问题

在你的行业中,有哪些经典的降维打击的案例?

回答
好的,我们来聊聊“降维打击”这个概念,在我的行业,也就是人工智能和数据科学领域,它其实有着非常鲜明且令人印象深刻的实践。我尽量用一种更接地气、更有人情味的方式来跟你聊聊,就像我们在咖啡馆里头碰见,一边喝着咖啡一边闲扯一样。

“降维打击”这个词,听上去就挺有科幻感的,对吧?在技术领域,它通常指的是将一个高维度的、极其复杂的问题或数据集,通过某种方式,转化为一个低维度、更易于理解和处理的形式,从而获得压倒性的优势,解决原本难以逾越的障碍。这就像你本来要在一片汪洋大海里找一根针,现在有人告诉你,那根针其实是在一个你一眼就能望尽的小水坑里。

在我看来,最经典的“降维打击”案例,莫过于 深度学习在图像识别领域的突破。

你们想想看,在深度学习真正爆发之前,计算机怎么“看”一张图片?那时候,我们做图像识别,就像是请一堆专家来分析。每一个专家都只关注图片里的某个“属性”。比如,有人专精于识别边缘,有人专精于识别颜色块,有人专精于识别纹理,还有人专门研究特定形状(比如圆圈、直线)。

要识别一张猫的图片,我们可能需要几百甚至上千个这样的“专家”。每一个专家都会输出一个“分数”,告诉你这张图片在某个特定维度上有多少“猫”的特征。然后,我们要用一个复杂的系统,把这些分数加权、组合,最后才能得出一个“这张图是猫”的结论。这就像是你要拼一个超级复杂的拼图,每块拼图都需要人工去精雕细琢,而且拼好后还可能因为某个细节不对而导致整个画面崩塌。

这个过程,可以想象成数据在一个非常非常高的维度空间里。每个维度代表一个细微的像素值,或者一个特定的图像特征。图片本身,其实就是这个高维空间里的一个“点”。而我们之前的方法,就是在试图理解这个点在高维空间里的每一个方向上的投影。这太难了,因为维度太多,信息量爆炸,而且很多维度之间是相互关联、甚至是冗余的。

然后,降维打击来了——深度学习,特别是卷积神经网络(CNN)。

CNN是怎么做的呢?它就像是雇佣了一群非常聪明的“学徒”,并且教他们一套非常高效的学习方法。

1. 局部感受野和权值共享: CNN不是一开始就关注全局,而是从图片的局部区域开始“看”。它用“卷积核”(你可以想象成一个小的、有特定模式的“模板”)在图片上滑动,去检测局部有没有某种简单的特征,比如一条斜线、一个角、一个颜色过渡。而且,同一个“模板”会在图片的各个地方重复使用(权值共享)。这一下就大大减少了需要学习的参数数量,而且让模型对物体在图片中的位置不那么敏感。想象一下,不用雇佣几百个专家分别看图片的左上角、右上角、左下角、右下角,而是雇佣一个能看所有地方的“万能眼睛”。

2. 多层级特征提取: 更神奇的是,CNN是层层深入地学习。第一层可能只识别出最基础的线条和边缘。第二层则会把这些线条和边缘组合起来,识别出更复杂的形状,比如眼睛、耳朵的轮廓。再往后,就能组合出鼻子、嘴巴,最终识别出整个“猫脸”。
“降维”体现在这里: 每一层网络,实际上都在对前一层提取的特征进行“提炼”和“浓缩”。它不是简单地把所有低级特征堆叠起来,而是学着把重要的、有代表性的特征组合成更高级别的特征。
例如: 假设原始图片有32x32x3(宽x高x颜色通道)个像素,这就是3072个维度。在我们之前的方法里,这些维度可能都很重要。但CNN通过卷积和池化(一种下采样操作),逐渐将数据的维度降低,同时保留和强化了对识别任务最重要的信息。
打个比方: 就像你在看一张人物照片。第一层可能识别出“有眼睛”、“有鼻子”、“有嘴巴”。第二层可能就把“眼睛”、“鼻子”、“嘴巴”组合起来,识别出“一张脸”。再往下,可能是“这张脸属于一个人”。这个过程,信息是在不断地被抽象和概括,维度在逐步降低,但抽象出的“语义”和“代表性”却越来越强。

