【E課堂】一文讀懂深度學(xué)習(xí)

　　近日，在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域出現(xiàn)了一場(chǎng)熱烈的爭(zhēng)論。這一切都要從Jeff Leek在Simply Stats上發(fā)表了一篇題為 《數(shù)據(jù)量不夠大，別玩深度學(xué)習(xí)》 (Don't use deep learning your data isn't that big)的博文開始。作者Jeff Leek在這篇博文中指出，當(dāng)樣本數(shù)據(jù)集很小時(shí)(這種情況在生物信息領(lǐng)域很常見(jiàn))，即使有一些層和隱藏單元，具有較少參數(shù)的線性模型的表現(xiàn)是優(yōu)于深度網(wǎng)絡(luò)的。為了證明自己的論點(diǎn)，Leek舉了一個(gè)基于MNIST數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行圖像識(shí)別的例子，分辨0或者1。他還表示，當(dāng)在一個(gè)使用僅僅80個(gè)樣本的MNIST數(shù)據(jù)集中進(jìn)行0和1的分類時(shí)，一個(gè)簡(jiǎn)單的線性預(yù)測(cè)器(邏輯回歸)要比深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度更高。

　　這篇博文的發(fā)表引起了領(lǐng)域內(nèi)的爭(zhēng)論，哈佛大學(xué)藥學(xué)院的生物醫(yī)藥信息學(xué)專業(yè)博士后Andrew Beam寫了篇文章來(lái)反駁： 《就算數(shù)據(jù)不夠大，也能玩深度學(xué)習(xí)》 (You can probably use deep learning even if your data isn't that big)。Andrew Beam指出，即使數(shù)據(jù)集很小，一個(gè)適當(dāng)訓(xùn)練的深度網(wǎng)絡(luò)也能擊敗簡(jiǎn)單的線性模型。如今，越來(lái)越多的生物信息學(xué)研究人員正在使用深度學(xué)習(xí)來(lái)解決各種各樣的問(wèn)題，這樣的爭(zhēng)論愈演愈烈。這種炒作是真的嗎?還是說(shuō)線性模型就足夠滿足我們的所有需求呢?結(jié)論一如既往——要視情況而定。在這篇文章中，作者探索了一些機(jī)器學(xué)習(xí)的使用實(shí)例，在這些實(shí)例中使用深度學(xué)習(xí)并不明智。并且解釋了一些對(duì)深度學(xué)習(xí)的誤解，作者認(rèn)為正是這些錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)導(dǎo)致深度學(xué)習(xí)沒(méi)有得到有效地使用，這種情況對(duì)于新手來(lái)說(shuō)尤其容易出現(xiàn)。

　　打破深度學(xué)習(xí)偏見(jiàn)

　　首先，我們來(lái)看看許多外行者容易產(chǎn)生的偏見(jiàn)，其實(shí)是一些半真半假的片面認(rèn)識(shí)。主要有兩點(diǎn)，其中的一點(diǎn)更具技術(shù)性，我將詳細(xì)解釋。

　　深度學(xué)習(xí)在小樣本集上也可以取得很好的效果

　　深度學(xué)習(xí)是在大數(shù)據(jù)的背景下火起來(lái)的(第一個(gè)谷歌大腦項(xiàng)目向深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了大量的Youtube視頻)，自從那以后，絕大部分的深度學(xué)習(xí)內(nèi)容都是基于大數(shù)據(jù)量中的復(fù)雜算法。

