问题

如何评价「神经网络本质不过是初中生都会的复合函数」?

回答
这句话乍一听,确实挺让人会心一笑的,好像一下子就把神经网络这个高大上的概念给“朴素化”了。但要说“本质不过是初中生都会的复合函数”,这说法就有点太简化,甚至可以说是片面了。当然,我们得承认,这句话里包含了一点点真理的内核,只是这个内核被包裹在了一个过于粗糙的外壳里。

咱们先聊聊它为什么会有那么一点点道理。

复合函数这层“皮”

什么叫复合函数?最简单的例子,比如你有一个函数 $f(x) = 2x + 1$,另一个函数 $g(x) = x^2$。那么,复合函数 $f(g(x))$ 就是把 $g(x)$ 的结果代入到 $f(x)$ 中,也就是 $f(x^2) = 2x^2 + 1$。再复杂一点,比如 $h(x) = sin(x)$,那么 $g(h(x)) = (sin(x))^2$。你可以一层一层地嵌套下去,就像俄罗斯套娃一样。

神经网络,特别是最基础的感知机或者单层前馈网络,确实就是在做类似的事情。你可以把神经网络想象成一个有许多层的“黑箱”。每一层内部,都是一些简单的数学运算:

1. 加权求和 (Linear Transformation): 这是最核心的环节。每一层的每个“神经元”(可以理解为一个计算单元),会接收前一层所有神经元的输出,然后给每个输出乘上一个“权重”(一个数字),最后把这些加权后的值加起来,再算上一个“偏置”(另一个数字)。这就像你在写一个复杂的代数表达式:$w_1x_1 + w_2x_2 + dots + w_nx_n + b$。这里的 $w_i$ 就是权重,$x_i$ 是前一层的输出,$b$ 是偏置。这部分就是纯粹的线性代数运算,初中生接触到代数和方程时,就已经能理解这种加加乘乘的组合了。

2. 激活函数 (Activation Function): 加权求和的结果,并不是最终的输出。为了让神经网络能够学习到更复杂的、非线性的模式(比如识别一张图片里的猫,猫的轮廓不是一条直线),需要在加权求和之后,再应用一个“激活函数”。最经典的激活函数是 Sigmoid(形如 $1/(1+e^{x})$)、ReLU(当输入大于0时输出本身,小于等于0时输出0)、Tanh 等等。这些函数都是一元函数,也就是输入一个值,输出一个值。虽然有些函数的形式比初中生接触到的线性函数(比如 $y=kx+b$)复杂,但其“输入一个数,经过计算得到另一个数”的本质,依然是函数的基本概念。

嵌套与复合

当我们将多层这样的“加权求和+激活函数”的单元串联起来,就构成了多层神经网络。第一层神经元的输出,作为第二层神经元的输入。第二层神经元的输出,又作为第三层神经元的输入,如此循环。这不正是函数的复合吗?

例如,假设我们有一个简单的两层网络:
第一层:输入是 $x$ (一个向量),经过权重 $W_1$ 和偏置 $b_1$ 加权求和,得到 $z_1 = W_1x + b_1$。然后应用激活函数 $a_1 = sigma(z_1)$。
第二层:输入是 $a_1$,经过权重 $W_2$ 和偏置 $b_2$ 加权求和,得到 $z_2 = W_2a_1 + b_2$。然后应用激活函数 $a_2 = sigma(z_2)$。

你可以看到,最终输出 $a_2$ 是对 $a_1$ 的一个函数,而 $a_1$ 又是对 $x$ 的一个函数。如果把这些步骤合并起来看,整个网络就是一个由多层线性变换和非线性激活函数复合而成的超级复杂函数,它将原始输入 $x$ 映射到一个输出 $a_2$。从这个角度看,“复合函数”的说法,确实抓住了神经网络结构上的一个基本特点。

为什么说“不过是”有点过了头?

问题就出在那个“不过是”上。这个词带有明显的轻视意味,仿佛神经网络就只是把初中生的数学题拿来重复个几百上千遍,仅此而已。但实际上,神经网络的威力,以及我们称之为“智能”的那些表现,远不止于此。

1. 海量的参数与规模: 初中生写的复合函数,可能就两三个函数嵌套。而一个稍微像样的神经网络,比如识别图片的,里面会有成千上万甚至上亿个权重和偏置参数。每一层的神经元数量可能是几十、几百甚至成千上万。这些参数的组合,虽然本质上还是加权求和和激活,但它们构成的“函数空间”是极其庞大和复杂的。你能写一个初中生“都会”的函数来识别ImageNet数据集里所有的动物吗?肯定不行。

2. 学习与优化 (Backpropagation): 这是神经网络最核心、最魔法的部分,也是初中生“都会”的复合函数所不具备的。神经网络之所以能“智能地”完成任务,是因为它能够“学习”。这个学习过程是通过一种叫做“反向传播”(Backpropagation) 的算法实现的。

