你所不知道的,那些高科技技術中蘊藏的數學底層邏輯

2020-12-23 咪小小貓

《數學之美》是吳軍博士的一本科普暢銷書,曾榮獲國家圖書館文津圖書獎。書中講述了符號、語言、信息、概率、模型等與數學的關聯,介紹了隱馬爾可夫鏈、最大熵模型、網絡和網絡爬蟲、布爾代數和搜尋引擎、餘弦定理和新聞的分類、矩陣運算和文本處理、布隆過濾器等技術。從基礎數學的起源及發展歷程,到如今的大數據、區塊鏈、算法等前沿技術。

1,

提到吳軍老師,只要關注人工智慧以及引擎搜索相關技術的讀者應該都不陌生,他是當今矽谷地區解讀IT產業最權威的專家,曾經成功地投資過150家矽谷和中國的高科技企業。

吳軍老師畢業於清華大學和美國約翰·霍普金斯大學,曾作為資深研究員和副總裁任職過谷歌和騰訊,在Google時,開創了搜索反作弊研究領域,領導了Google自然語言處理和自動問答等研究型項目,擁有近20項美國發明專利。

吳軍老師著有多部暢銷書,如《文明之光》、《浪潮之巔》、《見識》、《全球科技通史》等,多次獲得包括文津獎、中國好書獎、中華優秀出版物在內的圖書大獎。

這本書中的內容本來放在谷歌黑板報上,本意是向大家普及自然語言處理與搜尋引擎的相關知識,但是意外獲得了很多點擊量,後來集合成書出版,立刻暢銷。

《數學之美》秉承了吳軍老師的一貫寫作風格,語言平實動人,科普大眾易懂。他把深奧的科學知識用深入淺出的方式表達出來,讀者很容易領會數學背後的底層邏輯,內容兼具學習性、趣味性、科學性。書中還貫穿講述了新技術發展史後的小故事等。通篇讀來,既有技術的嚴謹性,也有周邊的趣味性。

2,

書中有一段講了谷歌算法的價值。我們都知道Google的搜索功能,它建立在強大的算法之上。谷歌革命性的發明是」PageRank」的網頁排名算法,在谷歌所有算法中佔據重要位置,被公認是文獻檢索中最大貢獻之一。

發明者佩奇也因此在30歲時就當選為美國工程院院士,是繼賈伯斯和比爾蓋茨之後又一位當選院士的輟學生。受到專利保利的PageRank算法讓其他搜尋引擎不敢侵犯,保護了當時還很弱小的Google,也使得史丹福大學擁有超過1%的Google股票,收益超過10億美元;

還講到知識間的融會貫通,吳軍老師這樣形容布爾代數,「簡單的布爾代數對數學和計算機發展有著重大意義,它把邏輯和數學合二為一,給人們提供了看待世界的全新視角,開創了數位化的時代」。

除了講述技術層面的知識,還提了一些冷僻的小百科,如:0—10這幾個阿拉伯數字其實是古印度人發明的,後來由阿拉伯人傳入了歐洲,阿拉伯人就被認為是發明者了;為什麼我們用的是十進位,因為我們只有十個手指。瑪雅人把腳指頭也算上了,用的是二十進位,他們的一個世紀稱為一個太陽紀,是400年;我們現在通用的日曆算法是格裡高利十三世在1582年時改編的,幾乎與天文沒有任何誤差,為了紀念這位教皇,現在的日曆也叫格裡高利日曆。

再比如CDMA技術的最初發明者是一位叫海蒂·拉瑪爾的演員,通信高頻技術只是她的副業,她被譽為最美麗科學家。拉瑪爾在演奏鋼琴時,想到用鋼琴不同鍵發出的不同頻率對信號加密,如果接收者知道調頻的序列就可以解碼收到的信號,否則就無法破解。這種調頻技術就是CDMA前身,1941獲得美國專利。後來還被用到軍事中。

還有如下顛覆認知的知識:古希臘數學家和天文學家託勒密,很多人可能會嘲笑他的地心說,但是託勒密其實有很多貢獻。他發明了我們今天還在用的球坐標,定義了包括赤道和零度經線在內的經緯線,今天地圖上還在劃,還提出了黃道和弧度制。

