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01 “機(jī)器學(xué)習(xí)好學(xué)嗎?”

這是我最常聽到的一個問題，以前我的回答也簡單明了，就兩個字，好學(xué)。不過，現(xiàn)在我感覺自己好像草率了一點(diǎn)。機(jī)器學(xué)習(xí)還是“好學(xué)”的，但再加一個“學(xué)習(xí)”，不但會變得有點(diǎn)拗口，也讓問題更加復(fù)雜了。

也許有同學(xué)不太同意，說機(jī)器學(xué)習(xí)得先學(xué)好數(shù)學(xué)，數(shù)學(xué)難道還有好學(xué)的嗎?

這種觀點(diǎn)很有代表性，里面包含了兩個問題。第一個問題是，機(jī)器學(xué)習(xí)真得先學(xué)好數(shù)學(xué)嗎?而另一個問題則是，數(shù)學(xué)是不是一定都很難學(xué)?

先說這個機(jī)器學(xué)習(xí)吧，我們老是“機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)”地掛在嘴邊，好像專門有項(xiàng)什么技術(shù)就叫這個名字。實(shí)際上呢，機(jī)器學(xué)習(xí)只是一個大框，里面裝滿了各種模型算法，從原理到結(jié)構(gòu)，可能都完全不是一回事。所以，最開始我理解的學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)，就是學(xué)習(xí)各種模型算法到底都是怎么一回事。

難不難呢?我的回答是，可以很難，也可以沒這么難，根據(jù)你不同的學(xué)習(xí)目標(biāo)，至少有三種難度可以選擇：

第一種，如果你想要學(xué)完之后開發(fā)一種新的模型算法，或者給現(xiàn)有的算法模型增加某種設(shè)計(jì)以提升性能，這種最難，放眼全世界能做到的人都不太多。

第二種，從數(shù)學(xué)層面掌握機(jī)各種器學(xué)習(xí)算法的原理和邏輯，通常包括了解各類數(shù)學(xué)名詞術(shù)語、推導(dǎo)各種公式等等。這比第一種就是簡單太多了，很多開設(shè)了機(jī)器學(xué)習(xí)課程的高校就是朝著這個目標(biāo)制定教學(xué)計(jì)劃的，不過門檻還是挺高的，畢竟要學(xué)數(shù)學(xué)，而數(shù)學(xué)距離可鹽可甜確實(shí)還有點(diǎn)遠(yuǎn)。

第三種，就是掌握機(jī)各種器學(xué)習(xí)算法的原理和邏輯?？粗偷诙N一樣，就是少了“從數(shù)學(xué)層面”這五個字。有什么差別呢?

差別可大了，這一種著眼于問題，最想知道的是怎樣選擇合適的模型來解決問題，學(xué)習(xí)的內(nèi)容變成了不同的模型有哪些不同的效果，面對問題又該怎樣兵來將擋水來土掩。第二種我們說學(xué)習(xí)難度就已經(jīng)大大減少，而這第三種和第二種相比，更是折上又打了骨折，難度差別比“買保時捷”和“買保時捷模型”還大。

更重要的是，許多人想學(xué)機(jī)器學(xué)習(xí)，想學(xué)的不是數(shù)學(xué)公式，恰恰正是怎樣使用，有時還是帶著問題學(xué)，看看在機(jī)器學(xué)習(xí)這里能不能淘到一把趁手的工具。所以我說，機(jī)器學(xué)習(xí)好學(xué)。

02 如何從解決問題的角度學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)

如果學(xué)機(jī)器學(xué)習(xí)是為了解決問題，那自然希望學(xué)習(xí)成本越低越好，學(xué)習(xí)時間越短越好。而我們也都知道，數(shù)學(xué)就是個時間黑洞，多少時間扔進(jìn)去都不一定能聽到個響，這也是不少人不太敢碰機(jī)器學(xué)習(xí)的現(xiàn)實(shí)原因。

既然這樣我們就要問了，有沒有不學(xué)數(shù)學(xué)也能用機(jī)器學(xué)習(xí)解決問題的方法呢?

