在這篇博文中，你將了解到什么是遷移學(xué)習(xí)，它的一些應(yīng)用以及它為什么能夠成為數(shù)據(jù)科學(xué)家應(yīng)具備的關(guān)鍵技能。

　　遷移學(xué)習(xí)不是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)模型或技術(shù)，它是機(jī)器學(xué)習(xí)中的一種“設(shè)計(jì)方法論”，還有一些其他的設(shè)方法論，比如說(shuō)主動(dòng)學(xué)習(xí)。

　　本文是AI科技大本營(yíng)編譯的遷移學(xué)習(xí)系列的第一篇文章。第二篇文章也會(huì)在近期放送給大家，其中討論了遷移學(xué)習(xí)的兩種應(yīng)用。

　　在后續(xù)的文章中，作者將解釋如何結(jié)合主動(dòng)學(xué)習(xí)與遷移學(xué)習(xí)來(lái)最優(yōu)地利用現(xiàn)有(或者新的)數(shù)據(jù)。 從廣義上說(shuō)，在利用外部信息來(lái)提高性能或泛化能力時(shí)，可以使用遷移學(xué)習(xí)來(lái)實(shí)現(xiàn)一些機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用。

　　▌遷移學(xué)習(xí)的定義

　　遷移學(xué)習(xí)的總體思路是：對(duì)于帶大量標(biāo)簽數(shù)據(jù)及可用參數(shù)設(shè)置的源任務(wù)，遷移已學(xué)習(xí)的知識(shí)，處理帶少量標(biāo)簽的目標(biāo)任務(wù)。因?yàn)闃?biāo)記數(shù)據(jù)的成本是昂貴的，最佳地利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)集來(lái)解決目標(biāo)任務(wù)是關(guān)鍵。

　　在傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型中，主要目標(biāo)是將訓(xùn)練數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到的模式，推廣到未知的數(shù)據(jù)。 通過(guò)遷移學(xué)習(xí)，你可以嘗試從已經(jīng)學(xué)習(xí)的任務(wù)模式開(kāi)始，啟動(dòng)這個(gè)泛化過(guò)程。本質(zhì)上，這不是從無(wú)到有地(通常是隨機(jī)初始化的)開(kāi)始學(xué)習(xí)過(guò)程，而是在學(xué)會(huì)了其他任務(wù)模式的基礎(chǔ)上開(kāi)始學(xué)習(xí)新任務(wù)。

　　能夠從圖像中區(qū)分線條和形狀(左)，這些特征能夠更容易確定圖中是否是“汽車(chē)”。可以運(yùn)用遷移學(xué)習(xí)來(lái)學(xué)習(xí)其他計(jì)算機(jī)視覺(jué)模型中的模式，而不必從圖像的原始像素值開(kāi)始。

　　存在不同的方法來(lái)表示自然語(yǔ)言中的單詞(詞嵌入像左、右側(cè)的詞表示)。借助詞嵌入算法，機(jī)器學(xué)習(xí)模型就可以利用不同單詞之間存在的關(guān)系。

　　知識(shí)和模式的遷移在各種領(lǐng)域都是有可能實(shí)現(xiàn)的。這篇文章將通過(guò)幾個(gè)不同領(lǐng)域的例子來(lái)說(shuō)明遷移學(xué)習(xí)是如何工作的。我們的目標(biāo)是鼓勵(lì)數(shù)據(jù)科學(xué)家在機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目中使用遷移學(xué)習(xí)，并讓他們意識(shí)到這種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　對(duì)于遷移學(xué)習(xí)的理解，以下這三個(gè)方面是我認(rèn)為數(shù)據(jù)科學(xué)家都應(yīng)具備的關(guān)鍵技能：

