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

Кроме компьютерных игр, ученые использовали обучение с подкреплением для управления гимнастами — человечками из палочек, парковки задним ходом, пилотирования вертолетов вверх ногами, управления автоматическими телефонными диалогами, выделения каналов в сетях сотовой связи, вызова лифта, составления расписаний загрузки космического челнока и многих других целей. Обучение с подкреплением повлияло на психологию и нейробиологию. В мозге оно осуществляется благодаря нейромедиатору дофамину, который позволяет распространить разницу между ожидаемыми и фактическими наградами. Обучением с подкреплением можно объяснить условные рефлексы по Павлову, и, в отличие от бихевиоризма, такой подход допускает, что у животных есть внутренние психические состояния. Этот вид обучения используют пчелы-сборщицы и мыши, ищущие сыр в лабиринте. Человеческая повседневность — это поток почти незаметных чудес, которые возможны отчасти благодаря обучению с подкреплением. Вы встаете, одеваетесь, завтракаете, едете на работу, и все это автоматически, думая о чем-то другом. Где-то в глубине обучение с подкреплением постоянно дирижирует процессом и тонко настраивает удивительную симфонию движений. Элементы обучения с подкреплением, также называемые привычками, составляют большую часть наших действий: проголодался — идешь к холодильнику и берешь что-нибудь перекусить. Как показал Чарльз Дахигг в книге The Power of Habit[103], понимание и управление этим циклом намеков, рутинных действий и наград — ключ к успеху не только для отдельных людей, но и для бизнеса, и даже для общества в целом.

Из всех отцов обучения с подкреплением самый большой энтузиаст этого метода — Рич Саттон. Для него обучение с подкреплением — Верховный алгоритм, и решение этой проблемы равноценно решению проблемы искусственного интеллекта. C другой стороны, Крис Уоткинс не удовлетворен этим подходом и видит много того, что могут делать дети и не могут алгоритмы обучения с подкреплением: решать проблемы, решать их лучше после какого-то количества попыток, планировать, усваивать все более абстрактное знание. К счастью, для этих высокоуровневых способностей у нас тоже есть обучающиеся алгоритмы, и самый важный из них — алгоритм образования фрагментов, или chunking.

Учиться — значит становиться лучше с практикой. Сейчас вы, может быть, и не помните, как сложно было научиться завязывать шнурки. Сначала не получалось вообще ничего, хотя вам было целых пять лет. Потом шнурки, наверное, развязывались быстрее, чем вы успевали их завязать. Но постепенно вы научились завязывать их быстрее и лучше, пока движения не стали совершенно автоматическими. То же самое происходило, например, с ползанием, ходьбой, бегом, ездой на велосипеде и вождением автомобиля, чтением, письмом и арифметикой, игрой на музыкальных инструментах и занятиями спортом, приготовлением пищи и работой на компьютере. По иронии судьбы, больше всего пользы приносит самое болезненное обучение: поначалу сложен каждый шаг, вы раз за разом терпите неудачу, и, даже если получается, результаты не впечатляют. Освоив замах в гольфе или подачу в теннисе, можно годами оттачивать мастерство, но все эти годы дадут меньше, чем первые несколько недель. С практикой вы становитесь искуснее, но скорость не постоянна: сначала улучшения приходят быстро, потом все медленнее, а затем совсем замедляются. Неважно, осваиваете вы игры или учитесь играть на гитаре: кривая зависимости улучшения результатов от времени — насколько хорошо вы что-то делаете и сколько времени это занимает — имеет очень характерную форму:

Этот тип кривой называют степенным законом, потому что изменение эффективности зависит от возведения времени в какую-то отрицательную степень. Например, на рисунке выше время до завершения пропорционально числу попыток, возведенному в минус вторую степень (или, эквивалентно, единице, разделенной на квадрат числа попыток). Практически все человеческие навыки следуют степенному закону, и разным умениям соответствуют разные степени. (А вот Windows с практикой не ускоряется — Microsoft есть над чем поработать.)

В 1979 году Аллен Ньюэлл и Пол Розенблюм[104] начали задумываться, в чем причина так называемого степенного закона практики. Ньюэлл был одним из основателей науки об искусственном интеллекте и ведущим когнитивным психологом, а Розенблюм — его студентом в Университете Карнеги–Меллон. В то время ни одна из существующих моделей практики не могла объяснить степенной закон. Ньюэлл и Розенблюм подозревали, что он как-то связан с образованием фрагментов — понятием из психологии восприятия и памяти. Информацию мы воспринимаем и запоминаем фрагментами и одномоментно можем удерживать в краткосрочной памяти лишь определенное количество таких кусочков (согласно классической статье Джорджа Миллера — семь, плюс-минус два). Критически важно, что группировка объектов позволяет обрабатывать намного больше информации, чем если бы мы этого не делали, поэтому в телефонных номерах ставят дефисы: 17-23-458-38-97 запомнить намного легче, чем 17234583897. Герберт Саймон[105], давний коллега Ньюэлла и один из основоположников изучения искусственного интеллекта, до этого открыл, что основное различие между начинающим и профессиональным шахматистом заключается в том, что новичок воспринимает шахматные позиции по одной за раз, в то время как профессионал видит более крупные паттерны, состоящие из многих элементов. Совершенствование шахматной игры в основном сводится к усвоению большего количества более крупных кусков. Ньюэлл и Розенблюм выдвинули гипотезу, что аналогичный процесс имеет место не только в шахматах, но и в усвоении навыков.

В восприятии и памяти фрагмент — это просто символ, который соответствует паттерну других символов: например, ИИ означает искусственный интеллект. Ньюэлл и Розенблюм адаптировали эту идею для теории решения проблем, уже разработанной Ньюэллом в соавторстве с Саймоном. Тогда в ходе эксперимента участников просили решать задачи, например выводить на доске одну математическую формулу из другой и одновременно вслух комментировать свои действия. Ученые выяснили, что человек решает проблемы путем разложения их на подпроблемы, подподпроблемы и так далее и систематически уменьшает различия между начальным состоянием (скажем, первой формулой) и целевым состоянием (второй формулой). Однако для того чтобы это сделать, надо найти рабочую последовательность действий, а на это требуется время. Гипотеза Ньюэлла и Розенблюма заключалась в том, что, решая подпроблему, мы каждый раз формируем фрагмент, который позволяет прямо перейти из состояния до решения в состояние после. Фрагмент в этом смысле состоит из двух частей: стимула (паттерна, который вы узнаёте во внешнем мире или в краткосрочной памяти) и реакции (последовательности действий, которую вы в результате выполняете). Полученный фрагмент хранится в долгосрочной памяти. В следующий раз, когда надо будет решить ту же подпроблему, можно будет легко применить его и сэкономить время на поиски. Это происходит на всех уровнях, пока не появится фрагмент для целой проблемы, позволяющий решить ее автоматически. Чтобы завязать шнурки, вы завязываете первый узел, делаете на одном конце петлю, оборачиваете вокруг нее другой конец и продеваете ее через петлю посередине. Каждое из этих действий для пятилетнего ребенка далеко не тривиально, но после усвоения соответствующих фрагментов дело почти сделано.