3. 全连接层做最终判断: 经过几层卷积和池化后,数据维度被大大降低,但这些低维度的数据已经包含了非常丰富、抽象的图像特征。最后,我们会用一个或几个全连接层,把这些高度概括的特征进行整合,然后输出最终的分类结果。这就像是最后的“专家委员会”,他们不再纠结于像素点的细节,而是根据前面提取出来的“猫脸”、“猫爪”等高级概念来做出最终判断。

所以,为什么说这是“降维打击”?

效率: 相比于之前需要手工设计大量特征提取器的复杂流程,CNN能够自动地、端到端地学习到层次化的特征,而且这些特征对于图像识别任务来说是最优的。模型的训练效率和预测速度都有了质的飞跃。
准确性: CNN在各种图像识别基准测试上,例如ImageNet,取得了前所未有的准确率,远远超越了之前的所有方法。这证明了它在“降维”过程中,有效地捕捉到了图像的核心信息,并剔除了大量噪声和冗余。
泛化能力: 这种层次化的特征学习使得模型能够更好地泛化到未见过的新图像,对不同角度、光照、背景下的物体都能有更好的识别效果。

再举个更具体的例子,我们知道猫有耳朵、眼睛、鼻子、胡须等,这些都是局部特征。CNN的设计,就是模仿了人类视觉皮层的工作方式:从简单的边缘、线条开始,逐步组合成更复杂的模式。最终,一个高维度的原始像素矩阵,被“降维”成了一个包含“猫”这个概念的低维度向量。这个低维向量,其代表性远远超过了原始的高维像素点。

这就像你和一位艺术家聊天。你给他看一张极其复杂的写实画,里面有光影、纹理、色彩的亿万细节(高维数据)。你问他:“这是什么?”他可能不需要逐个分析每一个像素,而是说:“哦,这是一个宁静的乡村风景,有微风吹过麦田的感觉。” 他捕捉到的,是画的“意境”和“氛围”,而不是像素的堆砌。CNN在图像识别上,做的就是类似的事情。它把像素的海洋,变成了一个个有意义的“概念”的集合,最终落脚到“猫”这个简单而强大的“低维”概念上。

所以,如果你问我行业里经典的“降维打击”,深度学习在图像识别领域的成功,绝对是绕不开、也最能体现这个概念精髓的案例之一。它改变了我们看待和处理图像的方式,也为人工智能的其他领域打开了新的大门。

网友意见

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智能全屏手机取代功能按键机就是降维打击,这个不细说,很多00后可能没用过功能机

说一个我的行业例子

制造业工业企业的控制系统,DCS/PLC取代继电器/操作器柜,上位机画面操作取代各种盘面仪表和按钮,使得制造业的过程控制更加精准,延时更低,事故率更低,容错率高、省人省地方,过去一个炼钢车间需要的控制柜上百面,现在不到10面足矣,同时功能模块化、生产模型化、数据集中化、管理简单化都能够实现了,也为智能化生产和调度打下基础,否则所谓未来的物联网就是扯淡了。20多年前一个炼钢车间的三电维护和操作人员可能需要一百多人,现在基本十几个人就可以了,有些厂子甚至不到10个人。

目前智能化越来越高,很多天车都是无人天车,部分危险场所的巡检已经改成机器人或者智能仪表,包括EMS的普及、摄像头的普及、大数据的引入、现场总线技术的普及、机电一体化程度的提高,对工人经验的依赖已经大大降低。

