学深度学习是不是需要先学机器学习？
导读：深度学习到底是什么？
今天聊三个深度学习入门问题，是在公号后台大家经常提到的。
第一个问题，学深度学习是不是需要先学机器学习？
说实话我有点意外，对于怎样学深度学习，我设想过各种问题，但没想到大家最好奇的会是上面这个问题。不过，了解深度学习，确实应该从了解人工智能、机器学习和深度学习这三者的关系开始。我看过的不少书都喜欢把三者关系画成三个套在一起的大圆圈，最外面的圈是人工智能，里面一点的圈是机器学习，最里面的圈是深度学习。这个图传得很广，三者的关系也确实可以简单理解成人工智能>机器学习>深度学习。不过，这样画图容易让人误认为人工智能的核心是机器学习，而机器学习的核心则是深度学习。这是一种误导。
人工智能听起来好像很高深，在我看来，更像是一个很大的箩筐，无论什么研究，只要能和智能沾上边的，就都敢塞进这个箩筐里面。不难想象，这个箩筐里面肯定是像装满了螃蟹一样“八仙过海，各显神通”。我们的机器学习只是其中的一种，虽然曝光率也算还行吧，不过也不好说它就是妈妈最爱的小儿子。机器学习自己呢，也将头发梳成大人模样，同样是一个箩筐，小一点，但里面同样也装满了八仙过海的各路模型算法。其中有一种模型算法是我们今天的主角，不过还不叫深度学习，在出道之前，它叫“神经网络”。这个神经网络基本可以确定不是妈妈最爱的小儿子，今天刚上热搜明天就被雪藏这种大起大落的刺激，它经历过好几次。
很多书是这么说的，神经网络是深度学习的前身。不过，这个说法总感觉有点见外，听起来神经网络和深度学习像是前浪和后浪的关系。其实吧，深度学习更像是神经网络为了庆祝再一次逆天改命，索性换了个名字。时间是在2012年，沉寂近二十年的神经网络终于又憋出了大招，这一次一举开创了一个伟大的新时代——你以为我要说的是深度学习时代，简称DL时代？不不不，这样完全没有体现这个大招的伟大，是DLCQJ时代，大力出奇迹时代，也称氪金时代。
为什么这么说？时间回到2012年的ImageNet赛场上，你也许是第一次听这到这个比赛，不过光看名字你就能知道，这是个图像识别比赛。以前ImageNet比赛的画风大概是这样：这一次你锤我两下小拳拳，然后你拿了冠军。下一次换我锤你两下小拳拳，然后我拿了冠军，非常的团结友爱。但到了2012年，友爱画风戛然而止。
前面我们说过，神经网络在这一年憋出了一个大招，既然是大招，当然配有姓名，叫AlexNet模型。这个名字可能对不是做深度图像识别的同学有点陌生，但是说CNN，深度卷积网络，想必大家就如雷贯耳了。当然，CNN作为一种框架，不止AlexNet模型，但可以认为CNN是靠AlexNet模型一夜成名。过程非常凶残，简单来说就是AlexNet吊打了所有在场的其他模型。这样说可能不太直观，那就列个数据看看。AlexNet当然拿了当年比赛的第一名，错误率（这个指标数值越低说明模型效果越好）只有15.3%，这么看好像没啥，那当年比赛的第二名错误率是多少呢？高达26.2%，多个10个百分点，差不多就是百米赛跑，第一名都冲线了，第二名才刚跑完一半的意思。所以，这次不是“多锤几下小拳拳”能解决的问题了，是干脆一下就把对手扫进了历史的垃圾堆。
