如果用机器学习的理论来理解人的行为，会有什么发现？ 第1页

这道题邀请我就算邀对人啦！

我平时经常用机器学习的理论去思考人类学习和生活中的事情，可以给你举出好多二者相通的例子。

一、过拟合

在机器学习中，一个模型会从训练数据中学习知识，然后应用到测试数据上去。

训练数据中的知识可以分为两部分：

• 一部分是在训练数据和测试数据上都通用的，这部分是我们希望模型学到的、真正的知识；
• 另一部分是仅适用于训练数据而不适用于测试数据的，这部分是我们不希望模型学到的、「假」的知识。

第二类知识可能有两种来源：一种是训练数据和测试数据采样于不同的总体；另一种是虽然二者来自于相同的总体，但采样时总是不可避免地有噪声。

如果一个模型没能把真正的知识学到足够的程度，我们就说这个模型是「欠拟合」（underfit）的。相反，如果一个模型把真正的知识学得差不多了，开始学习「假」的知识了，那我们就说模型「过拟合」（overfit）了。一个模型训练得越久，在训练集上的性能应该是越好的，但一旦它开始过拟合了，在测试集上的性能就开始变差了。

现在把「过拟合」的概念迁移到人类学习上去：

• 比如高考作文，一般学生会把议论文练得很熟，结果高考考了书信、演讲稿，坑倒了一片人。这就是「过拟合」的体现，其原因在于训练数据和测试数据来自不同的总体。
• 再如 GRE 作文，有些考生的应试策略是背诵一些范文，以期在考场上能够碰上原题（GRE 作文是有题库的）并把范文默写出来，结果考试现场出的是他没背过的题目。这也是「过拟合」，这里，虽然范文的题目和实际的考题都来自相同的总体（题库），但采样的结果不同。考生「背诵范文」的策略就只是在学习「假」知识而忽略了真正的知识。

「过拟合」的概念不仅体现在考试中，也体现在生活上：

• 一个人来到新的生活环境中，往往会不适应，这就是「过拟合」的体现，因为训练数据（过往的生活经历）与测试数据（新的生活环境）来自不同的总体。
• 某人坐大巴遭遇一次事故后就再也不敢坐大巴了，这也是「过拟合」的体现。在这里，训练数据（他坐过的大巴）与测试数据（所有的大巴）虽然来自相同的总体，但前者的采样噪声很大，导致此人对大巴安全性的估计产生了偏差。

二、迁移学习

机器学习模型的训练一般是「有监督」的，它的意思就是说训练数据要有标注。比如，我要训练一个识别各种花的模型，那么我就需要很多花的图片，还需要给这些图片做标注，告诉模型这张是梅花，那张是樱花，等等。但是，人工给数据做标注是很费劲的一件事，很多领域的研究开展不了，就是因为没有足够多的带标注的数据。这时候就需要「迁移学习」和「无监督学习」了。

「迁移学习」的意思是，我本来想训练网络来做任务 A，但我先找一个与 A 不同但又相通的任务 B，任务 B 具有足够多的有标注数据。用任务 B 训练的模型，其中就会有一部分含有同样适用于任务 A 的知识。仍以识别各种花为例，虽然我没有足够的带标注的花卉图片，但我有足够的带标注的各种物体（花、树、狗、人等）图片。那我就可以先训练一个识别物体的网络，这个网络的前几层会学习如何从图片中识别点、线、面等基本元素，这种技能对于识别花卉也是有用的。在训练任务 A 时，把这一部分直接挪用过来固定住，仅训练网络的剩余部分，或者用这一部分作为初始化，就可能不需要那么多的训练数据了。训练任务 B 的过程术语叫做「预训练」(pretraining），之后训练任务 A 的过程术语叫做「微调」（finetuning）。

迁移学习在人类的学习过程中也是很常见的。比如：

• 我想学开手动挡的车，但周围会开手动挡的车的朋友很少、很忙，会开自动挡的车的朋友却很多、很闲。那么，我就可以先学开自动挡的车，学会了之后，只要跟开手动挡的车的朋友稍微请教一下，就能学会开手动挡了。这是因为，开自动挡的车用到的技能，很多也适用于手动挡。
• 再如，我想学西班牙语，但找不到足够的参考资料，可是英语的参考资料却很多。那么，我就可以先学英语，之后再学西班牙语就容易得多了。这是因为英语在发音、词汇、语法等很多方面的知识也都适用于西班牙语。

当然，迁移学习并不总是有效的。有些时候，任务 B 的知识反而会对任务 A 造成干扰（比如开手动挡时总忘记换挡、说西班牙语有英语口音），这在心理学上叫做「负迁移」—— 你看，心理学里也用「迁移」这个词呢！

「负迁移」其实也可以理解成一种「过拟合」：把「预训练」和「微调」的整体过程看作训练，则训练数据中包括任务 B 的数据，而测试数据则只包括任务 A 的数据。训练数据与测试数据来自不同的总体，就可能造成过拟合。

三、无监督学习

仍然考虑上一节的场景：我想做任务 A 但训练数据不够，但我又找不到合适的任务 B。如果我有足够多的无标注数据，就可以通过「自己出题给自己做」的方法，用这些无标注数据训练一个模型出来，其中也会含有对任务 A 有用的知识。对于图像来说，常见的自己给自己出的题包括：

