问题

当前(2020年)机器学习中有哪些研究方向特别的坑?

回答
2020年,机器学习领域依旧是风起云涌,创新层出不穷。但与此同时,也有一些研究方向,乍一看光鲜亮丽,实际操作起来却像是钻进了“坑”里,耗费大量精力却收效甚微,甚至可能走向死胡同。我来给你掰扯掰扯,看看哪些地方需要留神。

1. 过于追求“通用人工智能”(AGI)的“一步到位”方法

AGI,也就是通用人工智能,是机器学习的终极目标之一。然而,目前很多研究热衷于构建一个能够解决一切问题的“超级模型”。听起来很诱人,但实际操作起来,这更像是在追逐一个海市蜃楼。

问题的本质: 真正的智能,尤其是人类的智能,是建立在漫长的演化、丰富的经验、深刻的理解以及灵活的适应能力之上的。试图通过一个单一的、巨大的模型,在一次性的训练中就“学会”所有的事情,这忽略了智能的复杂性和动态性。
具体表现:
巨大的模型参数和训练数据: 为了“包罗万象”,模型参数被不断堆叠,训练数据量也呈指数级增长。这导致了极高的计算成本、能源消耗,以及难以承受的存储和维护压力。
缺乏可解释性和鲁棒性: 如此庞大的模型,其内部机制往往如同一个黑箱,我们很难理解它为什么做出某个决策,也难以预测它在遇到未见过的数据或情境时会发生什么。这在很多对安全性要求极高的领域(如医疗、自动驾驶)是致命的。
“幻觉”和低效: 尽管模型可能在某些任务上表现惊人,但它也很容易产生“幻觉”,即一本正经地胡说八道。并且,由于其通用性,它在执行特定、精细的任务时,效率可能远不如专门为该任务设计的模型。
“一刀切”的训练范式: 这种方法往往依赖于大规模的监督学习,但现实世界中的很多任务,我们并没有足够的高质量标注数据。而且,即使有数据,一次性的“吞食”所有信息,也可能导致模型在不同领域之间的知识迁移和融合出现问题。

更务实的方向: 与其追求一步登天的AGI,不如专注于构建更具“模块化”、“组合性”和“适应性”的智能系统。研究如何让模型更好地进行“持续学习”、“迁移学习”、“少样本学习”,以及如何通过“强化学习”与环境交互来逐步积累经验和知识,这可能才是通往更接近AGI的更可靠路径。

2. 盲目追求SOTA(StateoftheArt)的“论文竞赛”

在学术界,尤其是在一些热门的比赛和顶会,很多研究者陷入了一种“SOTA陷阱”。为了在某个数据集上取得微小的精度提升,不惜投入海量计算资源,设计出极其复杂、难以复现的模型。

问题的本质: SOTA的进步固然重要,但如果这种进步是以牺牲模型的可复现性、可解释性、效率和实际应用价值为代价,那么它的意义就大打折扣了。很多时候,SOTA的突破只是在特定数据集上的“特技表演”,而难以推广到更广泛的实际场景。
具体表现:
对特定数据集的“过拟合”: 研究者可能会花费大量时间去研究某个数据集的特性,从而设计出能够“恰好”在该数据集上表现优异的模型,但这种模型在稍有不同的数据集上可能表现惨淡。
超参数调优的“炼丹术”: 为了挤出最后一点性能,研究者会进行极其耗时和耗力的超参数搜索,但这往往是一种“玄学”,难以形成通用的方法论,也暴露了模型本身在泛化能力上的不足。
模型复杂度的爆炸: 为了提升性能,模型层数、参数量不断增加,导致训练时间成倍增长,部署也变得困难。
忽视实际部署的挑战: 很多SOTA模型可能需要强大的GPU集群才能运行,这对于大多数企业和开发者来说是无法承受的。