很多介绍深度学习和AlexNet模型的文章，写到这里就停住了。不过，我要多说一点：AlexNet模型效果很好只是起点。前面我说，它开创了一个伟大的新时代，因为这款模型使用了一种当时还很陌生，但现在我们都很熟悉的开挂技术——GPU。AlexNet模型像是一个伟大的先知，它的成功引领机器学习走上了一条未曾设想的道路：更深的神经网络，更多的GPU，就有更好的效果——这就是深度学习。深度学习的快速崛起，和硬件技术的发展是息息相关的。不是前人太蠢，在这么长的时间里都没有想到通过加深神经网络来取得更好的效果，而是深度一旦上去了，算力就立马跪下去了——这是时代的局限性。而随着GPU的加入，算力不再是瓶颈，深度学习也就真的成了那句话所说的：“你们有幸，遇见这样的时代，但时代更有幸，遇见这样的你们”。从此，机器学习也就从烧脑的玩意，变成了烧钱的玩意。
说了这么多，我们的问题还没有回答呢。不过，我想从第二个问题讲起：深度学习难学吗？
不难学，“氪金”就好了。当然，这是玩笑话，现实自然没有“自从买了GPU，妈妈不用担心我的学习了”这么理想。深度学习正处于高速发展期，每年甚至更短的时间，都会发展出新的技术来，现在已经形成了自己的一套体量庞大、内容独特的理论体系，而且这套体系还在不断开疆拓土，发展壮大。不过，前面我们反复说，深度学习是从神经网络发展起来的，而神经网络只是机器学习众多模型算法中的一种，从这一点看，深度学习相比反而要更容易学一点，毕竟一棵树无论再怎么枝繁叶茂，也不会比一片森林要更盘根错杂。
那么，还是回答最初的问题：学深度学习，该不该先学机器学习呢？本文不是专讲机器学习的文章，这里简要分析一下机器学习到底要学什么。三样东西，问题，方法和流程。机器学习要解决的问题，主要分为有监督学习和无监督学习两个大类，目前有监督学习是研究和应用的热门方向，但无监督学习也一直在“怒刷”存在感，最近搞了个混血的半监督学习，说这才是未来的发展方向。这个话题口水战太多，就先不展开了。而这两个大类下面又有子问题，比如有监督学习下面有“回归问题”和“分类问题”，都是十分贴近工业应用需要的问题。在这一点上，机器学习也好，深度学习也好，研究的问题都是相通的，深度学习并没有为了证明自己已经到了叛逆期非要另搞一套问题。正因如此，机器学习模型和深度学习模型才能同台竞技。
确定了问题之后，接下来就要研究解决问题的方法，这就到了各路大神开脑洞的环节，用中学数学老师的话说，叫一题多解，不同的解法，就形成了不同的模型算法。不同的解法，当然是有不太相同的解题思路，对于同样的分类问题，神经网络、决策树和支持向量机就给出了三种不同的解题思路，如果你只打算了解深度学习，那在方法这一步，可以选择重点了解神经网络的解题思路。
最后就是流程了。机器学习不只有各种理论和模型，要在实际工作中使用，还需要学习工作流程：包括数据收集、数据清洗、特征工程、模型选择、参数调优等等……这和软件开发有一套长长的生命周期，而不是只有敲代码是一样的。在机器学习的这套流程里面，特征工程一般公认是十分重要的一环，特征选取的好坏，能不能提取得到重要特征，可能会对模型最终的效果产生显著影响。但在这一点上，深度学习不太一样。深度学习经常有一种提法，叫端到端学习。什么意思呢？就是把原始的数据不经过特征工程处理，直接就喂给模型，然后就能吐出想要的结果。让模型自己提取特征，没有了特征工程作为中间商赚差价，叫端到端学习。这是深度学习很重要的一个卖点。
最后的问题，当然就是“深度学习该怎么学”这个问题。
前面我们一再说，深度学习好学，相比起各种流派混战厮杀的机器学习，深度学习不过就是拿了神经网络的底子，再添上两个眼睛一个鼻子。但是，弱水三千只取一瓢饮也有自己的难处，深度学习这几年发展得很迅速，应用发展甚至超过了理论建设，我读过不少封面印着《深度学习》的书，内容都是拿着机器学习的教材改出来的，区别只在于给神经网络那部分多增加一点内容，再东一块西一块塞几个新的深度学习模型完事。这样的书读起来自然感觉跳跃很大，有时候干脆前后衔接不上，读完一头雾水。如果你最近读过深度学习的书，读完以后感觉解锁了很多奇怪的姿势，但还是不太明白深度学习究竟是做什么的，大概就是这个原因。
