常见的人工智能算法（学了这些基础算法）

说起人工智能，大家总把它和科幻电影中的机器人联系起来，而实际上这些科幻场景与现如今的人工智能没什么太大关系。

人工智能确实跟人类大脑很相似，但它们的显著差异在于人工智能是人造的——人工智能不必具备生物特性。

人工智能的目标是使计算机可以如人脑一样工作，但这并不意味着人工智能需要在方方面面都向人脑看齐。某个人工智能算法与人脑真实功能的匹配程度称为“生物似真性”。

艾伦脑科学研究所（Allen Institute of Brain Science)的首席科学官Christof Koch曾断言大脑“是已知宇宙中最复杂的东西”。而在人工智能的学科背景下，大脑本质上就是一种深奥、繁复的技术，我们有必要对它进行研究，通过逆向工程来解析它的工作原理和机制，从而模仿它的功能。

在进一步深入学习之前，还要介绍一些与人工智能算法交互的通用概念。人工智能算法也称为“模型”， 本质上是一种用以解决问题的技术。现在已经有很多特性各异的人工智能算法了，最常用的有神经网络、支持向量机、贝叶斯网络和隐马尔科夫模型等。

对于人工智能从业者来说，如何将问题建模为人工智能程序可处理的形式是至关重要的，因为这是与人工智能算法交互的主要方式。接下来我们将以人类大脑与现实世界的交互方式为引，展开关于问题建模基本知识的讲解。

01

对输入/输出建模

机器学习算法实际上就是给定输入，产生输出，而输出又受到算法本身的长短期记忆影响。下图展示了长短期记忆如何参与产生输出的过程。

机器学习算法抽象图示

如图所示，算法接受输入，产生输出。大多数机器学习算法的输入和输出是完全同步的，只有给定输入，才会产生输出，而不像人脑，既可以对输出做出响应，偶尔也能够在没有输入的情况下自行产生输出。

到目前为止，我们一直在抽象地谈论输入/输出模式，你一定很好奇输入/输出到底长什么样儿。实际上，输入和输出都是向量形式，而向量本质上就是一个如下所示的浮点数组：

Input:[-0.245,.283,0.0] Output:[0.782,0.543]

绝大多数机器学习算法的输入和输出数目是固定的，就像计算机程序中的函数一样。输入数据可以被视作函数参数，而输出则是函数的返回值。就上例而言，算法会接受3个输入值，返回两个输出值，并且这些数目一般不会有什么变化，这也就导致对特定的算法而言，输入和输出模式的元素数量也不会改变。

要使用这种算法，就必须将特定问题的输入转化为浮点数数组，同样，问题的解也会是浮点数数组。说真的，这已经是大多数算法所能做的极限了，机器学习算法说穿了也就是把一个数组转换为另一个数组罢了。

在传统编程实践中，许多模式识别算法有点儿像用来映射键值对的哈希表，而哈希表在很大程度上与字典又有些相似之处，因为它们都是一个条目对应一个含义。哈希表一般长下面这样儿：

● “hear” ->“to perceive or apprehend by the ear”；

● “run” ->“to go faster than a walk”；

● “write” ->“to form (as characters or symbols) on a surface with an instrument (as a pen)”。

上例这个哈希表是一些单词到定义的映射，其中将字符串形式的键映射为同样是字符串形式的值。你给出一个键（单词），哈希表就会返回一个值（对应单词的定义），这也是大多数机器学习算法的工作原理。

在所有程序中，哈希表都由键值对组成，机器学习算法输入层的输入模式可以类比为哈希表中的“键”，而输出层的返回模式也可以类比为哈希表中的“值”——唯一的不同在于机器学习算法比一个简单的哈希表更为复杂。

