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神经网络和深度学习如何使人工智能系统学习和决策
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要点
神经网络通过反复调整称为权重的内部数值来学习,使用称为反向传播的训练方法来纠正将预测与已知答案进行比较时发现的错误。深度学习将这些网络的许多层堆叠在一起,这就是为什么当今的人工智能系统可以识别模式并产生输出,而无需为每种情况给出明确的、手写的规则。
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神经网络实际上是什么
根据IBM的说法,神经网络是一种机器学习模型,由称为神经元的简单处理单元组成,这些单元按层排列,从数据中学习模式识别的权重和偏差,以便将输入映射到输出。每个网络都有一个输入层来获取原始数据、一个或多个隐藏层来转换数据,以及一个产生最终结果的输出层,例如标签或预测。
每个神经元将其传入值乘以称为权重的数字,加上一个偏差项,然后将结果通过非线性激活函数。IBM将权重比作刻度盘,用来设置每个输入对结果的影响程度,而偏差调整神经元变为活跃的点。
训练如何工作:前向和反向传递
MIT新闻将这一想法追溯到1944年,当时沃伦·麦卡洛克和沃尔特·皮茨(后来搬到MIT)首次提出了互联处理节点的概念。在原始设计中,每个节点对其加权输入求和,如果总和超过阈值就会"激发",向下一层发送信号,这是MIT所称的前馈架构。
训练从随机权重开始。IBM解释说网络首先运行"前向传播"步骤,通过各层传递输入数据以产生预测。损失函数随后测量该预测与正确答案之间的差距,根据IBM的说法,对于数值预测使用均方误差之类的公式,或对于分类任务使用交叉熵。
网络然后运行"反向传播",逐层计算每个单独的权重对错误的贡献程度,使用称为链式法则的微积分规则。称为梯度下降的优化步骤随后使用这些计算来轻微调整每个权重,使其向减少错误的方向移动。根据IBM和MIT的描述,在训练示例中重复这个循环数千次或数百万次就是网络如何"学习"的。
为什么深度学习起飞了
"深度学习"指的是具有许多堆叠隐藏层而不是仅一层的网络。MIT新闻指出,来自1960年代的单层网络已经让位于具有10到50层或更多层的现代网络。根据MIT新闻的报道,在MIT的马文·明斯基和西蒙·帕佩特发表了一本1969年的书展示单层网络的局限性后,研究动力崩溃了,在1980年代仅部分恢复,然后在2000年代初再次下降。
MIT将该领域的现代复兴追溯到大约2010年左右,这是由原本为视频游戏构建的图形处理单元(GPU)驱动的,使得运行深度网络所需的大量计算成为可能。IBM补充说,这种计算能力与更大的数据集相结合,使当今大型模型中的参数数量可以达到数十亿。
| 架构 | 典型用途 | 来源 |
|---|---|---|
| 卷积神经网络(CNN) | 图像识别,使用扫描局部模式的过滤器 | IBM |
| 循环神经网络(RNN) | 顺序数据,如文本或时间序列,通过类似记忆的隐藏状态 | IBM |
| Transformer | 序列间的自注意力;为现代大型语言模型提供动力 | IBM |
| 扩散模型 | 通过反转逐步噪声添加过程来生成图像 | IBM |
| 自编码器 | 将数据压缩为更小的表示,用于缩减或生成任务 | IBM |
"黑箱"问题:为什么决策难以解释
即使是经过充分训练的网络也可能很难解释。MIT新闻指出,训练后,通常不清楚最终权重设置实际代表什么,或已训练系统依赖的图像特征是什么以及它如何组合它们。这种不透明性,有时称为"黑箱"问题,与网络的构建方式不同——它涉及理解为什么特定的、已训练的网络产生特定的决策。
为什么这个解释现在很重要
上述机制处于日常AI使用快速扩展的背后。斯坦福大学的HAI 2026 AI指数报告发现,生成式AI的组织采纳率在2025年达到了88%,生成式AI在其大规模推出后三年内达到了53%的人口水平采纳——该报告表示这比个人计算机或互联网达到相同水平的速度更快。同一份报告将2025年美国私人AI投资定为285.9亿美元,超过那一年中国投资的124亿美元的23倍多。
斯坦福报告还发现,AI模型在编码基准(如SWE-bench验证)上的性能在一年内从大约60%上升到接近100%,几个模型现在在博士级科学问题和竞赛数学上达到或超过人类基线。这些能力收益都不会改变上述基础机制——通过反向传播和梯度下降调整的加权连接——只是应用它的规模。
常见问题
- 神经网络和深度学习之间有什么区别?
- 神经网络是分层的、加权处理单元的基本模型;深度学习特别指的是具有许多隐藏层的神经网络(IBM引用了具有10到50层或更多层的现代网络,相比之下,根据MIT新闻,1960年代的单层网络)。
- 反向传播实际上如何工作?
- 在网络进行预测(前向传播)后,损失函数测量错误与正确答案的差距,反向传播使用链式法则来计算每个权重对该错误的贡献程度;根据IBM的说法,梯度下降然后调整每个权重以减少它。
- 为什么神经网络有时被称为"黑箱"?
- MIT新闻解释说,即使在训练成功后,通常也不清楚网络依赖于哪些输入特征或其学习的权重值实际代表什么,尽管输出正确,但其具体决策也很难解释。
- 为什么深度学习直到最近才变得实用?
- MIT新闻将2010年后的复兴归功于图形处理单元(GPU),这些单元最初为视频游戏而构建,为在大型数据集上训练具有许多层的网络提供了所需的计算能力。
- 当今AI的实际使用范围有多广?
- 斯坦福的2026 AI指数报告发现,生成式AI的组织采纳率在2025年达到了88%,生成式AI在推出后三年内达到了人口的53%,比PC或互联网在同一阶段的速度更快。
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