3,

在講述技術知識以及冷僻有趣的小百科外,在某些章節還順帶提了某些技術發展背後的故事。

例如1956年夏天在達特茅斯學院由10位年輕的科學家舉辦的頭腦風暴研討會。會議上討論了人工智慧、自然語言處理和神經網絡等。當時參加會議的人,除了香農外都默默無聞。

但不久就出了4位圖靈獎獲得者。會議的意義超過了10個圖靈獎。這10人後來被證明是20世紀IT領域最優秀的科學家,他們開創的領域的成功使我們現在的生活更加美好;

再比如剛開始搞人工智慧的被看成是大忽悠。曾經擔任微軟研究員的鄧力老師有一次做人工智慧的報告時,發現只前排有幾個人,於是請求他們一定要聽完自己的報告。沒想到,一位老先生說,「我是不會走的,但等會請你也留下來聽,因為下一個報告人就是我。」

這個故事又好笑又心酸,新事物出來時要面對質疑和中傷,不被理解與認可。先行者們在自己的研究領域默默耕耘,開創了一個時代。

講到密碼學這個話題時,除了講密碼學的數學原理,還講了二戰時的密碼戰。「加密的過程可以看作是函數的運算F,解決的過程就是反函數的運算。明碼是自變量,密碼是函數值,好的加密函數不應該通過幾個自變量和函數值就能推出函數。」

二戰時,在中途島海戰前,美軍截獲的日軍密電經常出現AF這個地名,於是持續發送假新聞,當發出「中途島供水系統壞了」的假新聞後,美軍從截獲的日軍情報中又看到含有AF的電文,美軍斷定中途島就是AF。判斷完全正確,美軍在那裡伏擊了日本聯合艦隊。

穿插著講的這些小故事讓整個科普過程不再單調乏味,極大地提高了閱讀興趣。

4,

高科技背後離不開優秀的科學家們,書本介紹了不少高科技領域的大師和學者,他們如何將數學原理應用於自然語言處理領域。還順帶介紹了部分他們的軼事。

例如弗裡德裡克·賈裡尼克,出生於一個經濟條件良好的猶太家庭,像所有重視教育的猶太家庭一樣,他的父母在他很小時就請了家庭老師。

但是第二次世界大戰來了,他的父親被關進了集中營後去世。賈裡尼克學業荒廢成了流浪兒。二戰結束後重新走進校園,在整個小學階段,成績都一塌糊塗。

1946年,他的母親帶著全家移民美國,經濟非常拮据,他也要兼職補貼家用。所以在上大學前他其實用在學習上的時間並不多,成績也不突出。

後來賈裡尼克入學麻省理工學校,在那裡遇到了許多世界級大師。他的妻子在哈佛求學,賈裡尼克也經常去旁聽課程。這些經歷,對賈裡尼克後來利用資訊理論解決語言問題的研究方向產生了重要影響。

賈裡尼克在求學階段,周圍有很多一流人物,因為受薰陶,他的視野更開闊,思維更周密,後來在自己的研究領域中做出突出貢獻。

這些人的思維方式影響了賈裡尼克,他很幸運地在接收知識能力最強的時候接觸到這些人。如同吳軍老師講述的某個親身經歷,吳軍老師在與美國工程院院士阿米特·辛格博士合作過程中,習得了一個做事哲學:先幫用戶解決80%的問題,再慢慢解決剩下的20%問題。有時候失敗並不是人的能力差,而是做事的方法不對。如果從開始就追求完美的解決方案,在長時間不能完成後,很可能就沒了下文。

也許部分讀者上學時被數學困擾過,感覺太枯燥難懂,但其實如果深入學習,發現數學真的在某種程度上似乎具有韻律之美,它遵循規律,看似深奧神秘,但卻是很多高科技的底層邏輯基礎。

在《數學之美》這本書中,吳軍老師把日常普通事物中,抑或世界領先技術中所深藏的數學知識挖掘出來。通篇讀下來,你會發現數學是如此精巧有趣應用廣泛,真是無處不數學。

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