學(xué)貫中西（3）：欣賞AI的推論技能

0 引言

上一期[1]說明了在人們學(xué)習(xí)知識的過程中，除了會記憶（背）之外，還會進(jìn)行歸納、抽象，然后對眼前或腦海里想象的新事物進(jìn)行推論（如鑒往知來），甚至能舉一反三。本期將以唐詩的4種平仄韻律為例，與您一起來欣賞AI的初步推論技能：見微知著。也就是，從部分信息推測（Predict）出全貌。

1 復(fù)習(xí)：分類型特征編碼

回憶一下，在前2期[1-2]里曾經(jīng)介紹了機(jī)器學(xué)習(xí)的特征（feature）含義；也說明了2種主要特征：數(shù)值型（numerical）與分類型（categorical）特征。其中，分類型特征又可分為：次序型（ordinal）和名目型（nominal）特征。如圖1所示。

例如，有一家房產(chǎn)公司公布了4套房屋的相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖2所示。

其中，每一筆數(shù)據(jù)都包含了該房屋的4項特征。現(xiàn)在，從機(jī)器學(xué)習(xí)的視角來敘述這些特征的類型和編碼方式。如圖3所示。

其中特征1屬于名目型特征，包括2種名目：新（屋）與舊（屋）。適合采用OHE（獨熱）編碼，以[10]代表新（屋）、以[01]代表舊（屋）。而特征2也屬于名目型特征，包括4種名目：東、西、南、北，也適合采用OHE（one-hot-encoding）編碼，以[1000]代表東，[0100]代表西，[0010]代表南，[0001]代表北。而特征3則屬于次序型特征，包括3種等級：大、中、小，適合采用標(biāo)簽編碼（label-encoding），以3代表大，2代表中，1代表小。至于特征4，則是您已經(jīng)很熟悉的數(shù)值型特征，表示為一般的浮點數(shù)（floating-point）即可。如圖4所示。

于是，這些房屋的特征數(shù)據(jù)就能成為機(jī)器學(xué)習(xí)中的樣本數(shù)據(jù)了，其中涵蓋了華夏文化中的房屋方位的智慧。

2 細(xì)說OHE編碼與坐標(biāo)空間

關(guān)于OHE編碼的使用，大家最常提出的問題是：在華夏的易經(jīng)八卦智慧里，已經(jīng)有了二進(jìn)制（binary）編碼方式，為什么在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，這些陰陽五行等知識概念并不采用傳統(tǒng)二進(jìn)制編碼，而要采用OHE編碼呢？例如，上述的方位（東西南北），如果采用二進(jìn)制編碼，可編碼為：

東 ---- > [00] 西 ---- > [01]

南 ---- > [10] 北 ---- > [11]

如果采用OHE編碼，上述的方位（東西南北）可編碼為：

東 ---- > [1000] 西 ---- > [0100]

南 ---- > [0010] 北 ---- > [0001]

兩者相比，可以看出：后者比較冗長，需要占用更大的內(nèi)存空間。

現(xiàn)在，來細(xì)說其中的緣由。因為在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，會以數(shù)學(xué)歐式空間（euclidean space）里的向量（vector）來表示分類型特征。因此，一項特征會對應(yīng)到歐式空間中的某個點（point）。在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，我們常稱之為：把特征向量嵌入（Embedding）到歐式空間中。

一旦嵌入到歐式空間中，就能夠計算出空間中各點之間的距離，然后依據(jù)此距離來得知事物之間相似度（similarity），進(jìn)而支撐神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的分類（classification）、回歸（regression）和分群（clustering）等典型算法和功能。

那么，計算距離又與OHE編碼有何關(guān)系呢？答案是：例如上述房屋方位特征的4個名目（東西南北）之間，并沒有大小或等級之分。所以在歐式空間中，它們相互之間的距離最好是相等的。而OHE編碼則具有這種特質(zhì)。來看一個簡單的例子（圖5）。

