模型驅(qū)動深度學(xué)習(xí)的標(biāo)準(zhǔn)流程與學(xué)習(xí)方法解析

概要：近年來，深度學(xué)習(xí)在人工智能領(lǐng)域一系列困難問題上取得了突破性成功應(yīng)用。

模型驅(qū)動的深度學(xué)習(xí)方法

近年來，深度學(xué)習(xí)在人工智能領(lǐng)域一系列困難問題上取得了突破性成功應(yīng)用。例如用于人臉識別已高于人的正確識別率、用于語音識別與機(jī)器翻譯已接近達(dá)到同聲翻譯和‵講完稿出＇的水平、用于圍棋競賽已達(dá)到完勝人類世界冠軍的水平、用于一些疾病的診斷巳能與中、高級專業(yè)醫(yī)師水平匹敵?，F(xiàn)在，深度學(xué)習(xí)技術(shù)在信息科學(xué)各領(lǐng)域已無處不在、并正成為各自領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)方法。

盡管深度學(xué)習(xí)取得重大進(jìn)展，但人們對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c性能的對應(yīng)關(guān)系仍然缺少理論上的認(rèn)知，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇目前還是一項工程技術(shù)而并沒有成為科學(xué)。這直接導(dǎo)致了現(xiàn)有深度學(xué)習(xí)多半是缺少理論基礎(chǔ)的啟發(fā)式方法。設(shè)計難、解釋難、結(jié)果不可預(yù)知已成為深度學(xué)習(xí)公認(rèn)的缺撼。

《國家科學(xué)評論》最近發(fā)表了西安交通大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院徐宗本院士、孫劍教授撰寫的“Model-driven deep learning”的觀點文章（National Science Review, 2017,https://doi.org/10.1093/nsr/nwx099）。這篇文章嘗試解決深度學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇問題，目的是實現(xiàn)可設(shè)計、可解釋以及結(jié)果可預(yù)期的深度學(xué)習(xí)方法。文章提出一種模型驅(qū)動與數(shù)據(jù)驅(qū)動相結(jié)合深度學(xué)習(xí)方法。眾所周知，深度學(xué)習(xí)是一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)驅(qū)動型方法，它將深度網(wǎng)絡(luò)作為黑箱依賴于大量數(shù)據(jù)解決現(xiàn)實問題；而模型驅(qū)動方法則是從目標(biāo)、機(jī)理、先驗出發(fā)首先形成學(xué)習(xí)的一個代價函數(shù)，然后通過極小化代價函數(shù)來解決問題。模型驅(qū)動方法的最大優(yōu)點是只要模型足夠精確，解的質(zhì)量可預(yù)期甚至能達(dá)到最優(yōu)，而且求解方法是確定的，但模型驅(qū)動方法的缺陷是在應(yīng)用中難能精確建模，而且對建模的精確性追求通常只能是一種奢望。

模型驅(qū)動深度學(xué)習(xí)方法有效結(jié)合了模型驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的優(yōu)勢，文章中給出了模型驅(qū)動深度學(xué)習(xí)的標(biāo)準(zhǔn)流程:(1)根據(jù)問題，建立模型族(Family of Models);(2)根據(jù)模型族，設(shè)計算法族(Family of Algorithms)并建立算法族的收斂性理論;(3)將算法族展開(unfold)成深度網(wǎng)絡(luò)并實施深度學(xué)習(xí)。文中還介紹了課題組研究并實踐的一系列模型驅(qū)動與數(shù)據(jù)驅(qū)動結(jié)合的深度等習(xí)方法，展現(xiàn)了該方法在解決實際問題上的有效性。