2017-10-20 方弦
不管我們是否愿意，形形式式的人工智能早已深入日常生活。對違章車輛車牌的自動識別，網(wǎng)上搜索的自動推薦，懂得自己充電和探索地形的掃地機器人，還有會幫你自動排好日程的智能助理。這一切將人們從種種無趣的腦力勞動中解放出來，也帶來了眾多機遇和挑戰(zhàn)。但鮮為人知的是，在背后支撐這些人工智能的，其實是一個個數(shù)學(xué)定理和計算機算法。
懂得推理的人工智能
圖片來自Wikipedia
思考向來是人類的專利。通過思考，我們獲得了壓倒一切其他動物的能力。自然，人們也想要造出能夠輔助思考的機器，減輕自己的負(fù)擔(dān)，這就是人工智能的起點。思考既然如此強大，要模擬它也就很困難，于是人們將起點放在其中比較簡單的一部分：邏輯推理。邏輯推理的規(guī)則明確簡單，自古希臘的亞里士多德起就為人所知。人工智能最初的一步，就是教會機器邏輯推理的方法，也就是具體的算法。
但在考慮算法之前，有一個更根本的問題：我們怎么知道邏輯推理一定正確，而正確的命題必定能通過邏輯推理得到？換句話說，真理是否相當(dāng)于能被證明？這屬于數(shù)理邏輯的范疇，對于不同的邏輯系統(tǒng)，答案也不一樣。幸好，哥德爾證明了，在所謂“一階謂詞演算”的體系中，答案是肯定的。這個定理鋪平了自動邏輯推理的道路。從上世紀(jì)六十年代開始，各種自動推理系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)，只要向它們輸入以邏輯命題表達(dá)的某個領(lǐng)域的知識，它們就搖身一變，成為所謂的“專家系統(tǒng)”，能自動進(jìn)行推理，回答人們提出的相關(guān)問題。自動安排任務(wù)的人工智能也基于類似的系統(tǒng)，在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
作為早期的人工智能技術(shù)，自動推理系統(tǒng)曾被寄予厚望，但人們逐漸發(fā)現(xiàn)它有不少弱點。先不說需要專家的寶貴時間來將知識整理成邏輯命題，就算是這些知識，也常常充滿各種例外，難以用邏輯完全概括。勉強去概括的話，得到的就是一個頭腦簡單的“人工智能”，雖然能正確應(yīng)對大多數(shù)情況，但面對少見的情況會束手無策甚至鬧出笑話，所以目前它主要被用在一些相對狹隘簡單的領(lǐng)域，比如數(shù)學(xué)和交通調(diào)度。怎樣才能避免這個缺點呢？
分析數(shù)據(jù)的人工智能
圖片來自Wikipedia
專家系統(tǒng)的問題在于，它需要專家為它總結(jié)知識，但專家也是人，在整理自己的知識時，難免有疏漏，忽略某些罕見的情況，就像醫(yī)生遇見感冒癥狀，并不會一下子想到心肌炎。但醫(yī)生在結(jié)合其他少見的癥狀后，仍然能作出正確的診斷，這就是人的優(yōu)勢：懂得變通。能不能將這個優(yōu)勢移植到人工智能上呢？還是舉醫(yī)生的例子，讓醫(yī)生用自己的經(jīng)驗為人工智能編寫一部教科書，這是個艱巨的任務(wù)，但醫(yī)生的經(jīng)驗同樣體現(xiàn)在診斷結(jié)果上。如果能直接從醫(yī)生經(jīng)手的病歷中學(xué)到他們的經(jīng)驗，這不僅節(jié)省了時間，還不會漏掉那些不常見但確實會出現(xiàn)的病例。
為了做到這一點，計算機科學(xué)家依靠大量線性代數(shù)、統(tǒng)計學(xué)和概率論的知識，發(fā)明了各種各樣的算法，從看似雜亂無章的海量數(shù)據(jù)中提取統(tǒng)計上有意義的規(guī)律，這就是統(tǒng)計學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)之一。人們利用這些算法，能從互聯(lián)網(wǎng)無數(shù)頁面之間的相互鏈接中推斷某個網(wǎng)站的重要性，從而改善網(wǎng)絡(luò)搜索；也能通過對大量病例的分析，為某些特定的疾病提供早期的發(fā)現(xiàn)和診斷；還能從互聯(lián)網(wǎng)中海量的雙語對照資料中，得知如何將一種語言翻譯為另一種語言。大數(shù)據(jù)的應(yīng)用可謂數(shù)不勝數(shù)，雖然這些算法本質(zhì)上某種統(tǒng)計方法，做不到絕對的可靠，但在實踐中它們表現(xiàn)十分出色。例如IBM研發(fā)的人工智能系統(tǒng)Watson，在閱讀大量資料后，能搖身一變成為星級客服，回答顧客各種各樣的提問。
