人工智能入門的三道門檻

廣義的說(shuō)，人工智能包含諸多不同方法，其主旨是讓程序像一個(gè)智能體一樣解決問(wèn)題。機(jī)器學(xué)習(xí)是實(shí)現(xiàn)人工智能的一種方法，它不完全依靠預(yù)先設(shè)計(jì)，而是從數(shù)據(jù)中進(jìn)行總結(jié)，達(dá)到模擬記憶、推理的作用。包括諸如支持向量機(jī)(SVM)、各類基于決策樹(shù)的算法(包括Boosting、Bagging、Random Forest等)，各類基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法(例如簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)及深度網(wǎng)絡(luò)等)，以及多方法的集成等。

基于人工智能的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，很多小伙伴都想要在這個(gè)領(lǐng)域大展宏圖，但擺在面前的三道門檻是需要你逐一攻克的。下面，武漢維識(shí)教育科技給大家具體分析一下人工智能入門的三道門檻。

門檻一：數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

我們應(yīng)該了解過(guò)，無(wú)論對(duì)于大數(shù)據(jù)還是對(duì)于人工智能而言，其實(shí)核心就是數(shù)據(jù)，通過(guò)整理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以數(shù)學(xué)成為了人工智能入門的必修課程！數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)蘊(yùn)含著處理智能問(wèn)題的基本思想與方法，也是理解復(fù)雜算法的必備要素。今天的種種人工智能技術(shù)歸根到底都建立在數(shù)學(xué)模型之上，要了解人工智能，首先要掌握必備的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，具體來(lái)說(shuō)包括：

1、線性代數(shù)：如何將研究對(duì)象形式化？

事實(shí)上，線性代數(shù)不僅僅是人工智能的基礎(chǔ)，更是現(xiàn)代數(shù)學(xué)和以現(xiàn)代數(shù)學(xué)作為主要分析方法的眾多學(xué)科的基礎(chǔ)。從量子力學(xué)到圖像處理都離不開(kāi)向量和矩陣的使用。而在向量和矩陣背后，線性代數(shù)的核心意義在于提供了?種看待世界的抽象視角：萬(wàn)事萬(wàn)物都可以被抽象成某些特征的組合，并在由預(yù)置規(guī)則定義的框架之下以靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的方式加以觀察。

著重于抽象概念的解釋而非具體的數(shù)學(xué)公式來(lái)看，線性代數(shù)要點(diǎn)如下：線性代數(shù)的本質(zhì)在于將具體事物抽象為數(shù)學(xué)對(duì)象，并描述其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的特性；向量的實(shí)質(zhì)是 n 維線性空間中的靜止點(diǎn)；線性變換描述了向量或者作為參考系的坐標(biāo)系的變化，可以用矩陣表示；矩陣的特征值和特征向量描述了變化的速度與方向。

總之，線性代數(shù)之于人工智能如同加法之于高等數(shù)學(xué)，是一個(gè)基礎(chǔ)的工具集。

2、概率論：如何描述統(tǒng)計(jì)規(guī)律？

除了線性代數(shù)之外，概率論也是人工智能研究中必備的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。隨著連接主義學(xué)派的興起，概率統(tǒng)計(jì)已經(jīng)取代了數(shù)理邏輯，成為人工智能研究的主流工具。在數(shù)據(jù)爆炸式增長(zhǎng)和計(jì)算力指數(shù)化增強(qiáng)的今天，概率論已經(jīng)在機(jī)器學(xué)習(xí)中扮演了核心角色。

同線性代數(shù)一樣，概率論也代表了一種看待世界的方式，其關(guān)注的焦點(diǎn)是無(wú)處不在的可能性。頻率學(xué)派認(rèn)為先驗(yàn)分布是固定的，模型參數(shù)要靠最大似然估計(jì)計(jì)算；貝葉斯學(xué)派認(rèn)為先驗(yàn)分布是隨機(jī)的，模型參數(shù)要靠后驗(yàn)概率最大化計(jì)算；正態(tài)分布是最重要的一種隨機(jī)變量的分布。