還真有，而且方法不止一種。

第一種，也是比較常見的一種，就是調(diào)包。

軟件工程里面有一項(xiàng)很重要的思想，叫“封裝”，你只管根據(jù)定義好的接口調(diào)用就行了，算法對來說就是一個黑箱。機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域同樣已經(jīng)有一些封裝良好的第三方庫，譬如說無人不曉的Scikit-Learn，你完全不用接觸任何一點(diǎn)模型的數(shù)學(xué)原理，要做的只有三件事，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)、把數(shù)據(jù)fit給模型、讓模型predict。

這里的fit和predict，就是封裝好的接口。如果你翻開一本機(jī)器學(xué)習(xí)的書，基本沒啥公式都是代碼，告訴你這個怎么用那個怎么用，那就屬于這一種。

這種方法簡單是簡單，就是讓人有點(diǎn)不放心，加上我們程序員自帶的疑心病屬性，不出問題還好，出了問題那一定都是第三方庫的問題，所以大家覺得還是得知道一點(diǎn)機(jī)器學(xué)習(xí)的基本原理，不能做純粹的調(diào)包俠。

那有沒有繞過數(shù)學(xué)也能了解機(jī)器學(xué)習(xí)原理和邏輯的辦法呢?

有，這就是第二種方法。

如果你只是把機(jī)器學(xué)習(xí)當(dāng)作莫得感情的工具人，那你要學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，是機(jī)器學(xué)習(xí)模型的選擇和組合上。前面我們說了，機(jī)器學(xué)習(xí)是一個框，里面堆滿了各種奇形怪狀的模型算法，也就是說，這是一只工具箱。

那我們就應(yīng)該給予它工具箱應(yīng)有的尊重，了解工具箱里的工具都有什么功能，然后根據(jù)我們眼前要去處理的問題，選擇一款工具，或者組合使用多款工具，最終解決問題?；叵胍幌拢阍诠ぞ呦淅镎衣萁z批，只會考慮哪支更合適，應(yīng)該不會想先要了解它們的鑄造工藝。

當(dāng)然，理想很豐滿現(xiàn)實(shí)很骨感，機(jī)器學(xué)習(xí)模型畢竟不是螺絲批，想要完全不碰數(shù)學(xué)，又能準(zhǔn)確選擇所需要的模型，如果你真的去嘗試你就會發(fā)現(xiàn)，其實(shí)難度很大，肯定得首先有一批已經(jīng)了解了機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)背景的，又愿意從工具的角度看待機(jī)器學(xué)習(xí)的前人去積累一些學(xué)習(xí)材料。

現(xiàn)在市面上基本沒有從這個角度撰寫的教材，我自己嘗試寫了一本書叫《機(jī)器學(xué)習(xí)算法的數(shù)學(xué)原理和Python實(shí)現(xiàn)》，就是想給大家多一種機(jī)器學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)方向選擇。

03 機(jī)器學(xué)習(xí)工程

回到開篇的問題，機(jī)器學(xué)習(xí)好學(xué)嗎?

嗯......不太好說。

是的，這是我現(xiàn)在的答案。機(jī)器學(xué)習(xí)沒有變，是我變了，準(zhǔn)確來說，我對“機(jī)器學(xué)習(xí)”這四個字的理解變了。前面在介紹機(jī)器學(xué)習(xí)的時候，我是怎么說的?我說，機(jī)器學(xué)習(xí)是一個大框，里面裝滿了各種模型算法。這就是我此前對機(jī)器學(xué)習(xí)的理解。

這個說法對不對呢?

嗯......不太好說。也許不至于一千個人眼里有一千個機(jī)器學(xué)習(xí)，但不同人對機(jī)器學(xué)習(xí)確實(shí)存在不同的理解。所以，回答好不好學(xué)這個問題，也需要充分考慮上下文。最早我是通過書本了解到的機(jī)器學(xué)習(xí)，所以對我來說，我的理解和書本很相近。

但對于另一些朋友，他們是在生產(chǎn)環(huán)境中聽到的機(jī)器學(xué)習(xí)，譬如有人告訴他，這個問題用機(jī)器學(xué)習(xí)效果更好，所以，它們更傾向于把“機(jī)器學(xué)習(xí)”看作是一種方法，使用機(jī)器學(xué)習(xí)就是增加一個工作環(huán)節(jié)，上游的工作環(huán)節(jié)產(chǎn)生的一些數(shù)據(jù)，經(jīng)過“機(jī)器學(xué)習(xí)”的加工處理之后，能夠形成一些產(chǎn)品來推送給下游的工作環(huán)節(jié)。