还有一个问题是，如果我们给上面这个哈希表传入一个不在映射中的键会怎么样呢？比如说传入一个名为“wrote”的键。其结果是哈希表会返回一个空值，或者会尝试指出找不到指定的键。而机器学习算法则不同，算法并不会返回空值，而是会返回最接近的匹配项或者匹配的概率。比如你要是给上面这个算法传入一个“wrote”，很可能就会得到你想要的“write”的值。

机器学习算法不仅会找最接近的匹配项，还会微调输出以适应缺失值。当然，上面这个例子中没有足够的数据给算法来调整输出，毕竟其中只有3个实例。在数据有限的情况下，“最接近的匹配项”没有什么实际意义。

上面这个映射关系也给我们提出了另一个关键问题：对于给定的接受一个浮点数组返回另一个浮点数组的算法来说，如何传入一个字符串形式的值呢？下面介绍一种方法，虽然这种方法更适合处理数值型数据，但也不失为一种解决办法。

词袋算法是一种编码字符串的常见方法。在这个算法模型中，每个输入值都代表一个特定单词出现的次数，整个输入向量就由这些值构成。以下面这个字符串为例：

Of Mice and Men Three Blind Mice Blind Man's Bluff Mice and More Mice

由上例我们可以得到下面这些不重复的单词，这就是我们的一个“字典”：

Input 0 :and Input 1 :blind Input 2 :bluff Input 3 :man's Input 4 :men Input 5 :mice Input 6 :more Input 7 :of Input 8 :three

因此，例子中的4行字符串可以被编码如下：

Of Mice and Men [0 4 5 7] Three Blind Mice [1 5 8] Blind Man's Bluff [1 2 3] Mice and More Mice [0 5 6]

我们还必须用0来填充字符串中不存在的单词，最终结果会是下面这样：

Of Mice and Men [1,0,0,0,1,1,0,1,0] Three Blind Mice [0,1,0,0,0,1,0,0,1] Blind Man's Bluff [0,1,1,1,0,0,0,0,0] Mice and More Mice [1,0,0,0,0,2,1,0,0]

请注意，因为我们的“字典”中总共有9个单词，所以我们得到的是长度为9的定长向量。向量中每一个元素的值都代表着字典中对应单词出现的次数，而这些元素在向量中的编号则对应着字典中有效单词的索引。构成每个字符串的单词集合都仅仅是字典的一个子集，这就导致向量中大多数值是0。

如上例所示，机器学习程序最大的特征之一是会把问题建模为定长浮点数组。下面用一个例子来演示如何进行这种建模。

02

向算法传入图像

图像是算法的常见输入源。本节我们将介绍一种归一化图像的方法，这种方法虽然不太高级，但效果很不错却。

以一个300像素×300像素的全彩图像为例，90 000个像素点乘以3个RGB色彩通道数，总共有270 000个像素。要是我们把每个像素都作为输入，就会有270 000个输入——这对大多数算法来说都太多了。

因此，我们需要一个降采样的过程。下图是一幅全分辨率图像。

一幅全分辨率图像

我们要把它降采样为32像素×32像素的图像，如图所示。

降采样后的图像

在图片被压缩为32像素×32像素之后，其网格状模式使得我们可以按像素来生成算法的输入。如果算法只能分辨每个像素点的亮度的话，那么只需要1 024个输入就够了——只能分辨亮度意味着算法只能“看见”黑色和白色。

要是希望算法能够辨识色彩，还需要向算法提供每个像素点的红绿蓝3色（RGB）光强的值，这就意味着每个像素点有3个输入，一下子把输入数据的数目提升到了3 072个。

通常RGB值的范围在0～255，要为算法创建输入数据，就要先把光强除以255来得到一个“光强百分数”，比如光强度10经过计算就会变成0.039（10/255）。

你可能还想知道输出的处理办法。在这个例子中，输出应该表明算法认为图片内容是什么。通常的解决方案是为需要算法识别的每种图片创建一个输出通道，训练好的算法会在置信的图片种类对应的输出通道返回一个值1.0。

03

人工智能算法抢先读

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