　　然而，這種大數(shù)據(jù)+深度學(xué)習(xí)的配對(duì)不知為何被人誤解為：深度學(xué)習(xí)不能應(yīng)用于小樣本。如果只有幾個(gè)樣例，將其輸入具有高參數(shù)樣本比例的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)似乎一定會(huì)走上過(guò)擬合的道路。然而，僅僅考慮給定問(wèn)題的樣本容量和維度，無(wú)論有監(jiān)督還是無(wú)監(jiān)督，幾乎都是在真空中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，沒(méi)有任何的上下文?？赡艿臄?shù)據(jù)情況是：你擁有與問(wèn)題相關(guān)的數(shù)據(jù)源，或者該領(lǐng)域的專家可以提供的強(qiáng)大的先驗(yàn)知識(shí)，或者數(shù)據(jù)可以以非常特殊的方式進(jìn)行構(gòu)建(例如，以圖形或圖像編碼的形式)。所有的這些情況中，深度學(xué)習(xí)有機(jī)會(huì)成為一種可供選擇的方法——例如，你可以編碼較大的相關(guān)數(shù)據(jù)集的有效表示，并將該表示應(yīng)用到你的問(wèn)題中。這種典型的示例常見(jiàn)于自然語(yǔ)言處理，你可以學(xué)習(xí)大型語(yǔ)料庫(kù)中的詞語(yǔ)嵌入，例如維基百科，然后將他們作為一個(gè)較小的、較窄的語(yǔ)料庫(kù)嵌入到一個(gè)有監(jiān)督任務(wù)中。極端情況下，你可以用一套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)合學(xué)習(xí)特征表示，這是在小樣本集中重用該表示的一種有效方式。這種方法被稱作“一次性學(xué)習(xí)”(one-shot learning)，并且已經(jīng)成功應(yīng)用到包括 計(jì)算機(jī)視覺(jué) 和 藥物研發(fā) 在內(nèi)的具有高維數(shù)據(jù)的領(lǐng)域。

　　藥物研發(fā)中的一次性學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，摘自 Altae-Tran et al. ACS Cent. Sci. 2017

　　深度學(xué)習(xí)不是一切的答案

　　我聽(tīng)過(guò)最多的第二個(gè)偏見(jiàn)就是過(guò)度宣傳。許多尚未入門該領(lǐng)域的人，僅僅因?yàn)樯疃壬窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)在其它領(lǐng)域的出色表現(xiàn)，就期待它也能為他們帶來(lái)神話般的表現(xiàn)提升。其他人則從深度學(xué)習(xí)在圖像、音樂(lè)和語(yǔ)言(與人類關(guān)系密切的三種數(shù)據(jù)類型)處理領(lǐng)域的令人印象深刻的表現(xiàn)中受到啟發(fā)，于是就頭腦發(fā)熱地鉆入該領(lǐng)域，迫不及待地嘗試訓(xùn)練最新的GAN結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，這種大肆吹捧在很多方面是真實(shí)存在的。深度學(xué)習(xí)在機(jī)器學(xué)習(xí)中的地位不可小覷，也是數(shù)據(jù)建模方法庫(kù)的重要工具。它的普及帶動(dòng)了諸如tensorflow和pytorch等許多重要框架的發(fā)展，它們即使是在深度學(xué)習(xí)之外也是十分有用的。失敗者崛起成為超級(jí)巨星的故事激勵(lì)了許多研究員重新審視以前的模糊算法，如進(jìn)化算法和增強(qiáng)學(xué)習(xí)。但任何情況下也不能認(rèn)為深度學(xué)習(xí)是萬(wàn)能良藥。除了“天下沒(méi)有免費(fèi)的午餐”這點(diǎn)之外，深度學(xué)習(xí)模型是非常微妙的，并且需要仔細(xì)甚至非常耗時(shí)耗力的超參數(shù)搜索、調(diào)整，以及測(cè)試(文章后續(xù)有更多講解)。除此之外，在很多情況下，從實(shí)踐的角度來(lái)看，使用深度學(xué)習(xí)是沒(méi)有意義的，更簡(jiǎn)單的模型反而能獲得更好的效果。

