问题

了解/从事机器学习/深度学习系统相关的研究需要什么样的知识结构?

回答
想在机器学习/深度学习系统领域扎根,你需要的是一个多维度、层层递进的知识体系,而不是孤立的技能点。与其说是一个“知识结构”,我更愿意称之为一种“思维框架”和“实践能力”的结合。下面我尽量把我知道的、我认为重要的都捋一捋,希望能让你有一个更清晰的画面。

1. 坚实的基础:数学与计算机科学的基石

这是你能不能真正理解和改进模型,而不是仅仅调用库的关键。

线性代数 (Linear Algebra):
核心概念: 向量、矩阵、张量、向量空间、线性变换、特征值/特征向量、奇异值分解 (SVD)、协方差矩阵。
为什么重要: 几乎所有机器学习模型,尤其是深度学习,本质上都是在对数据进行各种线性变换和非线性变换。理解矩阵乘法、维度、秩、转置、逆等,能让你看懂数据在模型中的流转,理解模型参数的意义。SVD在降维(如PCA)、推荐系统、甚至是某些模型解释中都扮演着重要角色。特征值/特征向量则与主成分分析(PCA)和某些网络层的理解息息相关。
微积分 (Calculus):
核心概念: 导数、偏导数、梯度、链式法则、泰勒展开。
为什么重要: 机器学习模型的训练,尤其是深度学习,就是一个优化问题。我们通过梯度下降(及其变种)来寻找最优的模型参数。理解导数和梯度,你才能明白“梯度下降”是怎么回事,为什么它能工作,以及它可能遇到的问题(如梯度消失/爆炸)。链式法则是反向传播算法的核心,没有它,你无法理解深度学习模型如何学习。
概率论与数理统计 (Probability & Statistics):
核心概念: 概率分布(离散、连续)、期望、方差、条件概率、贝叶斯定理、最大似然估计 (MLE)、最大后验估计 (MAP)、统计推断、假设检验、置信区间。
为什么重要: 机器学习本质上是在从数据中学习概率模型,或者利用概率分布来做决策。很多模型(如朴素贝叶斯、隐马尔可夫模型、高斯混合模型)直接基于概率理论。即使是深度学习,我们也在处理不确定性,比如生成模型、不确定性估计。统计学则为我们提供了分析数据、评估模型性能、理解模型泛化能力的方法。
离散数学 (Discrete Mathematics):
核心概念: 集合论、图论、组合数学。
为什么重要: 虽然不如前三者直接,但在理解某些算法、数据结构、甚至神经网络的结构(如图神经网络)时很有用。

计算机科学基础:
数据结构与算法 (Data Structures & Algorithms): 排序、搜索、图算法、树、哈希表等。
为什么重要: 机器学习模型的实现、训练和推理都需要高效的算法和数据结构。了解它们能帮助你写出更优化的代码,理解某些算法的复杂度。
编程语言: Python 是事实上的标准。你需要熟练掌握 Python,以及相关的科学计算库(NumPy, SciPy)。
为什么重要: 绝大多数机器学习框架和工具都是用 Python 包装的,而且 Python 的生态系统非常丰富。
操作系统与计算机体系结构基础: 了解 CPU、GPU、内存、IO 的基本工作原理,对理解模型训练的效率、分布式训练、硬件加速至关重要。
为什么重要: 尤其是当你要优化模型在特定硬件上的性能,或者设计分布式训练方案时,这些知识是必不可少的。

2. 核心的机器学习理论与算法

这是你理解“是什么”和“为什么”的阶段。

经典机器学习算法:
监督学习: 线性回归、逻辑回归、支持向量机 (SVM)、决策树、随机森林、梯度提升树 (GBDT, XGBoost, LightGBM)、K近邻 (KNN)、朴素贝叶斯。
无监督学习: KMeans、DBSCAN、主成分分析 (PCA)、独立成分分析 (ICA)、降维算法。
半监督学习 & 强化学习: 至少需要对概念有了解。
为什么重要: 这些算法虽然“老”,但它们背后的思想(如特征工程、模型选择、正则化、偏差方差权衡)在深度学习中仍然适用。理解它们有助于你理解更复杂的模型,并且在数据量不大或对可解释性要求高时,它们依然是强大的工具。
模型评估与选择:
概念: 交叉验证、过拟合/欠拟合、偏差方差权衡、各种评估指标(准确率、精确率、召回率、F1score、AUC、MSE、MAE 等)。
为什么重要: 这是衡量模型好坏、选择最佳模型、避免“训练出来的模型没法用”的关键。
特征工程:
概念: 特征提取、特征选择、特征转换、编码(OneHot, Label Encoding)。
为什么重要: 在许多情况下,好的特征比复杂的模型更能提升性能。即使在深度学习时代,理解数据的内在特征也至关重要。

