在2018清潔發展國際融資論壇上，北京交通大學人工智能研究院常務副院長、教授于劍先生從專業角度回顧了人工智能的發展歷程，并介紹了深度學習的適用范圍和所面臨的問題。他指出，深度學習是機器學習領域最引人注目的研究方向，但沒有任何一種算法可以解決機器學習所有的應用。

深度學習算法的分類

深度學習在早期被稱為神經網絡。神經網絡是一種特殊的學習方式，在神經網絡領域，人們將學習定義為“基于經驗數據的函數估計問題”。需要指出，這樣的學習定義雖然非常片面，但對于神經網絡而言已經夠用了。如此一來，如何構造函數，并應用經驗數據將其估計出來，就成了神經網絡面臨的首要問題。

學習算法的分類有很多種。一種分類方式是將學習算法分為傻瓜型學習算法與專家型學習算法。所謂傻瓜型學習算法，就是任何人使用得到的結果都差別不大的學習算法。所謂專家型學習算法，就是專家與普通人使用得到的結果差別巨大的學習算法，每個人得出的結果很難一致。當然，中間還有一些處于兩者之間的學習算法，既不是純傻瓜型的也是不純專家型的。

另一種學習算法分類，是黑箱算法和白箱算法。所謂黑箱算法，是指使用者難以明白學習算法學到的知識，特別是其學習到的知識難以解釋。所謂白箱算法，是指使用者容易明白學習算法學到的知識，特別是其學習到的知識可以解釋清楚。

有了以上四個概念之后，我們就可以回顧早期的神經網絡是如何發展成今天的深度學習的了。

早期神經網絡無法解決非線性問題

神經網絡第一個成熟算法是線性感知器算法，該算法是白箱、傻瓜型算法，特點是節點為恒同映射，不同層次節點間的關系是線性組合關系，優點是解釋性好，如線性可分的時候，可以證明迭代有限步就收斂。這個算法在當時得到了很大的支持，拿到了大批基金。

但很遺憾，在1969年，Minsky與Papert提出的一個著名的反例——異或問題，給了線性感知器算法致命一擊。世界的問題大多是非線性問題，而線性感知器算法連非線性問題中最簡單的“異或問題”都解決不了，由此可以推斷其實際用處不大。從此以后的10多年時間里，在國際上，無論是東方還是西方，無論是前蘇聯還是日本、美國，看到神經網絡都視之為騙子，不再給予支持，這也直接導致了神經網絡第一個冬天的到來。

多層前饋神經網絡的崛起與失敗

早期的神經網絡不成功是因為是線性的，如果改成非線性是不是好一點呢？到1982年以后，Hopfield發了好幾篇文章，證明了非線性網絡的有用性。這時候的神經網絡已經是典型的黑箱、專家型算法了。

多層前饋神經網絡非常成功的應用在了郵政編碼的識別中。20世紀80年代是美國郵政最發達的年代，當時通訊幾乎全都是紙質的，有大量的信件需要發送，工作量特別大。人們希望用機器代替，就用了郵政編碼的自動分撿系統，可以做到三分之二正確識別，剩下三分之一拒識的由人分撿，這樣大大減輕了工作量。

這時候神經網絡有很大的改變，取得了很大的進展，節點使用非線性函數，訓練時間長，一般為三層：輸入層、隱層、輸出層。主要是證明了神經網絡的萬有逼近定理：“如果一個隱層包含足夠的多神經元，多層前饋神經網絡能以任意精度逼近任意預定的連續函數”。在神經網絡采用的學習定義下，該定理證明了神經網絡的萬能性。由此，當時人們甚至認為神經網絡可以無所不能。據說，1988年IJCNN(國際神經網絡聯合會議)曾經貼出一個瘋狂的標語，稱：“人工智能已死，神經網絡萬歲”。

但是，當人瘋狂的時候就要挨揍了。如果有其他算法比神經網絡性能好一點，解釋性強一些，就一定能將神經網絡打入冷宮。這樣的事情真的發生了，1995年支持向量機(SVM)橫空出世，該算法比神經網絡算法解釋性好，其幾何解釋干凈漂亮，性能比當時的三層神經好一些。這時候神經網絡進入了第二個冬天，好在這個冬天并沒有第一個那么冷，基金支持并沒有徹底斷絕，能不能拿到基金，主要看人品和運氣。

突破三層的神經網絡，深度學習迎來春天

但是SVM也有缺陷，它主要是處理小數據的，是小樣本學習的典范算法。而到了2008年以后，我們迎來了大數據時代，各行各業都有大量的數據，而且電腦的計算能力也大幅度地提高了，因此SVM在很多領域將難以適用。以往的神經網絡基本上都是三層的，原因是四層以上的神經網絡會遇到數據量、計算力不足和梯度消失等問題。如果以上三個問題能夠解決，就能為深度學習奠定很好的基礎。

到2010年左右，人們通過采用新的激勵函數，逐漸克服了梯度消失或者發散問題，加之數據量和計算力的不斷提高，深度學習迎來了蓬勃發展。這使得化名為深度學習的神經網絡研究進入了另一個春天。

我們現在所說的深度學習，可以理解為層數高于三層的神經網絡。神經網絡和深度學習最重要的區別是：神經網絡的主流算法考慮時空數據的局部相關性較少，大多時候假設特征之間的獨立性；而深度學習的主流算法基本考慮了時空數據的局部相關性，如CNN，RNN，LSTM等。深度學習可以使學習能力提高，而訓練樣本并不需要增加太多。

到2016年，神經網絡深度就已經達到1207層。隨著深度的提高，算法的錯誤率可以快速減少。深度學習避開了單純的特征提取過程，給出了一種將學習和表示合二為一的范式。這種方式導致深度學習在有人監督學習中非常成功，同時在自監督學習中也取得了很大的成功，但在一般意義上的無監督學習中還沒有取得成功。

深度學習并非萬能，仍有局限

深度學習不僅是目前熱度最高的人工智能研究方向，也是工業應用最廣泛的學習范式，但深度學習也有其局限性。沒有免費午餐的定理指出，沒有任何一種算法可以解決機器學習所有的應用。深度學習也有很多“不能”的地方。比如，深度學習和人類學習相比，人用不了多么大的樣本就可以學習，但是深度學習用的樣本比較多。

此外，由于深度學習屬于黑箱型算法，人類將無法知曉算法做出決策的原因與依據。它適用于各種低風險甚至無風險性任務，包括搜素引擎和AlphaGo等棋牌游戲，這類任務即使發生錯誤，后果也不嚴重，并不要求算法去解釋這些錯誤為什么會發生。

但對于高風險任務，包括無人駕駛、醫療手術等，一旦發生錯誤，由于成本巨大，必須能夠分析出發生錯誤的原因，以避免類似錯誤再次發生，此時，深度學習在解釋性方面將存在弊端。

總而言之，深度學習的表示能力超強，因此，在不要求解釋的學習任務中，深度學習的性能在可見的將來將一直占優。但是，在要求解釋的學習任務里，深度學習將不是一個值得期待的工具。