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| 本文作者： 恒亮 | 2017-04-10 18:55 |
arXiv.org 是一個(gè)專門收集物理學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與生物學(xué)論文預(yù)印本的網(wǎng)站。數(shù)據(jù)顯示，截至 2014 年底的時(shí)候，arXiv 已經(jīng)達(dá)到了一百萬篇以上的論文藏量，并且還在以每月 8000 篇的速率增長(zhǎng)。算是目前全球最具規(guī)模的論文數(shù)據(jù)庫之一。
近日，來自斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院的博士畢業(yè)生、OpenAI 的高級(jí)科學(xué)家 Andrej Karpathy 基于一份 arXiv 機(jī)器學(xué)習(xí)論文大數(shù)據(jù)，從論文數(shù)量、開源框架、數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化算法等多個(gè)方面對(duì)過去五年中的機(jī)器學(xué)習(xí)變化趨勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并將分析結(jié)果發(fā)布在個(gè)人博客上。以下內(nèi)容整理自該博客，雷鋒網(wǎng)編譯。
想必你一定聽說過谷歌趨勢(shì)（Google Trends）或者百度指數(shù)這種工具，任意輸入一個(gè)關(guān)鍵詞，就能立刻看到關(guān)于該詞在過去幾個(gè)月甚至幾年之內(nèi)的變化趨勢(shì)。受此啟發(fā)，碰巧我手邊正好有一份 arXiv 論文數(shù)據(jù)集，它收集了過去五年中機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)的 28303 篇論文。那么與谷歌趨勢(shì)類似，從這些論文中，我們能否看到一些機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的科研發(fā)展趨勢(shì)呢？我就此進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)這個(gè)結(jié)果相當(dāng)有趣，因此在這里把它分享出來。
首先我們看一下論文數(shù)量。在過去五年中，arXiv 收集的機(jī)器學(xué)習(xí)論文數(shù)量變化情況如下圖所示。
從上圖可以看到，論文總數(shù)在 2017 年 3 月出現(xiàn)了一次激增，從時(shí)間上看可能是由于 NIPS 和 ICML 等大型會(huì)議的論文提交截止日期正好在 3 月。而且有一點(diǎn)需要說明的是，arXiv 的論文數(shù)據(jù)集雖然全面，但也并不能完全代表整個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)行業(yè)的變化趨勢(shì)，因?yàn)楫吘共皇撬腥硕剂?xí)慣于將自己的論文投遞到 arXiv 網(wǎng)站上。不過，從上圖我們?nèi)匀豢梢钥吹揭粋€(gè)明顯的上升趨勢(shì)，這說明機(jī)器學(xué)習(xí)的熱度的確在持續(xù)地上升中。
下面我們將以這些論文作為研究材料，看看其中包含著怎樣的變化趨勢(shì)。
首先看看深度學(xué)習(xí)框架的情況。這里我記錄了在 2017 年 3 月上傳的所有論文中（包括參考書目和論文內(nèi)容）提到的機(jī)器學(xué)習(xí)框架情況：
可以看到，在 2017 年 3 月份提交的所有論文中大約有 10% 都提到了 TensorFlow。當(dāng)然，并不是每一篇論文都聲明了框架的使用，但是如果我們假設(shè)論文以某一固定的概率分布來聲明框架，并且這個(gè)概率與框架本身無關(guān)的話，那么大概有高達(dá) 40% 的社區(qū)都在使用 TensorFlow（如果也算上用 TensorFlow 作為 Keras 后端的論文，這一比例將會(huì)更大）。下面是這些框架隨時(shí)間變化的趨勢(shì)：
可以看到，Theano 已經(jīng)高速發(fā)展了一段時(shí)間了，但近期它的增速正在放緩。Caffe 從 2014 年前后開始快速爆發(fā)，但在過去幾個(gè)月中已經(jīng)被強(qiáng)大的 TensorFlow 反超。Torch（以及最近的 PyTorch）也處于上升期，雖然增速略顯緩慢，不過增長(zhǎng)穩(wěn)定。我估計(jì)再過幾個(gè)月再來看這個(gè)結(jié)果會(huì)更有趣，因?yàn)楦鶕?jù)我的估計(jì)，未來 Caffe 和 Theano 將會(huì)緩慢衰落，而由于 PyTorch 的崛起，TensorFlow 的增速可能會(huì)放緩。