　　深度學(xué)習(xí)不僅僅是

　　深度學(xué)習(xí)模型從機(jī)器學(xué)習(xí)的其他領(lǐng)域傳來(lái)時(shí)，我認(rèn)為還有另外一個(gè)方面經(jīng)常被忽略。大多數(shù)深度學(xué)習(xí)的教程和介紹材料都將模型描述為通過(guò)層次方式進(jìn)行連接的節(jié)點(diǎn)層組成，其中第一層是輸入，最后一層是輸出，并且你可以用某種形式的隨機(jī)梯度下降(SGD)方法來(lái)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。有些材料會(huì)簡(jiǎn)單介紹隨機(jī)梯度下降是如何工作的，以及什么是反向傳播，但大部分介紹主要關(guān)注的是豐富的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型(卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等)。而優(yōu)化方法本身卻很少受到關(guān)注，這是很不幸的，因?yàn)樯疃葘W(xué)習(xí)為什么能夠起到很大的作用，絕大部分原因就是這些特殊的優(yōu)化方法(具體論述可以參考Ferenc Huszár的 博客 以及博客中引用的 論文 )。了解如何優(yōu)化參數(shù)，以及如何劃分?jǐn)?shù)據(jù)，從而更有效地使用它們以便在合理時(shí)間內(nèi)使網(wǎng)絡(luò)獲得良好的收斂，是至關(guān)重要的。不過(guò)，為什么隨機(jī)梯度下降如此關(guān)鍵還是未知的，但是現(xiàn)在線索也正零星出現(xiàn)。我傾向于將該方法看成是貝葉斯推理的一部分。實(shí)質(zhì)上，在你進(jìn)行某種形式的數(shù)值優(yōu)化時(shí)，你都會(huì)用特定的假設(shè)和先驗(yàn)來(lái)執(zhí)行一些貝葉斯推理。其實(shí)有一個(gè)被稱做 概率數(shù)值計(jì)算 (probabilistic numerics)的完整研究領(lǐng)域，就是從這個(gè)觀點(diǎn)開始的。隨機(jī)梯度下降也是如此， 最新的研究成果 表明，該過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)馬爾科夫鏈，在特定假設(shè)下，可以看作是后向變分近似的穩(wěn)態(tài)分布。所以當(dāng)你停止隨機(jī)梯度下降，并采用最終的參數(shù)時(shí)，基本上是從這個(gè)近似分布中抽樣得到的。我認(rèn)為這個(gè)想法很有啟發(fā)性，因?yàn)檫@樣一來(lái)，優(yōu)化器的參數(shù)(這里是指學(xué)習(xí)率)就更有意義了。例如，當(dāng)你增加隨機(jī)梯度下降的學(xué)習(xí)參數(shù)時(shí)，馬爾可夫鏈就會(huì)變得不穩(wěn)定，直到它找到大面積采樣的局部最小值，這樣一來(lái)，就增加了程序的方差。另一方面，如果減少學(xué)習(xí)參數(shù)，馬爾科夫鏈可以慢慢的近似到狹義極小值，直到它收斂，這樣就增加了某個(gè)特定區(qū)域的偏置。而另一個(gè)參數(shù)，隨機(jī)梯度下降的批次大小，也可以控制算法收斂的區(qū)域是什么類型，小的批次收斂到較大區(qū)域，大的批次收斂到較小區(qū)域。

　　隨機(jī)梯度下降根據(jù)學(xué)習(xí)速率或批尺寸來(lái)選擇較大或狹義最小值

　　這樣的復(fù)雜性意味著深度網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化器非常重要：它們是模型的核心部分，與層架構(gòu)一樣重要。這一點(diǎn)在機(jī)器學(xué)習(xí)的許多其他模型中并不常見(jiàn)。線性模型(甚至是正則化的，像LASSO算法)以及支持向量機(jī)(SVM) 都是凸優(yōu)化問(wèn)題，沒(méi)有太多細(xì)微差別，并且只有一個(gè)最優(yōu)解。這也就是為什么來(lái)自其它領(lǐng)域的研究人員在使用諸如scikit-learn這樣的工具時(shí)會(huì)感到困惑，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)找不到簡(jiǎn)單地提供.fit()函數(shù)的API(盡管現(xiàn)在有些工具，例如skflow，試圖將簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)置入.fit()中，我認(rèn)為這有點(diǎn)誤導(dǎo)，因?yàn)樯疃葘W(xué)習(xí)的全部重點(diǎn)就是其靈活性)。

　　什么時(shí)候不需要深度學(xué)習(xí)