• 把图像压缩后再复原（术语叫做自编码）；
• 从图像中抠去一块儿，根据剩下的部分把抠掉的部分补全。

类比到人类的学习中，我想到了我学英语、考英语的例子。我学英语的时候并没有做多少完形填空、阅读理解之类的试题，但到了考试的时候往往一点儿都不费劲。这归功于我平时大量的泛读。泛读其实就是一种无监督学习 —— 我读的文章就是大量的、无标注的数据。当然，我利用这些数据做的任务，并不是「自编码」（缩写、扩写）或者「补全」（完形填空），而是训练出了一种「语感」。在此基础上，我只要做少量的题熟悉一下考试的题型，就可以拿高分了。

四、语言模型

上一节说的「语感」到底是什么呢？其实就是语言模型。用术语来说，语言模型就是要衡量每一句话在一门语言中出现的概率。如果一句话符合语法、常用，则概率就高；如果一句话狗屁不通，则概率就低。这个概率一般会用链式法则分解成很多项的乘积，其中每一项代表了「在已知半句话的情况下，下一个词的概率分布」。用通俗的话来说，语言模型在整体上做的事情是「判断一句话有多么像话」，而这种判断，是通过在局部上「根据半句话猜下一个词」来实现的，越好猜就说明一句话越像话。

怎么评价一个语言模型的好坏呢？一般是拿一段已知很像话的话，用语言模型来求它的概率，这个概率越高，语言模型就越好。假设这一段话有 n 个词，把整段话的总概率开 n 次方根再取倒数，结果叫做这个语言模型在这段话上的「迷惑度」（perplexity）。其通俗理解，就是语言模型在根据半句话猜测每一个词的时候，平均情况下它觉得有几种选择。迷惑度越低，表示语言模型猜起词来越不费力，语言模型也就越好。

语言模型可以用在数据压缩上。迷惑度的对数（以 2 为底），就是存储一个词所需的比特数，语言模型越好，压缩后所占的存储空间就越小。语言模型还用在语音识别中。语音识别的结果，一方面发音需要与输入语音相似，另一方面本身也要「像话」—— 这两方面就分别是由「声学模型」和「语言模型」来衡量的。

我在通过歌词学习日语的过程中，就明显地体会到了我的语言模型变得越来越好的过程。这体现在两个方面：

• 记忆歌词越来越省劲了。最初的时候，我需要一个假名一个假名地记忆；到后来，则可以一个词一个词地记忆；再到后来，有时知道前半句就能八九不离十地脑补出后半句了。语言模型越好，我就可以对歌词进行越大程度的压缩，记忆负担也就越轻。
• 听写歌词也越来越容易了。在学习的初期，语言模型还没有训练好的时候，听写只能依靠声学模型来进行。此时容易发生两种情况：一是有的音会犹豫，不确定到底唱的是什么；二是有些音很确定，但听写出的结果就是狗屁不通。学会了日语之后，有了语言模型的帮助，在前一种情况下就可以根据语言模型消除不确定性，在后一种情况下也可以很确定地说这里歌手没唱清楚，歌词应该是怎样怎样的。

五、判别式模型与生成式模型

机器学习模型有两个重要类别：判别式模型与生成式模型。这两种模型的区别，是很多初学者会遇到的一个坎儿。

判别式模型的意思是，给出一条数据，模型要为数据给出一个类别。一般来说，数据是比较复杂的，比如一句话、一张图这样的；类别则比较简单，一般就是「是」或「否」，或者有限的几个类别。用 X 表示数据，Y 表示类别，则判别式模型建模的就是 P(Y|X)。至于 X 本身的分布是怎样的，判别式模型并不关心。

而生成式模型的意思是，模型要具有凭空生成数据和类别的能力，即它要建模 P(X,Y)。这通常是通过建模 P(Y) 和 P(X|Y) 这两步来实现的。P(Y) 就是一个简单的二项或多项分布，没什么意思，所以生成式模型的重点在于 P(X|Y)，即建模每个类别下数据的分布。

对比判别式模型和生成式模型，可以发现 P(Y|X) 是「从复杂到简单」，而 P(X|Y) 是「从简单到复杂」。这说明生成式模型里含有的「知识」比判别式模型要多。如果有了一个生成式模型，可以根据贝叶斯公式 得到一个判别式模型；反过来，仅有一个判别式模型，是推不出一个生成式模型的。

这在日常生活中有什么体现呢？比如，你有 100 个朋友，当你看到一张脸时，你能够认出这是谁；但让你凭记忆描述出一个朋友的长相，你可能就有很多细节记不清楚。这是因为，辨认出一个朋友并不一定需要记住他/她长相的所有方面 —— 比如，左脸上有颗痣可能就已经能锁定一个朋友了，你并不需要记住他/她是什么发型、是单眼皮还是双眼皮、戴不戴眼镜等等。一般来讲，我们对朋友们长相的记忆足以构成一个判别式模型，但不足以构成一个生成式模型。在心理学上，上面的判别叫做「再认」，而生成叫做「回忆」，回忆是比再认更困难的任务。

在知乎上，我们经常看到一句话，叫做「评价冰箱好不好，不用自己会制冷」。这里，「评价冰箱好不好」就是判别式模型的任务，而「自己会制冷」则是生成式模型的任务。这句话在机器学习中就很有道理，因为如果目的只是做判别的话，并不需要生成式模型那么多的知识。

判别式模型有一个「缺陷」，就是当输入数据偏离真实分布时，模型不会察觉到异常，而是会像对待正常数据一样输出一个类别。在这种情况下，输出的类别很可能是无意义的。曾经有一则「绿茶验尿」的新闻闹得沸沸扬扬。实际上，这就属于输入数据（茶）偏离真实分布（尿）的情况，而检测尿的仪器只是一个判别式模型，它无从知道输入数据有问题，在这种情况下，它无论给出怎样的输出，都是无意义的。