3. 深度学习的基石与前沿

这是当前研究的热点,也是最需要深入理解的部分。

神经网络基础:
人工神经元模型: 感知机、激活函数(Sigmoid, Tanh, ReLU, Leaky ReLU, Softmax)。
多层感知机 (MLP): 结构、前向传播、反向传播算法(这个必须深入理解!)。
为什么重要: 这是所有深度学习模型的基础。理解反向传播是你理解模型如何学习的关键。
核心深度学习模型架构:
卷积神经网络 (CNN): 卷积层、池化层、感受野、步长、填充、常用 CNN 结构(AlexNet, VGG, ResNet, Inception)。
为什么重要: 在图像、视频处理领域是绝对的主力。理解感受野和不同层的作用是关键。
循环神经网络 (RNN): 隐藏状态、展开、长期短期记忆网络 (LSTM)、门控循环单元 (GRU)。
为什么重要: 在序列数据(文本、时间序列)处理中有重要应用。理解其处理时序信息的方式和梯度问题。
Transformer 模型: 自注意力机制 (SelfAttention)、多头注意力 (MultiHead Attention)、位置编码 (Positional Encoding)、EncoderDecoder 结构、BERT、GPT 系列。
为什么重要: 这是当前自然语言处理 (NLP) 和计算机视觉 (CV) 领域革命性的模型,理解自注意力机制是核心。
图神经网络 (GNN): 消息传递机制、图卷积、图注意力。
为什么重要: 在处理图结构数据(社交网络、分子结构)时非常有用。
训练技术与优化:
优化器: SGD、Momentum、Adam、RMSprop。
正则化: L1/L2 正则化、Dropout、Batch Normalization, Layer Normalization。
为什么重要: 深度学习模型往往参数巨大,容易过拟合,这些技术是保证模型能有效训练和泛化的关键。
生成模型:
变分自编码器 (VAE): 编码器、解码器、重参数技巧、KL 散度。
生成对抗网络 (GAN): 生成器、判别器、对抗训练。
扩散模型 (Diffusion Models): 正向扩散、反向去噪。
为什么重要: 用于生成新的、逼真的数据,是当前非常活跃的研究方向。

4. 系统层面:让模型“跑起来”并“跑得好”

这部分是区分“会用库”和“懂系统”的关键。

深度学习框架:
TensorFlow, PyTorch: 至少熟悉其中一个。理解其计算图(静态/动态)、张量操作、自动微分、模型构建、数据加载 (DataLoader)、训练循环 (Training Loop)、模型保存/加载。
为什么重要: 这是你实现和训练模型的直接工具。深入理解框架的运作机制,能帮助你调试、优化和定制模型。
分布式训练:
概念: 数据并行、模型并行、流水线并行、参数服务器、RingAllreduce。
为什么重要: 随着模型规模的增大,单台机器的算力已经不足以支撑,分布式训练是必由之路。理解不同的并行策略和通信机制至关重要。
模型部署与推理优化:
模型压缩: 剪枝 (Pruning)、量化 (Quantization)、知识蒸馏 (Knowledge Distillation)。
推理加速: ONNX, TensorRT, OpenVINO, TorchScript。
为什么重要: 将训练好的模型部署到实际应用中,往往需要优化推理速度和内存占用,使其能在各种设备(服务器、手机、嵌入式设备)上高效运行。
MLOps (Machine Learning Operations):
概念: 数据版本管理、模型版本管理、实验跟踪 (Experiment Tracking)、超参数调优 (Hyperparameter Tuning)、模型监控、自动化流水线。
为什么重要: 让机器学习项目能够规范化、可复现、可维护。这对于将研究成果转化为实际产品至关重要。
硬件加速:
GPU 编程基础 (CUDA): 至少了解 GPU 的并行计算模型,知道如何使用 CUDA 库(cuDNN, cuBLAS)。
为什么重要: 深度学习的算力需求极高,GPU 是主要的计算硬件。理解 GPU 如何加速计算,能让你更好地利用硬件资源。