3、數(shù)理統(tǒng)計(jì)：如何以小見(jiàn)大？

在人工智能的研究中，數(shù)理統(tǒng)計(jì)同樣不可或缺?；A(chǔ)的統(tǒng)計(jì)理論有助于對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的算法和數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)果做出解釋，只有做出合理的解讀，數(shù)據(jù)的價(jià)值才能夠體現(xiàn)。數(shù)理統(tǒng)計(jì)根據(jù)觀察或?qū)嶒?yàn)得到的數(shù)據(jù)來(lái)研究隨機(jī)現(xiàn)象，并對(duì)研究對(duì)象的客觀規(guī)律做出合理的估計(jì)和判斷。

雖然數(shù)理統(tǒng)計(jì)以概率論為理論基礎(chǔ)，但兩者之間存在方法上的本質(zhì)區(qū)別。概率論作用的前提是隨機(jī)變量的分布已知，根據(jù)已知的分布來(lái)分析隨機(jī)變量的特征與規(guī)律；數(shù)理統(tǒng)計(jì)的研究對(duì)象則是未知分布的隨機(jī)變量，研究方法是對(duì)隨機(jī)變量進(jìn)行獨(dú)立重復(fù)的觀察，根據(jù)得到的觀察結(jié)果對(duì)原始分布做出推斷。

用一句不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)庇^的話講：數(shù)理統(tǒng)計(jì)可以看成是逆向的概率論。數(shù)理統(tǒng)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)可觀察的樣本反過(guò)來(lái)推斷總體的性質(zhì)；推斷的工具是統(tǒng)計(jì)量，統(tǒng)計(jì)量是樣本的函數(shù)，是個(gè)隨機(jī)變量；參數(shù)估計(jì)通過(guò)隨機(jī)抽取的樣本來(lái)估計(jì)總體分布的未知參數(shù)，包括點(diǎn)估計(jì)和區(qū)間估計(jì)；假設(shè)檢驗(yàn)通過(guò)隨機(jī)抽取的樣本來(lái)接受或拒絕關(guān)于總體的某個(gè)判斷，常用于估計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)模型的泛化錯(cuò)誤率。

4、最優(yōu)化理論：如何找到最優(yōu)解？

本質(zhì)上講，人工智能的目標(biāo)就是最優(yōu)化：在復(fù)雜環(huán)境與多體交互中做出最優(yōu)決策。幾乎所有的人工智能問(wèn)題最后都會(huì)歸結(jié)為一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題的求解，因而最優(yōu)化理論同樣是人工智能必備的基礎(chǔ)知識(shí)。最優(yōu)化理論研究的問(wèn)題是判定給定目標(biāo)函數(shù)的最大值（最小值）是否存在，并找到令目標(biāo)函數(shù)取到最大值 (最小值) 的數(shù)值。如果把給定的目標(biāo)函數(shù)看成一座山脈，最優(yōu)化的過(guò)程就是判斷頂峰的位置并找到到達(dá)頂峰路徑的過(guò)程。

通常情況下，最優(yōu)化問(wèn)題是在無(wú)約束情況下求解給定目標(biāo)函數(shù)的最小值；在線性搜索中，確定尋找最小值時(shí)的搜索方向需要使用目標(biāo)函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)；置信域算法的思想是先確定搜索步長(zhǎng)，再確定搜索方向；以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的啟發(fā)式算法是另外一類重要的優(yōu)化方法。

5、信息論：如何定量度量不確定性？

近年來(lái)的科學(xué)研究不斷證實(shí)，不確定性就是客觀世界的本質(zhì)屬性。換句話說(shuō)，上帝還真就擲骰子。不確定性的世界只能使用概率模型來(lái)描述，這促成了信息論的誕生。

