546    Глава 14. Заключение

Как.практик,.занимающийся.машинным.обучением,.всегда.помните.об.этом. и.никогда.не.попадайте.в.ловушку,.полагая,.что.нейронные.сети.понимают.ре- шаемую.ими.задачу.—.это.не.так,.по.крайней.мере.не.так,.как.понимаем.ее.мы..

Они.обучаются.решению.другой,.намного.более.узкой.задачи,.чем.нам.хотелось. бы:.отображать.обучающие.входные.данные.в.целевые.данные,.точка.за.точкой.. Стоит.вам.показать.им.что-то,.что.отклоняется.от.обучающих.данных,.и.они. начнут.проявлять.абсурдное.поведение.

14.2.2. Автоматы и носители интеллекта

Существует.фундаментальное.отличие.простого .геометрического.преобразования.входных.данных.в.выходные,.которое.выполняют.модели.глубокого. обучения,.от.того,.как.думают.и.обучаются.люди..Дело.не.только.в.том,.что. люди.учатся.на.своем.опыте,.а.не.на.явных.обучающих.примерах..Человеческий. мозг.работает.совершенно.иначе,.чем.дифференцируемая.параметрическая. функция.

Давайте.подойдем.к.этой.теме.с.другой.стороны.и.спросим.себя:.зачем.понадобился.интеллект?.Почему.он.возник?.Мы.можем.только.предполагать,. но.эти.предположения.будут.достаточно.обоснованными..Мы.можем.начать. с.изучения.мозга:.органа.—.вместилища.интеллекта..Мозг.—.эволюционная. адаптация,.механизм,.развивавшийся.в.течение.сотен.миллионов.лет.путем. случайных.проб.и.ошибок.в.ходе.естественного.отбора,.—.существенно.рас- ширил.способность.организмов.адаптироваться.к.окружающей.среде..Мозг. появился.более.полумиллиарда.лет.назад.как.хранилище и исполнительный механизм поведенческих программ..«Поведенческие.программы».—.это.всего. лишь.наборы.инструкций,.которые.заставляют.организм.реагировать.на.окружающую.среду:.«Если.происходит.это,.делай.то»..Они.связывают.сенсорные. входы .организма .с .центрами .управления .двигательной .системой. .Вначале. мозг.жестко.кодировал.поведенческие.программы.в.виде.наборов.нейронных. связей,.которые.позволяли.организму.адекватно.реагировать.на.поступающие. сенсорные.сигналы..Так.до.сих.пор.работает.мозг.насекомых.—.мух,.муравьев,. нематод.(рис..14.4).и.т..д..Поскольку.первоначальным.«исходным.кодом».этих. программ.была.ДНК,.которая.расшифровывалась.как.набор.нейронных.связей,. эволюция.внезапно.получила.возможность.осуществлять.поиск в поведенческом пространстве .практически.неограниченным.количеством.способов.—.это. серьезный.эволюционный.сдвиг.

Эволюция.была.программистом,.а.мозг.—.компьютером,.скрупулезно.выполня- ющим.заданный.эволюцией.код..Поскольку.нейронные.связи.являются.весьма. распространенной.вычислительной .основой, .сенсомоторное .пространство. всех.видов,.обладающих.мозгом,.может.резко.начать.расширяться..Глаза,.уши,.

14.2. Ограничения глубокого обучения    547

нижние.челюсти,.четыре.ноги,.24.ноги.—.если.у.вас.есть.мозг,.эволюция.любез- но.разработает.уникальную.поведенческую.программу,.которая.эффективно. задействует.все,.что.у.вас.есть..Мозг.может.справиться.с.любой.модальностью. или.комбинацией.модальностей,.которую.вы.ему.подбросите.

Имейте.в.виду,.что.на.ранних.этапах.эволюции.мозг.не.был.носителем.разума.. Скорее,.он.был.автоматом,.просто.выполняющим.поведенческие.программы,. которые .были .жестко .закодированы .в .ДНК .организма..Их .можно .назвать. в.том.же.смысле.интеллектуальными,.в.каком.«интеллектуальным».является. термостат..Или.программа.сортировки.списка..Или....обученная.глубокая.нейронная.сеть,.искусственно.созданная..Это.важное.замечание,.на.которое.стоит. обратить.внимание:.так.в.чем.же.разница.между.автоматами.и.настоящими. носителями.интеллекта?

Рис. 14.4. Модель мозга нематоды: поведенческий автомат, запрограммированный естественной эволюцией. Рисунок создан Эммой Тоулсон (взят из статьи Яна

с соавторами Network control principles predict neuron function in the Caenorhabditis elegans connectome, опубликованной в журнале Nature, октябрь 2017 года)

548    Глава 14. Заключение

14.2.3. Локальное и экстремальное обобщение

Французский.философ.и.ученый.XVII.века.Рене.Декарт.в.1637.году.написал.по- учительный.комментарий,.который.прекрасно.отражает.это.отличие,.—.задолго. до.появления.ИИ.и.первого.механического.компьютера.(который.его.коллега. Паскаль.создал.пятью.годами.позже)..Декарт.говорит.об.автоматах:

«Хотя.такая.машина.многое.могла.бы.сделать.так.же.хорошо.и,.возможно,.лучше,. чем.мы,.в.другом.она.непременно.оказалась.бы.несостоятельной,.и.обнаружилось.бы,. что.она.действует.не.сознательно,.а.лишь.благодаря.расположению.своих.органов».