目标函数 (Loss Function): 我们给神经网络设定一个目标,比如预测的猫的概率要尽可能高,狗的概率要尽可能低。我们用一个“损失函数”来衡量预测的好坏。预测越好,损失越小;预测越差,损失越大。
梯度下降 (Gradient Descent): 我们的目标就是让损失函数最小化。反向传播的核心思想是:计算损失函数对每一个权重和偏置的“导数”(也就是梯度),这些导数告诉我们,如果我们稍微改变某个参数,损失函数会如何变化。然后,我们沿着梯度的反方向(负梯度方向)去更新这些参数,就像一个人在山顶寻找最低点,一步一步地朝着最陡峭的下坡方向走。
链式法则 (Chain Rule): 在计算这些导数时,需要用到微积分中的“链式法则”。因为神经网络是一个复合函数,损失函数最终依赖于最后一个激活函数的输出,而最后一个激活函数的输出又依赖于前一层的输出,层层传递下去,直到最原始的输入。链式法则允许我们将复杂的复合函数的导数,分解成一系列简单函数的导数相乘。这确实是微积分的概念,比初中数学要高一个层次,但其原理是可以理解的。

所以,神经网络不是简单地“定义”一个函数,而是“学习”如何找到一个最优的函数(通过调整参数)来完成任务。这个学习过程,才是神经网络区别于静态的复合函数,并展现出“智能”的关键。初中生会写 $f(x)=x^2$,但他们不会“训练”一个函数去拟合一组数据。

3. 涌现能力 (Emergent Abilities): 正是因为参数的海量以及学习算法的强大,神经网络在完成某些任务时会展现出一些我们事先没有明确编程的“涌现能力”。比如,一个语言模型在学习了海量的文本数据后,能够进行创作、总结、翻译,甚至进行一定程度的推理。这些能力不是简单地将几个数学公式嵌套就能解释的。它更像是在庞大的参数空间中,通过学习发现了某种“模式的模式”,然后能够泛化到新的、未见过的情况。

4. 网络结构的设计: 除了简单的全连接前馈网络,还有卷积神经网络 (CNN)、循环神经网络 (RNN)、Transformer 等更复杂的结构。这些结构本身就蕴含了对数据特性的深刻理解(比如卷积核对空间特征的提取,循环结构对序列信息的处理)。这些精心设计的网络结构,其“函数”的形态和能力,也远非初中生能独立构思的。

总结一下

说“神经网络本质不过是初中生都会的复合函数”,就像说飞机本质不过是自行车轮子加上螺旋桨一样。自行车轮子和螺旋桨确实是飞机的组成部分,但它们被组织起来,加上了发动机、机翼、控制系统,以及精密的空气动力学设计,最终才变成了能够飞行的飞机。

神经网络的“复合函数”表述,点出了其数学构建的基础。但是,它忽略了:

规模和复杂度: 参与运算的参数数量和网络深度带来的巨大组合可能性。
学习能力: 反向传播和梯度下降驱动的参数优化过程,是其“智能”的源泉。
涌现能力: 在大规模数据和复杂结构下的非凡表现。
结构设计: 对不同类型任务(图像、文本、序列)的针对性设计。

所以,这句话听起来有趣,但它更像是一种反讽或者简化到极致的比喻,用以说明神经网络的某些基本运算是基于熟悉的数学原理。但要理解神经网络真正的强大和它带来的革命性影响,就必须超越“仅仅是复合函数”的框架,深入到其学习机制、规模效应和涌现能力之中。否则,我们就低估了这项技术,也低估了那些在背后默默训练和优化这些“函数”的工程师和科学家们的心血。

网友意见

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这时候应该安利凝聚态开山鼻祖 Philip Anderson 的雄文 More is Different,建议熟读并背诵全文。考虑到大多数人的英文水平,这里只给出中文翻译版的链接:

简单摘录两段:

这种想法的主要谬误在于还原论假说从来都不意味着“建构论(constructionist)”假说:将所有事物还原为简单的基本定律的能力并不意味着从那些基本定律出发并重建整个宇宙的能力。

这个层级结构并不意味着学科 X “仅仅是Y的应用”。每个新的层级都需要全新的定律、概念和归纳,并且和其前一个层级一样,研究过程需要大量的灵感和创意。心理学不是应用生物学,生物学也不是应用化学。
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这题我最适合回答,因为专业相关。

这是我们第一天上课老师给的一张图

所以,提出这个观点的人现在正处在图上有一点对应的位置。

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函数迭代推进了动力系统理论的研究。

让他看看动力系统理论,然后看他还会不会这么想。

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笑了,真的有人以为复合函数就很简单。令f(x) = sin(1000x + 1),则f(x) = 0.5的所有解并不难求;现在试着求一下f(f(x)) = 0.5的解,f(f(f(x))) = 0.5的解,依次类推。

越是学习差的人越喜欢发这种高论,一道IMO的题目拿出来,学习好的一眼就知道这题目不简单,只有学渣才会说:这不就是我们学的函数/数列吗有什么难的?毕竟都不会做看不出区别。

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