Верховный алгоритм. Как машинное обучение изменит наш мир - Педро Домингос

Вероятно, труд композитора находится еще выше на лестнице умений. Дэвид Коуп, почетный профессор музыки в Калифорнийском университете в Санта-Круз, разработал алгоритм, который пишет новые музыкальные произведения в стиле известных композиторов путем отбора и рекомбинации коротких отрывков из их сочинений. На конференции, в которой я несколько лет назад участвовал, Коуп продемонстрировал три пьесы: одну на самом деле написанную Моцартом, другую — композитором, имитировавшим его, и третью — сгенерированную системой. Затем Коуп попросил аудиторию проголосовать. Вольфганг Амадей победил, но имитатор-человек уступил компьютеру. Поскольку это была конференция по искусственному интеллекту, публика осталась довольна. На других мероприятиях восторгов было куда меньше. Некоторые слушатели сердито обвиняли Коупа в том, что он уничтожает музыку. Если Коуп прав, то творчество — высшее из непостижимого — сводится к аналогии и рекомбинации. Попробуйте свои силы: найдите в Google «david cope mp3» и послушайте.

Однако самый изящный трюк аналогизаторов — это обучение на проблемах из разных областей. Люди практикуют это постоянно: менеджер может перейти, скажем, из медиакомпании в компанию, занимающуюся потребительскими товарами, и не начнет с нуля, потому что многие управленческие навыки повторяются. На Уолл-стрит приглашают работать множество физиков, потому что физические и финансовые проблемы кажутся очень разными, но зачастую имеют схожую математическую структуру. Тем не менее все алгоритмы машинного обучения, которые мы до сих пор видели, пасуют, если мы натренируем их для предсказания, скажем, броуновского движения, а потом заставим делать прогнозы на фондовой бирже. Цены на бирже и скорости частиц, взвешенных в жидкости, — это разные переменные, поэтому обучающийся алгоритм даже не будет знать, с чего начать. Однако аналогизаторы могут сделать это, используя отображение структур — алгоритм, изобретенный психологом из Северо-Западного университета Дедре Джентнером. Отображение структур берет два описания, находит связное соответствие между некоторыми их элементами и соотношениями, а затем, основываясь на этом соответствии, переносит другие свойства одной структуры на другую. Например, если структуры — это Солнечная система и атом, можно отобразить планеты как электроны, а солнце — как ядро и заключить, подобно Бору, что электроны вращаются вокруг ядра. Истина, конечно, не такая прямолинейная, и уже сделанные аналогии часто приходится корректировать, но иметь возможность учиться на основе единичного примера, как этот, несомненно, ключевой атрибут универсального обучающегося алгоритма. Когда мы сталкиваемся с новым типом рака — а это происходит постоянно, потому что рак непрерывно мутирует, — модели, которые мы узнали из предыдущих случаев, оказываются неприменимы. У нас нет ни времени, чтобы собирать данные о новом типе опухоли, ни множества пациентов: может быть, пациент вообще уникальный, и он срочно нуждается в лекарстве. В таком случае надежду дает сравнение новой разновидности рака с уже известными: попытаться найти похожий случай и предположить, что сработают те же стратегии лечения.

Есть ли что-то, на что неспособна аналогия? Нет, считает Даглас Хофштадтер, когнитивный психолог и автор книги Gödel, Escher, Bach: An Eternal Golden Braid[96]. Хофштадтер немного похож на доброго близнеца Гринча — похитителя Рождества[97] и, вероятно, является самым знаменитым аналогизатором в мире. В книге Surfaces and Essences: Analogy as the Fuel and Fire of Thinking («Поверхности и сущности: аналогия в роли топлива и огня мышления») Хофштадтер и Эммануэль Сандер страстно доказывают, что все разумное поведение сводится к аналогии. Все, что мы узнаём или открываем, начиная со значения повседневных слов, например «мама» и «играть», до гениальных прозрений Альберта Эйнштейна и Эвариста Галуа, — это продукт аналогии. Когда малыш Тим видит, что какие-то женщины присматривают за другими детьми так же, как его собственная мама присматривает за ним, он обобщает понятие «мамочка» до мамы каждого человека, а не только его. Это, в свою очередь, трамплин к таким понятиям, как «мать-природа». «Самая счастливая мысль» Эйнштейна, из которой выросла общая теория относительности, была аналогией между гравитацией и ускорением: если вы едете в лифте, невозможно сказать, с какой из этих сил связан ваш вес, потому что результат одинаков. Мы плывем по широкому океану аналогий, манипулируем ими в своих целях, а они, не ведая того, манипулируют нами. В книгах аналогии встречаются на каждой странице (например, заголовки этого и предыдущего раздела). Gödel, Escher, Bach: An Eternal Golden Braid — расширенная аналогия между теоремой Гёделя, искусством Эшера и музыкой Баха. Если Верховный алгоритм — это не аналогия, он несомненно должен быть в чем-то схож с ней.

В когнитивистике давно не утихают дебаты между символистами и аналогизаторами. Символисты показывают вещи, которые умеют моделировать они, но не умеют аналогизаторы. Затем аналогизаторы решают задачу, указывают на слабые места символистов, и цикл повторяется. Обучение на основе примеров, как его иногда называют, предположительно лучше подходит для моделирования запоминания отдельных эпизодов нашей жизни, а правила, предположительно, лучше выбрать для рассуждений с абстрактными концепциями, например «работа» и «любовь». Когда я был студентом, меня осенило: это ведь просто указывает на существование континуума, и надо уметь учиться на всем его протяжении. Правила — это, по сути, обобщенные частные случаи, где мы «забыли» некоторые атрибуты, потому что они не имеют значения. Частные же случаи — очень конкретные правила с условием для каждого атрибута. В жизни аналогичные эпизоды постепенно абстрагируются и образуют основанные на правилах структуры, например «есть в ресторане». Вы знаете, что пойти в ресторан — это и заказать что-нибудь из меню, и дать чаевые, и следуете этим «правилам поведения» каждый раз, когда едите вне дома. При этом вы, вероятно, и не вспомните, в каком заведении впервые все это осознали.

В своей диссертации я разработал алгоритм, объединяющий обучение на основе частных случаев и на основе правил. Правило не просто подходит к сущностям, которые удовлетворяют всем его условиям: оно подходит к любой сущности, которая похожа на него больше, чем на любое другое правило, и в этом смысле приближается к удовлетворению его условий. Например, человек с уровнем холестерина 220 мг/дл ближе, чем человек с 200 мг/дл, подходит к правилу «Если холестерин выше 240 мг/дл, есть риск сердечного приступа». RISE, как я назвал этот алгоритм, в начале обучения относится к каждому обучающему примеру как к правилу, а затем постепенно обобщает эти правила, впитывая ближайшие примеры. В результате обычно получается сочетание очень общих правил, которые в совокупности подходят к большинству примеров, плюс большое количество конкретных правил, которые подходят к исключениям, и так далее по «длинному хвосту» конкретных воспоминаний. RISE в то время предсказывал успешнее, чем лучшие обучающие алгоритмы, основанные на правилах и частных случаях. Мои эксперименты показали, что его сильной стороной было именно сочетание плюсов обоих подходов. Правила можно подобрать аналогически, и поэтому они перестают быть хрупкими. Частные случаи могут выбирать разные свойства в разных областях пространства и тем самым борются с проклятием размерности намного лучше метода ближайшего соседа, который везде выбирает одни и те же свойства.