　　在什么情況下深度學(xué)習(xí)不是最理想的呢?在我看來(lái)，以下情況中，深度學(xué)習(xí)更多是一種阻礙，而不是福音。

　　低預(yù)算或低投資問(wèn)題

　　深度網(wǎng)絡(luò)是十分靈活的模型，有多種多樣的結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)模型、優(yōu)化器以及正則化方法。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，你的模型或許要有卷積層(層尺寸多寬?有沒(méi)有池化操作?)，或者循環(huán)結(jié)構(gòu)(有沒(méi)有門控單元?);網(wǎng)絡(luò)可能真的很深(hourglass，siamese，或其他結(jié)構(gòu)?)還是只是具有很少的幾個(gè)隱藏層(有多少單元?);它可能使用整流線性單元或其他激活函數(shù);它可能會(huì)或可能不會(huì)有隨機(jī)丟棄(在哪一層中?用什么比例?)，并且權(quán)重應(yīng)該是正則化的(L1、L2，或者是某些更奇怪的正則化方法?)。這只是一部分列表，還有很多其他類型的節(jié)點(diǎn)、連接，甚至損失函數(shù)可以去嘗試。即便只是訓(xùn)練大型網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)實(shí)例，調(diào)整許多超參數(shù)以及探索框架的過(guò)程也是非常耗時(shí)的。谷歌最近宣稱自己的AutoML方法可以自動(dòng)找到最好的架構(gòu)，令人印象深刻，但仍然需要超過(guò)800個(gè)GPU全天候運(yùn)行數(shù)周，這對(duì)于任何人來(lái)說(shuō)幾乎都是遙不可及的。關(guān)鍵在于訓(xùn)練深度網(wǎng)絡(luò)時(shí)，在計(jì)算和調(diào)試部分都會(huì)花費(fèi)巨大的代價(jià)。這種消耗對(duì)于許多日常預(yù)測(cè)問(wèn)題并沒(méi)有意義，并且調(diào)整深度網(wǎng)絡(luò)的投資回報(bào)率太低，即使是調(diào)整小型網(wǎng)絡(luò)。即使有足夠的預(yù)算和投資，也沒(méi)有理由不嘗試替代方法，哪怕作為基準(zhǔn)測(cè)試。你可能會(huì)驚喜地發(fā)現(xiàn)，線性SVM就夠用了。

　　解釋和傳達(dá)模型參數(shù)或特征對(duì)一般受眾的重要性

　　深度網(wǎng)絡(luò)也是很有名的黑匣子，它具有高預(yù)測(cè)能力但可解釋性不足。盡管最近有很多工具，諸如顯著圖(saliency maps)和 激活差異 (activation difference)，它們對(duì)某些領(lǐng)域而言是非常有用的，但它們不會(huì)完全被應(yīng)用到所有的應(yīng)用中。主要是，當(dāng)你想要確保網(wǎng)絡(luò)不會(huì)通過(guò)記住數(shù)據(jù)集或?qū)Ｗ⒂谔囟ǖ奶摷偬卣鱽?lái)欺騙你時(shí)，這些工具就能很好地工作，但仍然難以從每個(gè)特征的重要性解讀出深度網(wǎng)絡(luò)的整體決策。在這個(gè)領(lǐng)域，沒(méi)有什么能夠真正地打敗線性模型，因?yàn)閷W(xué)習(xí)得到的系數(shù)與響應(yīng)有著直接的關(guān)系。當(dāng)將這些解釋傳達(dá)給一般受眾，并且他們需要基于此做出決策時(shí)，這就顯得尤為重要。例如，醫(yī)生需要結(jié)合各種不同的數(shù)據(jù)來(lái)確認(rèn)診斷結(jié)果。變量和結(jié)果之間的關(guān)系越簡(jiǎn)單、越直接，醫(yī)生就能更好地利用，而不是低估或高估實(shí)際值。此外，有些情況下，模型(尤其是深度網(wǎng)絡(luò))的精度并不像可解釋性那樣重要。例如，政策制定者可能想知道一些人口統(tǒng)計(jì)變量對(duì)于死亡率的影響，并且相較于預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性來(lái)說(shuō)，可能對(duì)這種關(guān)系的直接近似更有興趣。在這兩種情況下，與更簡(jiǎn)單、更易滲透的方法相比，深度學(xué)習(xí)處于不利地位。