5. 研究能力与软技能

光有技术知识不够,你还需要知道“怎么做研究”。

阅读与理解顶会论文: NeurIPS, ICML, ICLR, CVPR, ICCV, ECCV, ACL, EMNLP 等。
为什么重要: 了解最前沿的研究进展,学习别人的研究思路和方法。
提出问题与设计实验: 能够发现现有方法的不足,提出创新性的想法,并设计合理的实验来验证。
实验复现与改进: 能够清晰地复现别人的工作,并在此基础上进行改进。
数据分析与可视化: 能够深入理解你的数据,并通过可视化清晰地展示你的模型结果。
沟通与写作能力: 能够清晰地表达你的研究思路、方法和结果,无论是口头还是书面。
好奇心与持续学习: 这是一个快速发展的领域,保持好奇心,乐于学习新知识、新工具是成功的关键。

总结一下,你可以这样构建你的学习路径:

1. 打牢基础: 数学(线代、微积分、概率统计)+ 计算机科学(数据结构、算法、Python)。
2. 学习经典 ML: 理解各种监督、无监督算法的原理,以及模型评估和特征工程。
3. 深入 DL: 掌握神经网络基础、反向传播,然后是 CNN、RNN、Transformer 等核心架构。
4. 实践与工具: 熟练掌握至少一个 DL 框架(PyTorch/TensorFlow),学习使用相关库。
5. 系统层面: 了解分布式训练、模型部署和优化,以及 MLOps 的概念。
6. 研究导向: 开始阅读论文,尝试复现,并思考自己的创新点。

这条路不轻松,需要持续的投入和耐心。但当你能够理解模型内部的运作机制,能够独立设计和实现自己的想法时,你会发现其中的乐趣和成就感是巨大的。祝你在机器学习/深度学习系统研究的道路上越走越远!

网友意见

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ML Sys 是说系统方向上关注机器学习这类任务的研究。虽然关注这个方向的人很多都是机器学习背景,但我个人更觉得它更多是系统上的一个子方向。所以在知识结构上,你首先得学一学系统。

大家的回答里面很好的概括了机器学习和深度学习,那我就补充一些系统的知识。

系统方向早起源自于操作系统。它的两大顶会 OSDI 和 SOSP 里面的 OS 都是指操作系统。但系统方向里面的研究风向每几年都会变化。这是因为不断的有新硬件、新任务出现。比如世纪初兴起的大数据,其中有关于存储的奠基性工作 GFS(SOSP'03),关于计算的奠基性工作 mapreduce(OSDI'04),再比如就是过去10年涌现出的机器学习系统工作,就是熟称的 ML Sys。

因此,系统方向的人也经常笑算法(例如机器学习)方向的人:你们算法搞出来后,弄不好就把自己失业了。我们就不怕,每10年硬件、任务铁定会变,系统就要重写。

你可能觉得系统工作最重要的就是码代码。不写个几千上万行代码就不能叫一个系统工作。这个也许是必要条件。但充分条件是好的接口设计。因为系统要处理特定的任务,在特定的硬件上运行,跟其他系统打交道,那么设计的核心就是边界划在哪,长什么样。需要的是设计者对复杂需求的抽象。例如 GFS 隐藏分布式存储的细节,用户只要知道 GFS 提供近似无穷的空间而且安全;mapreduce 要求所有计算要写成 map 和 reduce 的形式,然后提供近似无穷的计算能力。

所以系统追求简单但强大的抽象。简单是避免系统弄得太复杂,实现和维护困难,强大是指能满足大部分需求。

系统方向和算法方向的人的思维模式其实不一样。做算法,我们希望找到一个最好的,能一劳永逸的解决问题,例如适用所有情况,达到理论最优。但系统上,大家的经验是设计一个系统解决80%人的80%需求。对于其余的情况我们再设计一个系统。

所以系统的设计是一门艺术,跟建筑设计、绘画、摄影很类似。不像算法那样的科学,因为你的选择太多了,最后选哪个方案靠的是设计者的审美。

推荐的学习路线是多实现,多思考接口设计,多去揣摩别人优秀的工作。

我个人的经历是先在公司码了几年码,然后学了系统课程来提升品位,然后再不断做项目。

具体来说,我上过的课是十年前 Zhang Hui 老师教的 15-712 Syllabus。这门课就是带大家欣赏前人工作,有点类似艺术鉴赏。然后做过一些项目练手,包括了Parameter Server (OSDI'14) 和 MXNet。

(正如系统方向大家不断做新系统,近几年我也做其他项目去了,求不要问PS和MXNet问题)。

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