更值得关注的方向:
效率和资源消耗: 研究更轻量级、更高效的模型,以及如何在资源受限的环境下进行部署。
鲁棒性和泛化能力: 关注模型在不同数据集、不同噪声干扰下的表现,以及如何提升模型的泛化能力。
可解释性和可信赖性: 研发能够解释决策过程的模型,提高其透明度和可信度。
实际应用中的落地: 解决那些真正影响人们生活、具有商业价值的实际问题,而不是仅仅在学术竞赛中刷分。

3. 忽视数据质量和数据偏差的“模型万能论”

很多人认为,只要模型足够强大,就能弥补数据中的不足。但现实是,数据是机器学习的基石,如果基石不稳,再精美的建筑也可能摇摇欲坠。

问题的本质: 垃圾进,垃圾出。如果训练数据存在严重的偏差、错误或不代表真实世界的情况,那么模型无论多么先进,其学习到的结果都将是错误的或不公平的。
具体表现:
对偏差的“盲目相信”: 数据集中存在的性别、种族、社会经济地位等偏差,会被模型“原封不动”地学习并放大。例如,招聘系统可能因为历史数据中的性别偏见而歧视女性求职者。
对数据噪声的“无能为力”: 错误标注、缺失值、不一致的数据格式等问题,如果没有得到有效处理,会严重影响模型的训练和性能。
“幸存者偏差”的陷阱: 例如,分析历史用户数据时,往往只包含了活跃用户,而忽略了那些已经流失的用户,这会使得模型对用户行为的预测产生偏差。
数据收集的“懒惰”: 过于依赖现有的数据集,而忽视了对数据进行清洗、预处理、增强和主动收集更具代表性的数据。

关键的研究和实践:
数据清洗和预处理: 投入更多精力进行数据质量的检查和修复,是至关重要的一步。
偏差检测和缓解: 研发工具和方法来识别和纠正数据中的偏差,确保模型的公平性。
数据增强和生成: 通过数据增强技术创造更多样化的训练样本,或者利用生成模型生成高质量的合成数据。
主动学习和众包: 探索更高效的数据标注策略,减少人力成本,同时提高数据质量。
关注“负样本”的收集: 在某些任务中,负样本(即不满足某个条件的情况)的收集和处理同样重要。

4. 对“自监督学习”和“少样本学习”的过分乐观,忽略其局限性

自监督学习(SelfSupervised Learning, SSL)和少样本学习(FewShot Learning, FSL)在近年来获得了巨大的关注,它们承诺能够从无标注或少量标注的数据中学习。听起来很美妙,但现实应用中,它们的“坑”也不少。

问题的本质:
自监督学习: 虽然SSL在预训练阶段可以利用海量无标注数据学习到有用的表示,但这些表示是否能直接迁移到下游任务,以及迁移效果有多好,很大程度上取决于预训练任务的设计和下游任务的性质。并非所有SSL方法都能带来显著的泛化能力提升。
少样本学习: FSL的目标是在只有少量样本的情况下学习新概念,这非常吸引人,但目前的方法往往非常脆弱,对少量样本的敏感度极高,且在处理具有高度变异性的类别时表现不佳。

具体表现:
SSL的“预训练陷阱”: 很多研究者发现,精心设计的SSL预训练模型,在下游任务上的表现,可能并不比在有标注数据上直接训练的监督模型更好,甚至更差。预训练任务的设计至关重要,而很多设计可能并不具有普适性。
SSL的“计算成本”: 虽然SSL利用了无标注数据,但其预训练过程本身往往需要极大的计算资源,这可能比直接使用少量的标注数据训练模型还要昂贵。
FSL的“泛化瓶颈”: FSL模型在处理与训练数据分布差异较大的新任务时,很容易失效。而且,所谓的“少样本”,其具体数量的定义也比较模糊,在实际应用中,即使是几十个样本,也可能难以让模型稳定学习。
FSL的“元学习”争议: 一些FSL方法依赖于“元学习”(MetaLearning),即“学会学习”。但元学习本身的研究也存在很多挑战,其泛化能力、收敛速度和可解释性都有待提升。