那怎么办？最好的办法，应该是你首先建立对深度学习的基本概念，然后再重头读，感觉应该能好一点。就好比看《冰与火之歌》，剧情复杂人物又多，光那一堆头衔念出来都让人心烦。但如果你知道主角是谁主要做什么，剩下的就好办多了。不过，这也很为难，我不就是不知道深度学习是个啥才读书嘛，那怎样才能建立这个“首先”呢？
这里，我分享一个诀窍：深度学习也是有一个主角的，方方面面的内容看着很多，但都是围绕着主角为它服务。这个主角是谁呢？是权重（weight）。整个深度学习的知识体系，都是围绕着权重从方方面面做文章。譬如说BP，神经网络和深度学习有一个灵魂级的重要知识点，叫后向传播机制，简称BP。BP是干什么的呢，就是更新权重。怎么更新呢？梯度下降。收敛太慢了怎办呢?随机梯度下降。梯度弥散了怎办呢？更换激活函数，或者残差连接。过拟合了呢？要么L1-norm要么L2-norm，要么干脆dropout，一了百了。总之，玩法很多，但对象只有一个，那就是权重。抓紧权重这条主线，就可以把深度学习的众多知识点拉出一条清晰的脉络。这部分内容很多，大家如果感兴趣我们找机会再说。
看到这里，是不是已经跃跃欲试，想知道应该找哪本深度学习的教材上手呢？不过，前面说深度学习现在还在全力飙车，这就会给深度学习的教材带来一些坑。譬如说花书。花书很经典，全明星阵容，可惜是2016年出的，在2017年掀起风潮的各种GAN、在2018年掀起风潮的Self-Attention，在2019年掀起风潮的GNN，花书都不可能找得到相关内容。更让我遗憾的是，花书有一位作者叫Goodfellow，我老在心里译成“好家伙”，他是大名鼎鼎的GAN之父，我差不多是冲着他的名声去掏钱的。可是，花书出得实在太早，就算是GAN之父亲自写的书，GAN在书里面也只有很小的篇幅，很多在GAN的发展历程上起了里程碑作用的模块也没来得及收录，哪怕你只是想全面地了解GAN，花书也有心无力。
深度学习的教材确实不容易挑选，新的太偏，全的太老，那现在看哪一本入门好呢？我推荐复旦大学邱锡鹏老师新出的《神经网络与深度学习》，这本书在出实体书之前，我一直在Github上追着看，拿到实体书后，趁着五一又翻了一遍，真是一本好书，称之为国产版的花书并不过誉。
《神经网络与深度学习》是新鲜出炉的，所以新就不必说了，里面连GNN都有，其他还有两个感觉，一个是够深，Attention甚至专门设了一章来讲。一个是够全，从神经网络的最早版本感知机写起，一直写到深度学习经过几年发展出来的庞大体系，而且有面到点，连W-GAN、深度Q网络这些细分领域里的模型都囊括进去了，读起来不会有跳跃感。对于深度学习的整个发展脉络，以及当前发展出来的庞大体系，读完这本书应该就能心中有底。“蒲公英书”值得反复研读，每次翻都有新的心得，如果大家愿意看，我再专写一篇读书攻略。
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关于作者：
莫凡，娱乐向机器学习解说选手，《机器学习算法的数学解析与Python实现》作者，前沿技术发展观潮者，擅长高冷技术的“白菜化”解说，微信公众号“睡前机器学习”，个人知乎号“木羊”。
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