　　在任何一種學(xué)習(xí)模式中，遷移學(xué)習(xí)的應(yīng)用都是至關(guān)重要的。為了獲得成功，人類(lèi)不可能學(xué)習(xí)到每一個(gè)任務(wù)或問(wèn)題。每個(gè)人都會(huì)遇到從未遇到過(guò)的情況，但我們?nèi)匀幌Ｍ蕴厥獾姆绞浇鉀Q問(wèn)題。從大量的經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，并將“知識(shí)”轉(zhuǎn)移到新環(huán)境中的能力正是遷移學(xué)習(xí)的關(guān)鍵所在。從這個(gè)角度來(lái)看，遷移學(xué)習(xí)和泛化能力在概念層面上是非常相似的。它們的主要區(qū)別在于遷移學(xué)習(xí)經(jīng)常被用于“跨任務(wù)遷移知識(shí)，而不是在一個(gè)特定的任務(wù)中進(jìn)行概括”。因此，遷移學(xué)習(xí)與所有機(jī)器學(xué)習(xí)模型所必需的泛化能力概念有著內(nèi)在聯(lián)系。

　　對(duì)于小數(shù)據(jù)量情況下深度學(xué)習(xí)技術(shù)，應(yīng)用遷移學(xué)習(xí)是取得成功的關(guān)鍵。在實(shí)際研究中，深度學(xué)習(xí)幾乎是無(wú)處不在，但是對(duì)于很多現(xiàn)實(shí)生活場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，通常都沒(méi)有數(shù)百萬(wàn)個(gè)帶標(biāo)簽的數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練模型。而深度學(xué)習(xí)技術(shù)需要大量的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)百萬(wàn)個(gè)參數(shù)，特別是在監(jiān)督式學(xué)習(xí)的情況下。這就意味著你需要大量帶標(biāo)簽數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練模型，而標(biāo)注數(shù)據(jù)則需要昂貴的人工成本。標(biāo)記圖像聽(tīng)起來(lái)很平常的，但是在諸如自然語(yǔ)言處理(NLP)任務(wù)中，需要專(zhuān)家知識(shí)才能創(chuàng)建大型標(biāo)記數(shù)據(jù)集。例如，Penn treebank是一個(gè)詞性標(biāo)注語(yǔ)料庫(kù)，至今已有7年的歷史了，它需要與多位語(yǔ)言學(xué)專(zhuān)家的密切合作才能完成。為保證小數(shù)據(jù)量上的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠正常運(yùn)行，遷移學(xué)習(xí)是一種可行的方法。而其他可行的選擇正朝著更多概率啟發(fā)的模式發(fā)展，這些模式通常更適合處理有限的小數(shù)據(jù)集。

　　遷移學(xué)習(xí)有著顯著的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。了解這些缺點(diǎn)對(duì)于機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序的成功是至關(guān)重要。知識(shí)遷移只有在“適當(dāng)”的情況下才有可能。這種情況下，確切地定義“適當(dāng)”的概念是不容易的，需要點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)幫助確定。例如，你不應(yīng)該相信一個(gè)在玩具車(chē)?yán)镩_(kāi)車(chē)的孩子能夠開(kāi)上法拉利。遷移學(xué)習(xí)的原理也是一樣的：雖然它很難被量化，但遷移學(xué)習(xí)也是有上限的，也就是說(shuō)它不是一個(gè)適合所有問(wèn)題的解決方案。

　　▌遷移學(xué)習(xí)的一般概念

　　遷移學(xué)習(xí)的要求

　　正如它的名字，遷移學(xué)習(xí)需要將知識(shí)從一個(gè)領(lǐng)域遷移到另一個(gè)領(lǐng)域的能力。通常，遷移學(xué)習(xí)可以在高層級(jí)上進(jìn)行解釋。例如，自然語(yǔ)言處理任務(wù)中的體系結(jié)構(gòu)可以在序列預(yù)測(cè)問(wèn)題中重復(fù)使用，因?yàn)楹芏嘧匀徽Z(yǔ)言處理問(wèn)題本質(zhì)上都可以歸結(jié)為序列預(yù)測(cè)問(wèn)題。遷移學(xué)習(xí)也可以在低層級(jí)上進(jìn)行解釋?zhuān)缭趯?shí)際中你經(jīng)常會(huì)重復(fù)使用不同模型中的參數(shù)(跳過(guò)詞組，連續(xù)詞袋等)。遷移學(xué)習(xí)的要求，一方面是針對(duì)具體的問(wèn)題而定，另一方面則是由具體的模型決定。接下來(lái)的兩節(jié)將分別討論遷移學(xué)習(xí)在高層級(jí)和低層級(jí)的應(yīng)用方法。盡管在文獻(xiàn)中通常會(huì)用不同的名字來(lái)闡述這些概念，但是遷移學(xué)習(xí)的總體概念仍然存在。

