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用好算法，邁向智能社會
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習(xí)近平總書記在主持中共中央政治局第九次集體學(xué)習(xí)時強調(diào)：“人工智能是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動力量，加快發(fā)展新一代人工智能是事關(guān)我國能否抓住新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革機遇的戰(zhàn)略問題。”人工智能具有多學(xué)科綜合、高度復(fù)雜的特征，在推動其快速發(fā)展的各項技術(shù)中，算法至關(guān)重要。當(dāng)前，“算法”一詞也頻繁出現(xiàn)在公眾視野，深度學(xué)習(xí)、智能推薦廣泛應(yīng)用在我們的日常生活中。
源于數(shù)學(xué)，在信息社會發(fā)揮巨大作用
“算法”即算的法則，它起源于數(shù)學(xué)，指解決某些“類數(shù)學(xué)”問題規(guī)范而完整的方法。人們熟悉的“加減乘除”、歐幾里得《幾何原本》里的演繹推理基本法則等，都屬于算法。中國古代數(shù)學(xué)有深厚的算法傳統(tǒng)，《周髀算經(jīng)》用文字記載勾股算法，三國時期劉徽提出圓周率的割圓術(shù)算法，后來祖沖之由此計算出圓周率為3.1415926?，F(xiàn)代邏輯學(xué)，特別是數(shù)理邏輯，則為算法提供了完善的形式化語言描述。這種形式語言及公理系統(tǒng)方法，為現(xiàn)代算法發(fā)展打下良好的語言基礎(chǔ)。
現(xiàn)代算法與計算機技術(shù)密不可分。1946年世界上第一臺電子計算機誕生，此后計算機性能不斷提升，其強大的運算能力將人類從重復(fù)、機械的繁瑣推導(dǎo)和計算中解放出來。對計算機來說，算法就是處理信息的原理與遵循。理想狀態(tài)下，算法能夠?qū)⑷说乃季S過程以形式化的方式輸入計算機，使其可以不停地執(zhí)行命令以實現(xiàn)所設(shè)定的目標。而現(xiàn)實生活中，算法是與計算機架構(gòu)、指令、通信、調(diào)度方式等相關(guān)聯(lián)的運行過程，需要結(jié)合時間和空間不斷優(yōu)化。
由此可見，我們通常所說的算法可分為兩個層次。一是數(shù)學(xué)和邏輯層次的算法，它刻畫人類思維和解決問題的邏輯過程，這一過程可以通過形式語言或數(shù)學(xué)公式來描述。二是計算機算法，它是固定化的計算方法與步驟，是解決現(xiàn)實問題的計算機執(zhí)行過程。其中，計算機算法本質(zhì)上是將人的邏輯思維過程與計算機的計算過程相融合來解決問題，它是數(shù)學(xué)、邏輯學(xué)與計算機深度交叉、人機融合的成果。在社會信息化、智能化程度不斷提高的過程中，計算機算法扮演著越來越重要的角色，發(fā)揮著巨大作用。
深度學(xué)習(xí)算法，打開人工智能突破口
當(dāng)前，深度學(xué)習(xí)是各類算法中最具代表性的一種。深度學(xué)習(xí)是一類特殊的機器學(xué)習(xí)算法，其概念源于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，目的是探索和模擬人的思維規(guī)律，仿照腦神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與信息處理機制，構(gòu)建智能軟件系統(tǒng)。深度學(xué)習(xí)通過學(xué)習(xí)算例數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律和表示，使計算機能夠像人一樣有分析能力，為人工智能質(zhì)的飛躍打開突破口。從發(fā)展前景來看，以深度學(xué)習(xí)為重要基礎(chǔ)，人工智能將深刻影響人們的生活，甚至實現(xiàn)科幻電影中的人機交互場景。
把人類思維活動變成算法的奇妙過程，究竟是怎么實現(xiàn)的？深度學(xué)習(xí)將人的思維過程概括為“接受數(shù)據(jù)”“總結(jié)規(guī)律”“形成判斷”三個環(huán)節(jié)，分別對應(yīng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的輸入層、隱藏層和輸出層。就像人們看到紅燈就停下，綠燈亮了再過馬路一樣，在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，輸入層接收到信號后，會經(jīng)過處理將其傳遞給隱藏層進行分析和總結(jié)，最后由輸出層做出判斷。由于面對的問題往往比“紅燈停、綠燈行”更復(fù)雜，輸入層與輸出層之間有很多隱藏層，需要綜合分析判斷，而這正是深度學(xué)習(xí)的“深”之所在?！敖邮軘?shù)據(jù)”“總結(jié)規(guī)律”“形成判斷”這樣的加工過程不可能一次完成，深度學(xué)習(xí)通過算例數(shù)據(jù)的反復(fù)輸入和輸出層的及時反饋，按照預(yù)測誤差極小化原則，不斷調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)結(jié)參數(shù)，以最終實現(xiàn)對算例數(shù)據(jù)所含規(guī)律和內(nèi)蘊結(jié)構(gòu)的總結(jié)。
