人类学习 vs. 机器学习

摘要: 机器学习与人类学习的范式有一定的联系. 本文发掘这些联系, 作用是指导人类的学习.

1. 什么是学习?

对于人类而言, 学习是改造大脑皮层的过程. 我们会发现, 不同人学习不同东西的能力也不一样, 如有些人数学厉害, 有些人音乐厉害. 同时, 也有些牛人, 学习到了学习的方法, 然后学什么都厉害.

对于机器学习而言, 学习是优化超参数的过程. 如线性回归会获得一组权值向量, 深度学习也会获得网络的参数, 只是这些参数数量庞大, 动不动就是几十万甚至几十亿. 我们发现, 不同深度模型 (由层数、连接方式、激活函数) 应该不同任务的能力也不一样, 如有些适合做图像分割, 有些适合做语音识别. “学习到学习的方法”, 这在机器学习中称为元学习. 元学习能应对不同的任务, 但同时也需要更多的参数.

2. 为什么学习?

对于人类而言, 学习首要的目的是获得谋生技能, 即找到工作. 在现代社会, 简单的重复性劳动已经被工业机器替代了, 即使送外卖也需要学习手机的使用.

对于机器而言, 学习的目的也是完成某项任务, 如图像识别, 自主驾驶.

3. 如何学习?

我们只需要拾圣人的牙慧即可.

3.1 子曰：“学而不思则罔, 思而不学则殆”

对于人类而言, 如果只是学习, 而不进行思考, 就只是获得了所学习的知识, 稍微变化一点就不会了. 如: 记住了 $3+2=5$, 但却做不出 $2+3=?$ 如果只是喜欢思考, 而不多学习, 知识面就很窄, 明明前人有解决方案的事情, 却要靠自己去论证. 你总不可能自己把牛顿三大定律, 微积分各大定理都手动推导出来吧.

对于深度学习而言, 如果学习了大量样本, 但只训练了一两轮, 并不能获得效果良好的模型. 如果只使用少量样本, 将网络训练了很多轮, 所获得的预测模型也不具有良好的泛化性.

3.2 子曰：“学而时习之, 不亦说乎”

这里的 “习” 可以解释为两层含义: 复习、实践.
对于人类而言, 应该经常回顾所学知识, 并归纳、总结、实践, 甚至于给别人讲授, 写成 CSDN 贴子. 这样才能让自己学习到的东西更加稳固, 更有体系.
对于深度而言, “复习” 对应于多次的训练, “实践” 则可解释为在验证集上检测系统的性能, 并据此调整超参数.

3.3 子曰：“温故而知新”

对于人类而言, 如果不断从已有知识领悟到方法, 进而获得解决问题的一般能力, 就很厉害了.
对于机器而言, 如果能做到元学习, 也就很厉害了.

3.4 庄子曰：“吾生有涯而知无涯, 以有涯随无涯, 殆矣!”

对于人类而言, 由于人类总体的知识爆炸性增长, 如果什么都学, 肯定时间不够. 这也是为什么我们要分物理、数学、计算机、小提琴等专业. 对于人类而言, 与自己工作有关的知识要精学, 其它的地方可以博学, 但仅限于了解. 很多人误以为 “博士” 是知识渊博的人, 但在现代教育体系里面, 博士可能是对自己专业很清楚, 但做其它事情近乎白痴的人 (好吧, 这也是一种刻板印象). 假设一个人的工作时间固定, 那么他集中精力到比较窄的知识面, 反而能做出研究成果. 做研究不像是堆金字塔, 塔尖越高越需要大的底座; 而像石油钻探, 集中力量打一口井即可. 人贵有自知之明. 有些资质平平, 人心比天高, 最终竹篮打水一场空.

对于深度学习而言, 如果没有土豪支源超大运算能力, 建立一个大网络做元学习还不如针对任务训练一个较小的网络.

3.5 主动学习 (谁来告诉我这里有什么名人名言?)

对于人类而言, 找不懂的题请教老师, 比听老师满堂灌高效得多.
对于机器而言, 找出具有代表性或不确定性的样本请人类专家打标签, 比使用随机挑选的样本训练, 也会在使用更少的样本情况下获得更高的预测能力.