　　多任務(wù)學(xué)習(xí)

　　在多任務(wù)學(xué)習(xí)中，你可以同時(shí)在不同的任務(wù)上訓(xùn)練模型，通常這些都是深度學(xué)習(xí)模型，因?yàn)樗鼈兛梢造`活地進(jìn)行調(diào)整。

　　網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是這樣調(diào)整的：第一層跨越不同的任務(wù)使用，隨后為不同的任務(wù)指定特定的任務(wù)層和輸出。總體的思路是，通過(guò)對(duì)不同任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，網(wǎng)絡(luò)將更好地推廣，因?yàn)槟Ｐ托枰谙嗨频?ldquo;知識(shí)”或“處理”任務(wù)上表現(xiàn)良好。

　　例如，自然語(yǔ)言處理任務(wù)的最終目標(biāo)是執(zhí)行實(shí)體識(shí)別的模型，而不是在實(shí)體識(shí)別任務(wù)純粹地訓(xùn)練模型。你還用它來(lái)處理一部分語(yǔ)音分類(lèi)，詞語(yǔ)聯(lián)想等任務(wù)……因此，模型將從不用的結(jié)構(gòu)、不同的任務(wù)和不同的數(shù)據(jù)集的學(xué)習(xí)中獲益。如果你想學(xué)習(xí)更多關(guān)于多任務(wù)學(xué)習(xí)的內(nèi)容，強(qiáng)烈建議你閱讀Sebastian Ruder的關(guān)于多任務(wù)學(xué)習(xí)的博文(http://ruder.io/multi-task/)。

　　▌ 特征提取

　　深度學(xué)習(xí)模型的一大優(yōu)點(diǎn)是能夠“自動(dòng)化”地提取特征。基于標(biāo)記的數(shù)據(jù)和反向傳播法則，網(wǎng)絡(luò)能夠捕捉到對(duì)任務(wù)有用的特征。例如，對(duì)于圖像分類(lèi)任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)計(jì)算出輸入的哪一部分是重要的。這意味著手動(dòng)定義的特征是很抽象的，而深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)到的特征可以在其他問(wèn)題中重復(fù)地使用。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)所提取的特征類(lèi)型，常常對(duì)其他問(wèn)題也是有用。本質(zhì)上，你可以使用網(wǎng)絡(luò)的第一層來(lái)確定有用的特征，但是你不能在其他任務(wù)上使用網(wǎng)絡(luò)的輸出，因?yàn)檫@些輸出是針對(duì)特定任務(wù)的。

　　考慮到深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)強(qiáng)大的特征提取能力，如何重復(fù)使用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)來(lái)執(zhí)行其他任務(wù)的特征提取?

　　這里有一個(gè)方法，可以將新的數(shù)據(jù)樣本饋送到網(wǎng)絡(luò)中，并將網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)中間層作為輸出。這個(gè)中間層可以被設(shè)置為一個(gè)固定的長(zhǎng)度，來(lái)表示原始數(shù)據(jù)的輸出。特別地，在計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域使用圖像特征，饋送到預(yù)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)(例如，VGG或AlexNet)，并在新的數(shù)據(jù)表示上使用不同的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。提取中間層作為圖像的表示能夠顯著地減少了原始數(shù)據(jù)大小，以便它們更適合于傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)(例如，對(duì)于一個(gè)128×128的小圖像：大小為128×128=16384像素，邏輯回歸算法或支持向量機(jī)通常有更好的算法性能)。

　　在接下來(lái)的博文中，作者還將深入討論轉(zhuǎn)移學(xué)習(xí)兩種的應(yīng)用，并用具體的例子來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明，AI科技大本營(yíng)將持續(xù)編譯，歡迎繼續(xù)關(guān)注。