：

• 增加训练数据量 (More Data): 这是最直接有效的方法。更多的数据可以帮助模型学到更真实的模式，而不是噪声。
• 简化模型 (Simplify Model): 使用更简单的模型结构，减少参数数量。例如，减少神经网络的层数或每层的神经元数量。
• 正则化 (Regularization): 在损失函数中添加一个惩罚项，以限制模型的复杂度。常见的正则化方法包括 L1 正则化（Lasso）和 L2 正则化（Ridge）。
• 提前停止 (Early Stopping): 在训练过程中监控验证集的性能，当验证集性能不再提升时，提前停止训练。
• 数据增强 (Data Augmentation): 通过对训练数据进行随机变换（如旋转、缩放、翻转等）来增加训练样本的多样性，从而提高模型的泛化能力。
• Dropout: 在训练过程中随机丢弃一部分神经元，以减少模型对特定神经元的依赖，从而提高泛化能力。
• 交叉验证 (Cross-Validation): 例如 k 折交叉验证，将训练数据分成 k 份，轮流将一份作为验证集，其余 k-1 份作为训练集进行训练和评估。这能更可靠地评估模型的泛化能力，并帮助选择合适的超参数。
• 特征选择/降维 (Feature Selection/Dimensionality Reduction): 移除与任务无关或冗余的特征，降低数据维度，减少模型需要学习的复杂性。

其他重要的机器学习技术

除了以深度学习为核心的神经网络，还有许多其他优秀的机器学习算法，它们在处理非感知数据（如表格数据）时表现出色：

• 朴素贝叶斯分类器（naive Bayes classifier）：一种基于概率的分类算法，简单高效
• 逻辑回归 (Logistic Regression)：一种广泛使用的线性分类算法，简单且灵活
• 决策树 (Decision Tree)：结构类似流程图，非常直观且易于理解。它通过一系列“是/否”问题来对数据进行分类或预测

机器学习流程与基础设施

一个完整的机器学习项目通常遵循以下流程：收集数据 -> 清理数据 -> 训练模型 -> 评估模型 -> 部署模型

为了简化复杂的开发过程，许多团队开发了强大的机器学习框架，其中最主流的是：

• PyTorch：由 Meta (Facebook) 开发，以其灵活性和易用性受到研究人员的青睐
• TensorFlow：由 Google 开发，功能强大且生态系统成熟

GPU (Graphics Processing Unit) 原本是为处理电脑图形而设计的。但由于其大规模并行计算的特性，它被证明非常适合处理大型神经网络所需的复杂数学运算，因此成为了训练 AI 模型的首选硬件

参考资料

• 动手学习深度学习