信息論使用“信息熵”的概念，對(duì)單個(gè)信源的信息量和通信中傳遞信息的數(shù)量與效率等問(wèn)題做出了解釋，并在世界的不確定性和信息的可測(cè)量性之間搭建起一座橋梁。

總之，信息論處理的是客觀世界中的不確定性；條件熵和信息增益是分類問(wèn)題中的重要參數(shù)；KL 散度用于描述兩個(gè)不同概率分布之間的差異；最大熵原理是分類問(wèn)題匯總的常用準(zhǔn)則。

6、形式邏輯：如何實(shí)現(xiàn)抽象推理？

1956 年召開(kāi)的達(dá)特茅斯會(huì)議宣告了人工智能的誕生。在人工智能的襁褓期，各位奠基者們，包括約翰·麥卡錫、赫伯特·西蒙、馬文·閔斯基等未來(lái)的圖靈獎(jiǎng)得主，他們的愿景是讓“具備抽象思考能力的程序解釋合成的物質(zhì)如何能夠擁有人類的心智?！蓖ㄋ椎卣f(shuō)，理想的人工智能應(yīng)該具有抽象意義上的學(xué)習(xí)、推理與歸納能力，其通用性將遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于解決國(guó)際象棋或是圍棋等具體問(wèn)題的算法。

如果將認(rèn)知過(guò)程定義為對(duì)符號(hào)的邏輯運(yùn)算，人工智能的基礎(chǔ)就是形式邏輯；謂詞邏輯是知識(shí)表示的主要方法；基于謂詞邏輯系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)具有自動(dòng)推理能力的人工智能；不完備性定理向“認(rèn)知的本質(zhì)是計(jì)算”這一人工智能的基本理念提出挑戰(zhàn)。

門檻二：英語(yǔ)水平

這里說(shuō)的英語(yǔ)，不是說(shuō)的英語(yǔ)四六級(jí)，我們都知道計(jì)算機(jī)起源于國(guó)外，很多有價(jià)值的文獻(xiàn)都是來(lái)自國(guó)外，所以想要在人工智能方向有所成就，還是要讀一些外文文獻(xiàn)的，所以要達(dá)到能夠讀懂外文文獻(xiàn)的英語(yǔ)水平。

門檻三：編程技術(shù)

就像大多數(shù)軟件應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)一樣，開(kāi)發(fā)人員也在使用多種語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)人工智能項(xiàng)目，但是現(xiàn)在還沒(méi)有任何一種完美的編程語(yǔ)言是可以完全速配人工智能項(xiàng)目的。編程語(yǔ)言的選擇往往取決于對(duì)人工智能應(yīng)用程序的期望功能。關(guān)于最佳人工智能編程語(yǔ)言的爭(zhēng)論從未停止，目前比較常用的5種人工智能編程語(yǔ)言包括：Python、C ++、Java、Lisp、Prolog。

Python

由于其語(yǔ)法的簡(jiǎn)單性和多功能性，Python成為開(kāi)發(fā)人員最喜歡的人工智能開(kāi)發(fā)編程語(yǔ)言。Python最打動(dòng)人心的地方之一就是便攜性，它可以在Linux、Windows、Mac OS和UNIX等平臺(tái)上使用。允許用戶創(chuàng)建交互式的、解釋的、模塊化的、動(dòng)態(tài)的、可移植的和高級(jí)的代碼。另外，Python是一種多范式編程語(yǔ)言，支持面向?qū)ο螅^(guò)程式和功能式編程風(fēng)格。由于其簡(jiǎn)單的函數(shù)庫(kù)和理想的結(jié)構(gòu)，Python支持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和NLP解決方案的開(kāi)發(fā)。

優(yōu)點(diǎn)：Python有豐富多樣的庫(kù)和工具。支持算法測(cè)試，而無(wú)需實(shí)現(xiàn)它們。Python的面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)提高了程序員的生產(chǎn)力。與Java和C ++相比，Python的開(kāi)發(fā)速度更快。