更成熟和实际的关注点:
SSL与下游任务的“对齐”: 研究如何设计更有效的预训练任务,使其学习到的表示与下游任务更加相关。
SSL的“高效预训练”: 探索更轻量级、更快速的SSL预训练方法。
FSL的“鲁棒性提升”: 研究如何让FSL模型对噪声、样本扰动等更加鲁棒。
FSL与“迁移学习”的结合: 探索如何更好地将大规模预训练模型(可能通过SSL)的能力迁移到少样本场景。
“知识蒸馏”在FSL中的应用: 利用Teacher模型来指导Student模型在少样本情况下的学习。

5. 过于依赖“端到端”模型,忽视“模块化”和“可组合性”

深度学习的成功很大程度上源于其“端到端”的学习能力,即直接从原始输入到最终输出。但这种模式在很多复杂系统中也带来了问题。

问题的本质: 现实世界的问题往往是复杂的,可以分解为多个子问题。而一个庞大的端到端模型,一旦出错,很难定位问题根源,也很难进行针对性的改进。
具体表现:
“黑箱”的加剧: 端到端模型通常更加封闭,其内部工作机制更难理解,也更难对其进行调试和优化。
难以融入“先验知识”: 很多问题存在人类已知的领域知识或常识,端到端模型往往难以有效地融入这些知识,而需要通过大量数据来“重新学习”。
“局部优化”的陷阱: 端到端模型可能在整体性能上看起来不错,但其内部的某些模块可能并没有得到最优的训练,导致整体性能存在瓶颈。
“可复用性”差: 一个为特定任务训练的端到端模型,很难将其中的某个部分直接迁移到另一个任务中,需要重新训练。

值得关注的替代或补充方向:
“模块化”神经网络: 将复杂问题分解为多个可管理的模块,每个模块负责一个子任务,然后将这些模块组合起来。
“可组合性”学习: 研究如何让模型能够像乐高积木一样,自由组合不同的组件来解决新问题。
“神经符号方法”: 将深度学习与传统的符号推理相结合,既能利用数据驱动的模式识别能力,又能融入符号逻辑的严谨性。
“因果推断”的融入: 关注模型是否能够理解事物之间的因果关系,而不仅仅是相关性。

总的来说,2020年机器学习的研究,依旧充满挑战和机遇。与其盲目追逐时髦的技术概念,更重要的是保持批判性思维,深入理解问题的本质,注重数据的质量和模型的鲁棒性,并始终以解决实际问题为导向。希望这些“坑”的分析,能让你在探索机器学习的道路上少走弯路。

网友意见

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  1. Graphical Model

2. Determinantal Point Process - 强行发了40多篇ICML、NIPS

3. Manifold learning - 只能用在有一定李群结构的问题上,要不然每迭代一步都要算一次黎曼度量,这玩意儿也基本没人搞了

4. 偏 theory 的东西

5. Kernel method

6. Random feature

7. 传统的统计学方法 - 比如有些还在用 spectrogram 一类的东西搞time series,这是极其落后的。

8. 各种 optimization,包括各种 integer programming 一类的

9. 各种离散的问题

10. Game theory

11. Coding Theory - 比如一个加密过程,密文已经被证明是不可恢复的(在不知道明文和秘钥时),这种强行用机器学习搞,也是搞不出来的。

12. Event Driven Problem - 包括 financial return、demand estimation 一类的,属于强行预测。

13. Projective Clustering 还有 Set Cover 等 NP 问题的近似算法 - APPROX hard

14. Sparse Recovery - 早就没人搞了吧,还有 sparse representation 这种,现在都是各种deep representation,sparse representation……

15. 非前沿的模型

16. 用什么 mathematical logic 一类的搞 AI,跟 rule based 差不多吧,有可能在一些需要很强解释性的(比如医疗一类的)上面能用到吧,其实和枚举差不多。DNN 之前 Google 搞了很多这种的,现在无一例外都被淘汰了。

17. Sketching 和 coreset

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