　　建立因果機(jī)制

　　模型可解釋性的極端情況是當(dāng)我們?cè)噲D建立一個(gè)機(jī)械模型，即實(shí)際捕捉數(shù)據(jù)背后現(xiàn)象的模型。一個(gè)好的例子包括試圖猜測(cè)兩個(gè)分子(例如藥物、蛋白質(zhì)、核酸等)是否在特定的細(xì)胞環(huán)境中相互產(chǎn)生影響，或者假設(shè)特定的營(yíng)銷策略是否對(duì)銷售產(chǎn)生實(shí)際的影響。在這個(gè)領(lǐng)域，根據(jù)專家意見(jiàn)，沒(méi)有什么可以擊敗老式的貝葉斯方法，它們是我們表示并推斷因果關(guān)系的最好方式。Vicarious有一些很好的 最新研究成果 ，說(shuō)明為什么這個(gè)更有原則性的方法在視頻游戲任務(wù)中比深度學(xué)習(xí)表現(xiàn)得更好。

　　學(xué)習(xí)“非結(jié)構(gòu)化”特征

　　這可能是具有爭(zhēng)議性的。我發(fā)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)擅長(zhǎng)的一個(gè)領(lǐng)域是為特定任務(wù)找到有用的數(shù)據(jù)表示。一個(gè)很好的例子就是上述的詞語(yǔ)嵌入。自然語(yǔ)言具有豐富而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，與“上下文感知”(context-aware)網(wǎng)絡(luò)相近似：每個(gè)單詞都可以通過(guò)向量來(lái)表示，而這個(gè)向量可以編碼其經(jīng)常出現(xiàn)的文本。在NLP任務(wù)中使用在大型語(yǔ)料庫(kù)中學(xué)習(xí)的單詞嵌入，有時(shí)可以在另一個(gè)語(yǔ)料庫(kù)的特定任務(wù)中提升效果。然而，如果所討論的語(yǔ)料庫(kù)是完全非結(jié)構(gòu)化的，它可能不會(huì)起到任何作用。例如，假設(shè)你正在通過(guò)查看關(guān)鍵字的非結(jié)構(gòu)化列表來(lái)對(duì)對(duì)象進(jìn)行分類，由于關(guān)鍵字不是在任何特定結(jié)構(gòu)中都會(huì)使用的(比如在一個(gè)句子中)，所以單詞嵌入不會(huì)對(duì)這些情況有太大幫助。在這種情況下，數(shù)據(jù)是一個(gè)真正的“詞袋”(bag of words)，這種表示很有可能足以滿足任務(wù)所需。與此相反的是，如果你使用預(yù)訓(xùn)練的話，單詞嵌入并不是那么耗費(fèi)時(shí)力，而且可以更好地捕獲關(guān)鍵字的相似度。不過(guò)，我還是寧愿從“詞袋”表示開始，看看能否得到很好的預(yù)測(cè)結(jié)果。畢竟，這個(gè)“詞袋”的每個(gè)維度都比對(duì)應(yīng)的詞嵌入槽更容易解讀。

　　深度學(xué)習(xí)是未來(lái)

　　深度學(xué)習(xí)目前非?；鸨?，資金充足，并且發(fā)展異常迅速。當(dāng)你還在閱讀會(huì)議上發(fā)表的論文時(shí)，有可能已經(jīng)有兩、三種新版本可以超越它了。這給我上述列出的幾點(diǎn)提出了很大的挑戰(zhàn)：深度學(xué)習(xí)在不久的將來(lái)可能在這些情景中是非常有用的。用于解釋圖像和離散序列的深度學(xué)習(xí)模型的工具越來(lái)越好。最近推出的軟件，如 Edward 將貝葉斯建模和深度網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)合，能夠量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的不確定性，以及通過(guò)概率編程和自動(dòng)變分推理進(jìn)行簡(jiǎn)易貝葉斯推理。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，可能會(huì)有一個(gè)簡(jiǎn)化的建模庫(kù)，能夠給出深度網(wǎng)絡(luò)具有的顯著屬性，從而減少需要嘗試的參數(shù)空間。所以要不斷更新你的arXiv閱讀內(nèi)容，這篇博文的內(nèi)容或許一兩個(gè)月內(nèi)也會(huì)過(guò)時(shí)。

　　Edward通過(guò)將概率規(guī)劃與tensorflow結(jié)合，將深度學(xué)習(xí)和貝葉斯的模型考慮在內(nèi)。摘自Tran et al. ICLR 2017