這些朋友對機(jī)器學(xué)習(xí)的理解，也許太務(wù)實(shí)了，但也許反而更接近機(jī)器學(xué)習(xí)在生產(chǎn)環(huán)境中真實(shí)的樣子。沒準(zhǔn)現(xiàn)實(shí)還會更現(xiàn)實(shí)一點(diǎn)，甚至可能根本就沒什么上游下游，只不過是老板告訴你他需要什么，至于怎么達(dá)到，采用什么手段，需要建立怎樣的上下游配套，全得你自己去想。

前一陣我聽幾個朋友在那討論參加數(shù)據(jù)競賽到底對學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)有沒有幫助，當(dāng)時我第一反應(yīng)是奇怪，怎么會沒幫助呢?后來我才搞明白了，大家是覺得數(shù)據(jù)競賽太理想，要是老板也能像數(shù)據(jù)競賽那樣準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)集、標(biāo)明數(shù)據(jù)字段含義，還把要達(dá)到的評價指標(biāo)都事先告訴了你，那只能說明一點(diǎn)，他不是老板，你才是老板。

問題就出在這里。現(xiàn)在市面的機(jī)器學(xué)習(xí)教材，偏理論的也好，偏編程的也好，書的篇章組織大概都是這一章介紹一個模型，下一章又介紹一個模型，基本上都是用各種模型串起了整本書。不妨想象一下，假設(shè)你找到一本教材，這本書也真的好，你也真的很努力，知識都理解了，那你能夠說已經(jīng)學(xué)會機(jī)器學(xué)習(xí)了嗎?

不好說。為什么不好說?因?yàn)槿绻阋鉀Q的是老師提出的問題，那應(yīng)該沒有問題，但如果你要解決的是老板提出的問題，估計(jì)你會一臉懵，感覺無從下手，然后懷疑自己學(xué)了個假的機(jī)器學(xué)習(xí)。我已經(jīng)見過太多這樣的例子了。

為什么呢?

學(xué)了機(jī)器學(xué)習(xí)卻不知道實(shí)際該怎么用，咋一聽好像不可思議，其實(shí)就和學(xué)開車一樣。

如果駕校教的也都是汽車本身，譬如說汽車的結(jié)構(gòu)是什么、發(fā)動機(jī)是什么、變速箱是什么，你記住了各種各樣的專業(yè)術(shù)語和各種角度的結(jié)構(gòu)視圖，現(xiàn)在請你開車上路，你同樣無法避免手忙腳亂。為什么呢?很簡單，因?yàn)槟銓W(xué)的叫汽修而不叫駕駛，自然搞不懂開車該先踩油門還是先松離合。

在這一點(diǎn)上，機(jī)器學(xué)習(xí)和軟件工程很像。很多人都以為搞開發(fā)就是敲代碼，學(xué)了軟件工程才知道編程的其中一個環(huán)節(jié)。

學(xué)界都喜歡提新概念占坑，為了便于大家理解，這里我也提一個新概念，叫“機(jī)器學(xué)習(xí)工程”，就是希望告訴大家，很多人理解的“機(jī)器學(xué)習(xí)”，其實(shí)應(yīng)該叫“機(jī)器學(xué)習(xí)工程”，而模型訓(xùn)練只是機(jī)器學(xué)習(xí)工程的其中一個環(huán)節(jié)。

04 如何建立機(jī)器學(xué)習(xí)工程

軟件工程有個軟件生命周期，分好幾個階段，機(jī)器學(xué)習(xí)同樣也有這么個生命周期，建立一項(xiàng)機(jī)器學(xué)習(xí)工程，至少也需要完成以下幾步：

第一步，是數(shù)據(jù)采集

我們在學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)時，肯定都要用到數(shù)據(jù)集，但大家千萬別有一個印象，覺得數(shù)據(jù)集和超市里的大米一樣，天然就躺在那里。大米要人來種，數(shù)據(jù)集同樣需要人來整理，工作還不止一步。