缺點(diǎn)：習(xí)慣使用Python來(lái)編寫(xiě)人工智能程序的程序員很難適應(yīng)其它語(yǔ)言的語(yǔ)法。與C++和Java不同的是，Python需要在解釋器的幫助下工作，這就會(huì)拖慢在AI開(kāi)發(fā)中的編譯和執(zhí)行速度。此外，Python不適合移動(dòng)計(jì)算。

C ++

優(yōu)點(diǎn)：C++是最快的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，如果你的人工智能項(xiàng)目對(duì)于時(shí)間特別敏感，那么C++是很好的選擇，它提供更快的執(zhí)行時(shí)間和更快的響應(yīng)時(shí)間（這也是為什么它經(jīng)常應(yīng)用于搜索引擎和游戲）。C++允許廣泛使用算法，并且在使用統(tǒng)計(jì)人工智能技術(shù)方面是有效的。另一個(gè)重要的因素是C++支持在開(kāi)發(fā)中重用代碼。此外，C ++適用于機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

缺點(diǎn)：C ++僅適用于實(shí)現(xiàn)特定系統(tǒng)或算法的核心或基礎(chǔ)，多任務(wù)處理不佳。它遵循自下而上的方法，因此非常復(fù)雜。

Java

Java也是一種多范式語(yǔ)言，遵循面向?qū)ο蟮脑瓌t和一次寫(xiě)入讀取/隨處運(yùn)行(WORA)的原則。它是一種AI編程語(yǔ)言，可以在任何支持它的平臺(tái)上運(yùn)行，而無(wú)需重新編譯。

在各種項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)中，Java都是常用語(yǔ)言之一，它不僅適用于NLP和搜索算法，還適用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

Lisp

Lisp是一門計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言，是繼Fortran之后的第二古老的編程語(yǔ)言。隨著時(shí)間的推移，LISP逐漸發(fā)展成為一種強(qiáng)大的、動(dòng)態(tài)的編碼語(yǔ)言。有人認(rèn)為L(zhǎng)isp是最好的人工智能編程語(yǔ)言，因?yàn)樗鼮殚_(kāi)發(fā)人員提供了自由。在人工智能中使用Lisp，因其靈活性可以快速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，當(dāng)然這也反過(guò)來(lái)促進(jìn)Lisp在AI開(kāi)發(fā)中的發(fā)展，例如，Lisp有一個(gè)獨(dú)特的宏系統(tǒng)，有助于開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)不同級(jí)別的智能。與大多數(shù)人工智能編程語(yǔ)言不同，Lisp在解決特定問(wèn)題時(shí)更加高效，因?yàn)樗m應(yīng)了開(kāi)發(fā)人員編寫(xiě)解決方案的需求，非常適合于歸納邏輯項(xiàng)目和機(jī)器學(xué)習(xí)。

但很少有開(kāi)發(fā)人員熟悉Lisp編程。作為一種較古老的編程語(yǔ)言，Lisp需要配置新的軟件和硬件來(lái)適應(yīng)它的使用。

Prolog

Prolog也是古老的編程語(yǔ)言之一，與Lisp一樣，它也是人工智能項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的常用語(yǔ)言，擁有靈活框架的機(jī)制，它是一種基于規(guī)則和聲明性的語(yǔ)言，包含了決定其人工智能編碼語(yǔ)言的事實(shí)和規(guī)則。Prolog支持基本的機(jī)制，例如模式匹配、基于樹(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和人工智能編程的自動(dòng)回溯。除了在人工智能項(xiàng)目中廣泛使用外，Prolog還用于創(chuàng)建醫(yī)療系統(tǒng)。

人工智能入門的三道門檻，都是一些必備的基礎(chǔ)知識(shí)，所以不要嫌麻煩，打好基礎(chǔ)很關(guān)鍵!