但統(tǒng)計學(xué)習(xí)也有無法解決的問題。要判斷一張照片中有沒有貓，對于人類來說小菜一碟，但對于機器來說，圖片包含的信息太多，即使對于統(tǒng)計學(xué)習(xí)，要利用這樣的數(shù)據(jù)還是太棘手了。那么，人類的大腦又是怎么處理這些信息的呢？能不能將這種處理方法搬到機器上呢？
模仿大腦的人工智能
圖片來自NIH
在大腦中，負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)的是上千億名為“神經(jīng)元”的細(xì)胞。它們之間通過電脈沖互相傳遞信息，每個神經(jīng)元受到一定閾值的刺激，就會向自身連接的其他神經(jīng)元發(fā)送電信號，這些信號有的起到刺激作用，有的起抑制作用。這些信號紛繁復(fù)雜的舞蹈組成了人類的思維。人工智能的研究者嘗試在計算機上重現(xiàn)類似的系統(tǒng)，試圖模仿人類思維這一演化的奇跡。這就是所謂的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”。當(dāng)然，我們現(xiàn)在仍然無法模擬整個大腦，但即使是數(shù)萬個神經(jīng)元組成的系統(tǒng)，能力已經(jīng)非同凡響。
跟人一樣，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也需要利用相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的學(xué)習(xí)，才能用于解決問題，而學(xué)習(xí)的方法會深刻影響最后的結(jié)果。目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中于所謂的“前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，數(shù)學(xué)家證明了它們在理論上足以解決所有問題。為了得到實用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，科學(xué)家利用數(shù)學(xué)分析中的知識，借鑒人腦的部分結(jié)構(gòu)，設(shè)計了特殊的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，還有配套的高速并行學(xué)習(xí)算法，能利用大型計算機、顯卡以及專用芯片提供的大量計算能力，訓(xùn)練出優(yōu)秀的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以供應(yīng)用。只要向訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入數(shù)據(jù)，它就能輸出相應(yīng)的計算結(jié)果。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛，特別是在圖像處理方面。之前提到的自動識別車牌就是實例之一，現(xiàn)在還出現(xiàn)了“刷臉支付”，只要在攝像頭前點點頭，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就能識別出你的身份，自動記錄你應(yīng)付的賬單。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最有名的應(yīng)用，恐怕是擊敗世界圍棋第一人柯潔的圍棋人工智能AlphaGo。它的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能將棋盤當(dāng)作一幅圖畫，從中“看出”目前局勢的優(yōu)劣。再結(jié)合其他算法，AlphaGo得到了遠(yuǎn)超人類的圍棋水平。這不是人類的造物第一次超過人類自身，但也許是最震撼的一次，因為我們其實并不完全理解AlphaGo為什么能下出如此犀利的圍棋。
盡管人工智能現(xiàn)在已經(jīng)能解決很多問題，但對它的研究才剛剛開始。之前提到的所有實現(xiàn)人工智能的方法，無不需要處理海量的數(shù)據(jù)，但反觀人類自身，我們能舉一反三，不需要閱讀整個互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)，就能學(xué)會一種語言或者一門學(xué)科。如何將這種觸類旁通的能力移植到機器上，這是對人類智慧的又一個挑戰(zhàn)。
本文已發(fā)表于《知識就是力量》2017年9月號。