這里的冷熱特征包括了3類：熱、溫、冷，以一維空間的3個向量來表示，如圖6所示。

可以看出，其中的“冷”與“溫”2個向量之間距離為1；而“溫”與“熱”2個向量之間的距離為1。然而，“冷”與“熱”2個向量之間的距離是2。如果您覺得這種距離感是合理的（例如，會覺得冷與溫比較相似，冷與熱比較不相似），就可采用標(biāo)簽編碼，以2代表“熱”，1代表“溫”，0代表“冷”。

那么，如果把圖6更改為圖7，您會覺得這種距離感還是合理的嗎？

一般而言，我們通常會認(rèn)為：天、地、人是三項并立的概念或名目。所以圖7的距離感并不太合理。此時，就可以采用OHE編碼，以三維空間的3個向量來表示，如圖8所示。

這通稱為：把特征嵌入為三維的向量。于是，采用OHE編碼，如下：

天 ---- > [100] 地 ---- > [010] 人 ---- > [001]

可以看出，圖8中的3個點（即向量）之間的距離是相等的，能更精確計算出事物之間的相似度。凡是3項以上的并立名目（如方位、五行、十二生肖等）都適合采用OHE編碼。

那么，一個比較特別的是：二元（binary）名目，只含有2項并立的名目，例如：太極圖的陰、陽。此時，2種嵌入途徑（即編碼方式）皆可。可以采用OHE編碼嵌入到二維空間：陽→[10]；陰→[01]。如圖9所示。

也可以采用binary編碼嵌入到一維空間：陽→[1]；陰→[0]。再如，唐詩韻律的平、仄。此時，2種嵌入途徑皆可。可以采用OHE編碼，如圖11所示。

也可以采用binary編碼，如圖12所示。

對于二元名目型特征，2種編碼方式皆是適當(dāng)?shù)摹５呛笳弑容^節(jié)省空間，所以大多會采用后者（Binary編碼）。

3 欣賞AI推論技能：以唐詩的韻律為例

基于上述的編碼觀念，就可以對五言絕句唐詩的韻律進(jìn)行編碼，以作為機(jī)器學(xué)習(xí)的材料。于是，把它放在Excel畫面（圖13）中，成為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)（training data）。按下“學(xué)習(xí)”按鈕，開始機(jī)器學(xué)習(xí)。

經(jīng)過數(shù)分鐘，訓(xùn)練完成。這時，AI模型已經(jīng)記憶了這些韻律，還能進(jìn)行簡單的推論。接著進(jìn)行測試。我們輸入這首詩的前3段韻律（圖14）。

然后，來檢驗AI模型是否能把欠缺的最后一段韻律填補起來。請按下“測試”，展開推論，并輸出推論結(jié)果（圖15）。

AI模型填補了最后一段：[0.1， 0.1， 0.9， 0.9， 0.1]。這非常接近于[0，0，1，1，0]，代表了[平、平、仄、仄、平]的韻律。表示AI推論得很棒。仔細(xì)看看圖16，所輸入的測試數(shù)據(jù)中有1個錯別字：春，使我們輸入的編碼是：0（代表平音），也是錯的。此時，AI模型也有能力偵測出這個錯誤，自動將它更正為：0.8（代表仄音）。

以上2個范例展示了AI的記憶和推論能力。當(dāng)我們給予正確的測試數(shù)據(jù)，它能夠進(jìn)行推論而填補起來。此外，當(dāng)我們給予少數(shù)錯別字時，它也能自動更正，而做出正確的推論。

在欣賞了上述的AI簡單推論技能之后，如果意猶未盡，可繼續(xù)閱讀下一期，將介紹AI更多精妙的推論技能。

參考文獻(xiàn)：

[1]高煥堂.學(xué)貫中西（2）：認(rèn)識AI的記憶（背誦）技能[J].電子產(chǎn)品世界，2021（12）：28-30.

[2]高煥堂.學(xué)貫中西：讓機(jī)器學(xué)習(xí)華夏智慧[J].電子產(chǎn)品世界，2021（11）：17-19.

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