下面再看一下卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的情況，從下面的圖表中可以清楚地看到，作為 CNN 領(lǐng)域里重要里程碑的 ResNets（深度殘差網(wǎng)絡(luò)）在 2016 年底的激增情況，在 2017 年 3 月提交的所有論文中甚至有大約 9% 都提到了 ResNets。
另外，這里還能看到在谷歌 InceptionNet 之前，實(shí)際上已經(jīng)有論文提到了 inception 的概念。
在優(yōu)化算法方面，Adam 算法可以算是應(yīng)用最多的一個(gè)，大約有高達(dá) 23% 的論文都提到了它。這里需要說明的是，在實(shí)際使用中 Adam 算法的采用率可能更高，因?yàn)樵S多論文都不會(huì)顯式地聲明優(yōu)化算法，更有一部分論文甚至不會(huì)闡述關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的內(nèi)容。另外，從圖表中還能看出，在 2014 年 12 月 Adam 優(yōu)化算法被正式提出之前，實(shí)際上也有一些論文提到了 “Adam” 關(guān)鍵詞，它的概率大約維持在 5% 左右，我猜想可能是因?yàn)橛性S多作者的名字也叫 Adam 的緣故。
這里我還很好奇地研究了一下深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域各位大牛的名字在論文中的變化情況，結(jié)果如下圖所示。需要說明的是，這里的僅根據(jù)關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)的方式很粗糙，另外我還做了一些歸一化操作。
從圖表中可以看到，在所有提交的論文中，大約有 35% 提到了 bengio，但這里實(shí)際上有兩個(gè)人： Samy 和 Yoshua，圖中是兩人加起來的結(jié)果。另外需要特別指出的是，在所有新論文中有超過 30% 都提到了 Geoff Hinton 大神，這一點(diǎn)很強(qiáng)大。
最后一部分是關(guān)鍵詞。這里我首先統(tǒng)計(jì)了所有一元關(guān)鍵詞和二元關(guān)鍵詞在論文中的出現(xiàn)情況 ，并對(duì)當(dāng)下和一年之前這些詞匯的最大采用率做了對(duì)比。這里我作為基準(zhǔn)采用的論文都是一些近兩年被引用次數(shù)最高的優(yōu)秀論文。以下是一些排名靠前的關(guān)鍵詞：
以 ResNet 舉例來說，它的相對(duì)熱度之所以是 8.17，是因?yàn)樗?2016 年 3 月所有論文中的采用比是 1.044%，而到了今年 3 月，它的采用比則增長(zhǎng)到了 8.53%，用兩個(gè)百分比相除，就得到了 8.17。
從以上圖表可以看出，在過去一年中最火熱的機(jī)器學(xué)習(xí)創(chuàng)新技術(shù)包括：ResNets、GAN、Adam 和 BatchNorm。在研究方向上熱詞包括：風(fēng)格轉(zhuǎn)換（style transfer）、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)（deep RL）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)翻譯以及圖像生成等。最后，在模型方面可以看到：全卷積網(wǎng)絡(luò)(FCN)、 LSTMs/GRUs、Siamese Nets 以及 Encoder decoder nets等熱詞。
與之相反，哪些關(guān)鍵詞在過去一年中出現(xiàn)了下滑，變成了最冷門的關(guān)鍵詞？我整理了以下排名：
可以看到，fractal（分形） 和 bayesian（貝葉斯）相關(guān)的內(nèi)容在近一年的時(shí)間中熱度衰減嚴(yán)重。
話說，看完了所有的分析結(jié)果，你不趕緊寫一篇基于全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、BatchNorm、ResNet 和 GAN 技術(shù)，通過 Adam 算法優(yōu)化，并應(yīng)用于風(fēng)格轉(zhuǎn)換的論文么 :)
來源：medium，雷鋒網(wǎng)(公眾號(hào)：雷鋒網(wǎng))編譯
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