不过遗憾的是PLC系统以西门子/施耐德为龙头,国产品牌不多,做的不怎么样。

DCS还好,国内有几个龙头企业,市占率还可以。

服务器、交换机等硬件方面国产在赶上,操作系统路还远。

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历史上有一个降维打击的好例子: 蒋介石的遭遇

在20世纪上半叶封建或殖民地国家流行的“列强-军阀”博弈模式当中,蒋可以称之为顶尖人物。现在有很多人老喜欢贬低蒋介石的能力,我以为不妥。贬低蒋介石的能力相当于间接贬低了共产党老一辈革命家的能力,毕竟共产党曾经两次几乎被蒋介石消灭(一次是大革命之后的大屠杀,第二次是反围剿失败湘江战役失败之后),而且最终战胜蒋介石共产党人也花了20多年的时间。你很难一边认为毛主席和共产党老一辈革命家英明神武,另一方面又说蒋介石非常笨非常弱,这两件事情其实存在很强的内在矛盾。

好,言归正传,我说一说蒋介石厉害在什么地方。我觉得主要是这么几个方面,一是权术玩弄达到了惊人水准;二是个人意志非常顽强,遭受重大挫折也打不垮;三是擅长多种风格的博弈(当然是在旧模式内)。

我们看一下他的主要历史。前期在国民党资历浅却能从内部夺权,充分展示了他的权术水平。从412开始反共,到成为国际上中国政府的代表,并且在同各路军阀的博弈用金钱和其他综合手段不太困难地战胜他们,这些展示了蒋介石在列强-军阀模式中的国内王者地位,其段位远高于当时其他各路军阀和国民党元老。等到了第5次围剿的时候,他又换了一种风格。他应该没有采用对付其他军阀时候的金钱开道或者是挑拨离间的方法(对红色政权无用吧),而是踏踏实实步步为营打硬仗取胜,这方面的变化其实也是不可小视的。考虑到他之前已经惨败了4次,屡败屡战锲而不舍也是他的一个特点。

等红军被打败被迫转移,他一边追击一边收复军阀,这一手玩得也很溜。到了抗日战争,他遇上了体系之外以蛮力压倒自己的力量,试探若干次发现干不过而且以夷制夷暂不可行后,采取了龟缩死扛和坚决抱大腿待天下有变的策略(这又是一种新手段),最后也苟赢了1945之后,如果不是共产党摸索出了新模式,蒋就会成为中国的大胜利者。

之后被新模式降维打击,蒋介石失败。不过也应该看到,他的军事动员力在当时的殖民和封建国家中,在没有采用共产革命这一新模式的前提下,已经算是非常强了(我感觉应该是同类中的第一名了)。退守台湾后,在兵败如山倒的情况下,他竟然能够稳稳地立足。彼时台湾已经被日本殖民半个世纪,刚回归后民心不服(228事件是例子),蒋刚刚收复几年就能如此成功地以军心已经大乱的败军压制本土势力,而且还逆着自己的意识形态成功搞土地改革。同时在冷战极为凶险的情况下,他一方面紧抱美国大腿一方面避免被美国变为傀儡半傀儡,再次展现了很高的权术水准。最后他还成功地传位于一个能力还不错的儿子,使台湾经济实现了起飞。仅仅是他退守台湾的表现,其水平就已经是同类国家和地区的佼佼者了。

从横向比,我认为蒋介石的能力远超什么甘地、尼赫鲁、纳赛尔等名人。从纵向比,他的水准我认为和赵匡胤刘秀在一个等级上(但没有刘邦、朱元璋、成吉思汗厉害)。总之,蒋介石在列强-军阀模式当中博弈水平已经达到了顶尖。可是没想到以毛泽东为代表的老一辈革命家开创出了以农民为主体的共产革命模式,于是他就被降维打击了。

至于降维打击具体是怎样进行的,请各位认真接受党史教育 。

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