首先你得設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)字段，沒錯，數(shù)據(jù)競賽中你只需要理解數(shù)據(jù)字段，而真到了自己建立機(jī)器學(xué)習(xí)工程，連字段都是得自己首先設(shè)計(jì)。

接著，你得采集數(shù)據(jù)。這項(xiàng)工作不容易，采集什么數(shù)據(jù)，怎么采，采好以后怎樣用，又怎樣管理，這一系列大大小小的問題完全可以寫一本書。譬如說網(wǎng)上公開數(shù)據(jù)，你需要使用爬蟲，而公司內(nèi)部數(shù)據(jù)，你可能又得另外辦法，甚至可能需要建設(shè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，譬如說現(xiàn)在經(jīng)常上熱搜的數(shù)據(jù)中臺。

第二步，是數(shù)據(jù)清洗

好了，假設(shè)你已經(jīng)克服重重困難，知道自己需要什么數(shù)據(jù)，也順利把數(shù)據(jù)都采集回來，那么接下來很重要的一步，是數(shù)據(jù)清洗。這一點(diǎn)和做菜很像，食材你得洗干凈了才下鍋，不然可能吃壞肚子。

數(shù)據(jù)也一樣，野生的數(shù)據(jù)有各種問題，最常見的就是缺失值，屬于概率性事件，早晚都是要面對的。怎么處理呢，大家研究出來了很多方法，但沒有萬金油，都得具體問題具體分析。

除了缺失值，其它更怪異的問題還有很多，譬如說還有離群點(diǎn)、異常值這些，這些就好比你群發(fā)調(diào)查表，總會有一群人堅(jiān)持不懈地在“性別”一欄填“漢族”一樣。

第三步，是特征工程，有人也稱之為數(shù)據(jù)探索

這一步很重要，作用簡單來說，就是爭取讓數(shù)據(jù)的特點(diǎn)更加突出，能夠明顯提升模型的性能。

以前有個說法，叫數(shù)據(jù)決定了機(jī)器學(xué)習(xí)性能的天花板，而模型只是逼近這個天花板?，F(xiàn)在好像改了一點(diǎn)，說是特征工程決定了性能的天花板，而參數(shù)調(diào)優(yōu)只是逼近這個天花板。不管怎樣吧，這一步很重要，也非常需要經(jīng)驗(yàn)。內(nèi)容就非常多了，真的需要一本書才能講清楚。

第四步，是模型訓(xùn)練

這就不多說了，到了這里，才總算看到我們熟悉的景色，現(xiàn)在大家應(yīng)該能夠更清楚，為什么感覺學(xué)懂了機(jī)器學(xué)習(xí)，到了真的要去建立機(jī)器學(xué)習(xí)工程，照樣會一臉懵，感覺無從下手，懷疑自己學(xué)了個假的機(jī)器學(xué)習(xí)。

第五步，是模型部署

一般來說，走到這一步，你手上就已經(jīng)有了一個模型了，當(dāng)然，這個模型是不是能發(fā)揮作用，達(dá)到你或者你老板想要的預(yù)期目標(biāo)，沒達(dá)到又該怎么辦，這都是需要另外討論的問題。

假設(shè)你很順利，模型也很爭氣，那現(xiàn)在你就可以把模型部署上線，讓模型在生產(chǎn)環(huán)境發(fā)揮作用。別以為這一步只是儀式性的，同樣有許多工程問題和奇葩狀況在前面等待著你，就不具體展開了。

以上只是將機(jī)器學(xué)習(xí)工程要做的事簡要地列了一下，主要是想讓大家明白“機(jī)器學(xué)習(xí)”不只是機(jī)器學(xué)習(xí)，還包括了一系列一點(diǎn)不亞于軟件工程的復(fù)雜工序，我們姑且稱之為機(jī)器學(xué)習(xí)工程。

從學(xué)術(shù)角度看待機(jī)器學(xué)習(xí)，和從機(jī)器學(xué)習(xí)工程看待機(jī)器學(xué)習(xí)，可能會讓你產(chǎn)生截然不同的理解和視野，自然也會對能力提出不同的要求。