Рене Декарт, Рассуждения о методе, 1637 год.

Вот.оно..Интеллект.характеризуется.пониманием,.а.понимание.подтверждается. обобщением.—.способностью.справиться.с.любой.новой.ситуацией..Как.отли- чить.студента,.зазубрившего.ответы.на.экзаменационные.вопросы.последних. трех.лет,.но.ничего.в.них.не.понимающего,.и.студента,.который.действительно. проработал.материал?.Дайте.им.совершенно.новую.задачу..Автомат.статичен,. он.может.выполнять.определенные.действия.в.определенном.контексте.(«если. это,.то.это»),.тогда.как.носитель.интеллекта.способен.на.лету.адаптироваться. к.новым,.неожиданным.ситуациям..Когда.автомат.подвергается.воздействию. чего-то,.что.не.соответствует.его.«программе».(что.бы.ни.подразумевалось.под. этим.термином.—.программа,.написанная.человеком.или.созданная.эволюцией,. или.неявная.программа.модели,.полученная.в.процессе.ее.подгонки.под.обучающий.набор.данных),.он.окажется.не.в.состоянии.предпринять.адекватные. действия..Между.тем.носители.интеллекта.будут.использовать.имеющиеся. знания,.чтобы.найти.путь.вперед.

Люди.способны.на.большее,.чем.просто.отображать.прямые.воздействия.в.прямые. реакции,.как.глубокая.сеть.или,.может.быть,.как.насекомое..Мы.выстраиваем. сложные.абстрактные.модели.нашей.текущей.ситуации,.нас.самих.и.других.людей. и.можем.использовать.эти.модели.для.прогнозирования.возможных.вариантов. развития.будущего.и.долгосрочного.планирования..Мы.можем.соединять.извест- ные.понятия.для.представления.чего-то,.что.мы.никогда.не.испытывали.прежде:. например,.изобразить.лошадь.в.джинсах.или.представить,.что.мы.будем.делать,. выиграв.в.лотерею..Эта.способность.строить.гипотезы,.расширять.пространство. нашей.ментальной.модели.за.границы.того,.что.мы.можем.испытывать.непо- средственно,.—.обобщать.и.рассуждать,.—.возможно,.является.определяющей­. . характеристикой.человеческого.мышления..Я.называю.это.экстремальным обоб- щением.(extreme.generalization).—.способность.адаптироваться.к.новым,.прежде. не.испытанным.ситуациям,.имея.небольшой.объем.данных.или.даже.не.имея.их. вообще..Эта.способность.является.ключевой.отличительной.чертой.интеллекта,. которым.обладают.люди.и.высшие.животные.

14.2. Ограничения глубокого обучения    549

Это.резко.контрастирует.с.действиями.глубоких.сетей,.которые.я.называю. локальным обобщением..Примитивные.автоматы.вообще.не.обладают.способ- ностью.к.обобщению.—.они.неспособны.справиться.с.задачами,.на.выполнение. которых.их.не.запрограммировали.заранее..Словарь.в.языке.Python.или.простая. программа.—.сборник.ответов.на.вопросы,.реализованная.как.жестко.опреде- ленная.последовательность.операторов.if-then-else,.—.попадают.в.эту.катего- рию..Глубокие.сети.действуют.чуть.лучше:.они.могут.успешно.обрабатывать. входные.данные,.немного.отличающиеся.от.того,.с.чем.они.знакомы,.—.именно. это.делает.их.полезными..Наша.модель.классификации.изображений.кошек. и.собак.из.главы.8.может.отличать.кошек.от.собак,.изображения.которых.она. раньше.не.видела,.но.только.если.эти.изображения.достаточно.близки.к.тем,.на. которых.она.обучалась..Однако.глубокие.сети.способны.только.на.локальное обобщение.(рис..14.5):.отображение.входных.данных.в.выходные,.выполняемое. глубокой.сетью,.быстро.теряет.смысл,.если.появляются.новые.входные.данные,. пусть.даже.немного.отличающиеся.от.тех,.что.сеть.видела.в.процессе.обучения..

Глубокие.сети.могут.обобщать.только.известные неизвестные.—.факторы.ва- риации,.которые.ожидались.во.время.разработки.модели.и.широко.представлены.в.обучающих.данных:.разные.ракурсы.камеры.или.условия.освещения. при.фотографировании.домашних.животных..Это.связано.с.тем,.что.глубокие. сети.реализуют.обобщение.посредством.интерполяции.на.многообразии.(как. рассказывалось.в.главе.5):.любой.фактор.вариации.в.пространстве.входных. данных.должен.иметь.отражение.в.многообразии,.которое.они.изучают..Вот. почему.обогащение.базовых.данных.так.полезно.для.улучшения.способности. глубокой.сети.к.обобщению..В.отличие.от.людей.эти.модели.неспособны.импровизировать.в.ситуациях,.о.которых.известно.мало.или.ничего.не.известно. вовсе.(например.выигрыш.в.лотерею),.которые.имеют.лишь.абстрактные.общие. черты.с.прошлыми.ситуациями.

Рис. 14.5. Локальное и экстремальное обобщение