人工智能已經(jīng)滲入我們生活的方方面面。如今，我們所使用的絕大多數(shù)人工智能產(chǎn)品背后，都要離不開一項重要的技術(shù)——人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。但有意思的是，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在誕生之初并不被看好，還經(jīng)受了二三十年的冷遇。今天我們就來聊一聊，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)背后的故事。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誕生與困境

在計算機剛剛誕生的時候，人們對其有著很多美好的憧憬，希望它們能代替人類思考，成為人類的“第二大腦”。

當(dāng)時有兩種主要的想法。

一種想法認(rèn)為，人類的推理，例如因果關(guān)系、三段論、歸納推理等等，都可以寫成對應(yīng)的數(shù)學(xué)符號形式。所以，只要讓計算機掌握這些符號推理背后的規(guī)律，就能模擬人類的思考。這種想法，是人工智能領(lǐng)域里的符號學(xué)派的代表，他們強調(diào)知識庫與邏輯推理。

而另一種想法則認(rèn)為，我們需要模擬人類大腦的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而模擬人類思考。這是人工智能領(lǐng)域另一個重要學(xué)派的主要觀點，這一學(xué)派被稱作連接學(xué)派。

人類大腦，其實是由許許多多的神經(jīng)元細(xì)胞構(gòu)成的。每個神經(jīng)元進(jìn)行的操作都很簡單，例如接收信息、加工處理和輸出新的信息。模擬一個神經(jīng)元并不難，如此推論，在計算機中建立起許許多多的神經(jīng)元，讓它們形成一個類似大腦的網(wǎng)絡(luò)，不就能模擬人類復(fù)雜的思考了嗎？

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按照這個思路，1946 年，沃倫·麥卡洛克和沃爾特·皮茨兩位科學(xué)家提出了“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的概念。1956 年，第一個人工神經(jīng)元就此誕生。這個神經(jīng)元叫做感知器，能夠根據(jù)輸入的信息給出簡單判斷。

假如我們判斷一個蘋果的品質(zhì)好還是不好，會考慮幾個方面的因素：大小、顏色、香味、甜味。

把這幾個方面的評分輸入進(jìn)來，感知器就能夠根據(jù)評分給出判斷。當(dāng)然了，感知器能夠給不同的特征賦予不同的權(quán)重，比如大小沒那么重要，賦予 0.4 權(quán)重；顏色好看比較重要，賦予 0.6 權(quán)重，氣味和甜味都很重要，分別賦予 0.8、0.9 的權(quán)重。經(jīng)過計算，感知器就能迅速完成對蘋果好壞的判斷。

但這樣的感知器模型太簡單了，它只能做一些簡單的分類，當(dāng)時的人們并不覺得它能幫計算機實現(xiàn)什么思考，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遭遇了寒冬。

在這期間，人們嘗試著增加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的層數(shù)。比如在前面評價蘋果的例子里，可以增加幾個隱藏層，有的隱藏層更多地考慮外觀，提高大小顏色的權(quán)重，有的隱藏層著重考慮味道，對香味、甜味權(quán)重比較高。人們希望通過這種方式讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做出更好的判斷。

但這依然沒有改變神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)受冷落的命運，直到 20 世紀(jì)七八十年代，反向傳播算法出現(xiàn)了，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也一下子突飛猛進(jìn)。

反向傳播算法的突破

什么是反向傳播算法？我們繼續(xù)以蘋果分類為例看一看。

假如把某個蘋果的幾項參數(shù)輸入進(jìn)去之后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)給出的結(jié)果是“好蘋果”。但實際上，我們認(rèn)為這是“壞蘋果”。通過反饋，我們把正確結(jié)果告訴神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會自我反思，調(diào)整各項權(quán)重，直到輸出正確的結(jié)果。我們將“倒推并調(diào)整權(quán)重”的過程，稱為反向傳播。

有了反向傳播算法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就不斷自我調(diào)整優(yōu)化，得出更加可靠的結(jié)論。再配合先前增加隱藏層的步驟，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就能處理非常復(fù)雜的問題了。

如此一來，造就了我們習(xí)以為常的各種便利。比如：手機 App 從我們歷史的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)，尋找我們可能感興趣的視頻；自動駕駛根據(jù)大量的圖片訓(xùn)練，認(rèn)出哪里是道路，哪里是行人；語音助手通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，識別出人們說話的意圖。

技術(shù)的發(fā)展就是這樣出人意料，誰都沒有想到，一項被冷落了幾十年的技術(shù)，竟然能夠起死回生，在生活中發(fā)揮出這么重要的作用。

在下一集，我們會說到的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這項跨時代的創(chuàng)新，又會把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，帶向何種新的高度呢？

策劃制作

本文為科普中國-創(chuàng)作培育計劃作品

出品｜中國科協(xié)科普部

監(jiān)制｜中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

作者丨北京云御紀(jì)文化傳播有限公司

審核丨秦曾昌 北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院 副教授

策劃丨符思佳

責(zé)編丨符思佳