深度學(xué)習(xí)算法最為大眾所知的案例，就是圍棋“人機大戰(zhàn)”。深度學(xué)習(xí)算法戰(zhàn)勝圍棋高手的前提，是大量的“自我訓(xùn)練”。從技術(shù)上說，其輸入信號包括人類圍棋頂尖高手的3000萬步圍棋走法。隱藏層達12個，每一層包含數(shù)百萬個人工神經(jīng)元，用來建模棋盤及棋法?！皼Q策網(wǎng)絡(luò)”負責(zé)走棋策略，“價值網(wǎng)絡(luò)”負責(zé)評估態(tài)勢并預(yù)測環(huán)境，最后由輸出層做出決策判斷。隱藏層利用經(jīng)驗數(shù)據(jù)及自我對弈數(shù)據(jù)來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這一訓(xùn)練的目的是確定神經(jīng)元之間的連接權(quán)重（參數(shù)）。不少人會問：它怎么找到每一步棋的最優(yōu)解？答案是“經(jīng)驗”。算法從經(jīng)驗中學(xué)習(xí)，基于部分經(jīng)驗數(shù)據(jù)提出一個初始特征，進而得出一個輸出結(jié)果。然后，利用其他經(jīng)驗數(shù)據(jù)或自我對弈結(jié)果，校驗輸出結(jié)果，不斷調(diào)整完善，以找到更合適的參數(shù)。在這一過程中，計算機持續(xù)通過簡單的概念來學(xué)習(xí)、構(gòu)建更復(fù)雜的概念，通過組合低層特征形成更加抽象的高層特征。與傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法相比，深度學(xué)習(xí)預(yù)設(shè)了更多參數(shù)、對應(yīng)模型更大，因此訓(xùn)練難度更大，所需要的算例數(shù)據(jù)也更多。這也是深度學(xué)習(xí)依賴于大數(shù)據(jù)的緣由。所以，不少觀眾感嘆：“這盤棋的每一步，也許深度學(xué)習(xí)算法都已經(jīng)練過許多次了！”
深度學(xué)習(xí)算法推動人工智能實現(xiàn)從“不可用”到“可以用”的重大突破。如今，深度學(xué)習(xí)已經(jīng)是一個標準化的從大量數(shù)據(jù)中總結(jié)經(jīng)驗、挖掘結(jié)構(gòu)的萬能工具，在科學(xué)技術(shù)、工商管理、醫(yī)療健康等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用?？梢哉f，深度學(xué)習(xí)已經(jīng)成為通過計算機算法拓展人類認知能力的一項基礎(chǔ)技術(shù)。
夯實數(shù)理基礎(chǔ)，促進算法健康、有序、繁榮發(fā)展
未來，算法將幫助我們解決更多生產(chǎn)生活中的問題。如果說現(xiàn)實世界由原子分子構(gòu)成，那么數(shù)字世界的基本元素則是數(shù)據(jù)。要想讓數(shù)字技術(shù)有效賦能現(xiàn)實世界，提升生產(chǎn)力，就要對現(xiàn)實場景進行數(shù)字化描述并制定解決方案。這既需要用科學(xué)家的嚴謹思維建立模型，也需要用工程師的務(wù)實手段解決問題，算法正是數(shù)學(xué)理論和工程實踐相結(jié)合、批量化解決問題的高效手段。比如人臉識別技術(shù)，應(yīng)用的就是計算機視覺算法。這一算法顧名思義，首先要獲得物體的數(shù)字圖像，然后利用計算機規(guī)則理解、分析圖像并得到結(jié)論。除了人臉識別，計算機視覺算法也被應(yīng)用于圖像檢索、視頻監(jiān)測、智能駕駛，等等。在其他領(lǐng)域，算法也大有用武之地。在量子計算中，算法為量子力學(xué)提供全新的計算視角；在氣象領(lǐng)域，算法可以幫助預(yù)測氣象災(zāi)害；在醫(yī)療領(lǐng)域，分布式微劑量CT通過低成本的CT終端采集數(shù)據(jù)，再經(jīng)由云端強大的計算集群自動調(diào)度算法實現(xiàn)成像和智能閱片，有助于解決偏遠地區(qū)看病難問題。
目前，算法的不斷進步主要基于大數(shù)據(jù)。我國在人工智能領(lǐng)域擁有數(shù)據(jù)量龐大的優(yōu)勢，有助于機器學(xué)習(xí)發(fā)展。與此同時，提高算法創(chuàng)新能力必須重視基礎(chǔ)研究，重視數(shù)學(xué)的獨特作用和價值。數(shù)學(xué)不僅為算法創(chuàng)新提供模型和工具，也為算法的發(fā)展提供思想源泉。算法應(yīng)用場景也會對數(shù)學(xué)理論提出新的問題與挑戰(zhàn)。發(fā)展新的數(shù)學(xué)理論和工具來解決相關(guān)算法問題，將成為應(yīng)用數(shù)學(xué)的重要方向。另外，算法在帶來便捷的同時，也出現(xiàn)了信息繭房、算法歧視等問題，需要規(guī)劃和預(yù)判技術(shù)邏輯和倫理邏輯，在應(yīng)用中兼顧社會價值、倫理道德，踐行科技向善理念，從而實現(xiàn)更好的算法治理。
智慧城市、智能制造、智慧醫(yī)療、智慧教育……進入智能社會，算法提供了普遍適用的邏輯過程和運行框架。相信在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中，我國相關(guān)科研工作者將繼續(xù)勇立潮頭，探索攀登，讓有智慧、有溫度的算法更好地服務(wù)經(jīng)濟建設(shè)和國家發(fā)展。
