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一文让你读懂什么是机器学习
 
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 2018-8-8
 
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本文于360doc,介绍了机器学习的范围,机器学习的方法,机器学习的应用等。

在进入正题前,我想大家心中可能会有一个疑惑:机器学习有什么重要性,以至于要阅读完这篇非常长的文章呢?

我并不直接回答这个问题前。相反,我想请大家看两张图:

图1 机器学习界的执牛耳和互联网界大鳄的联姻

这幅图上的三人是当今机器学习界的执牛耳者。中间的是Geoffrey Hinton, 加拿大多伦多大学的教授,如今被聘为“Google大脑”的负责人。右边的是Yann LeCun, 纽约大学教授,如今是Facebook人工智能实验室的主任。而左边的大家都很熟悉,Andrew Ng,中文名吴恩达,斯坦福大学副教授,如今也是“百度大脑”的负责人与百度首席科学家。

这三位都是目前业界炙手可热的大牛,被互联网界大鳄求贤若渴的聘请,足见他们的重要性。而他们的研究方向,则全部都是机器学习的子类--深度学习。

图2 语音助手产品

这幅图上描述的是什么?Windows Phone上的语音助手Cortana,名字来源于《光环》中士官长的助手。相比其他竞争对手,微软很迟才推出这个服务。Cortana背后的核心技术是什么,为什么它能够听懂人的语音?事实上,这个技术正是机器学习。机器学习是所有语音助手产品(包括Apple的siri与Google的Now)能够跟人交互的关键技术。

通过上面两图,我相信大家可以看出机器学习似乎是一个很重要的,有很多未知特性的技术。

1.一个故事说明什么是机器学习

机器学习这个词是让人疑惑的,首先它是英文名称Machine Learning(简称ML)的直译,在计算界Machine一般指计算机。这个名字使用了拟人的手法,说明了这门技术是让机器“学习”的技术。但是计算机是死的,怎么可能像人类一样“学习”呢?

传统上如果我们想让计算机工作,我们给它一串指令,然后它遵照这个指令一步步执行下去。有因有果,非常明确。但这样的方式在机器学习中行不通。机器学习根本不接受你输入的指令,相反,它接受你输入的数据! 也就是说,机器学习是一种让计算机利用数据而不是指令来进行各种工作的方法。这听起来非常不可思议,但结果上却是非常可行的。

接下来这个例子来源于我真实的生活经验,我在思考这个问题的时候突然发现它的过程可以被扩充化为一个完整的机器学习的过程,因此我决定使用这个例子作为所有介绍的开始。这个故事称为“等人问题”。

我一个朋友小Y,他不是那么守时,最常见的表现是他经常迟到。当有一次我跟他约好3点钟在某个麦当劳见面时,在我出门的那一刻我突然想到一个问题:我现在出发合适么?我会不会又到了地点后,还要花上30分钟去等他?

我决定采取一个策略解决这个问题。

我把过往跟小Y相约的经历在脑海中重现一下,看看跟他相约的次数中,迟到占了多大的比例。而我利用这来预测他这次迟到的可能性。如果这个值超出了我心里的某个界限,那我选择等一会再出发。

假设我跟小Y约过5次,他迟到的次数是1次,那么他按时到的比例为80%,我心中的阈值为70%,我认为这次小Y应该不会迟到,因此我按时出门。如果小Y在5次迟到的次数中占了4次,也就是他按时到达的比例为20%,由于这个值低于我的阈值,因此我选择推迟出门的时间。

这个方法从它的利用层面来看,又称为经验法。在经验法的思考过程中,我事实上利用了以往所有相约的数据。因此也可以称之为依据数据做的判断。依据数据所做的判断跟机器学习的思想根本上是一致的。

刚才的思考过程我只考虑“频次”这种属性。在真实的机器学习中,这可能都不算是一个应用。一般的机器学习模型至少考虑两个量:一个是因变量,也就是我们希望预测的结果,在这个例子里就是小Y迟到与否的判断。另一个是自变量,也就是用来预测小Y是否迟到的量。

假设我把时间作为自变量,譬如我发现小Y所有迟到的日子基本都是星期五,而在非星期五情况下他基本不迟到。于是我可以建立一个模型,来模拟小Y迟到与否跟日子是否是星期五的概率。见下图:

图3 决策树模型

这样的图就是一个最简单的机器学习模型,称之为决策树。

当我们考虑的自变量只有一个时,情况较为简单。如果把我们的自变量再增加一个。例如小Y迟到的部分情况时是在他开车过来的时候(你可以理解为他开车水平较臭,或者路较堵)。于是我可以关联考虑这些信息。建立一个更复杂的模型,这个模型包含两个自变量与一个因变量。

再更复杂一点,小Y的迟到跟天气也有一定的原因,例如下雨的时候,这时候我需要考虑三个自变量。

如果我希望能够预测小Y迟到的具体时间,我可以把他每次迟到的时间跟雨量的大小以及前面考虑的自变量统一建立一个模型。于是我的模型可以预测值,例如他大概会迟到几分钟。这样可以帮助我更好的规划我出门的时间。在这样的情况下,决策树就无法很好地支撑了,因为决策树只能预测离散值。我们可以用节2所介绍的线型回归方法建立这个模型。

如果我把这些建立模型的过程交给电脑。比如把所有的自变量和因变量输入,然后让计算机帮我生成一个模型,同时让计算机根据我当前的情况,给出我是否需要迟出门,需要迟几分钟的建议。那么计算机执行这些辅助决策的过程就是机器学习的过程。

通过上面的分析,可以看出机器学习与人类思考的经验过程是类似的,不过它能考虑更多的情况,执行更加复杂的计算。事实上,机器学习的一个主要目的就是把人类思考归纳经验的过程转化为计算机通过对数据的处理计算得出模型的过程。经过计算机得出的模型能够以近似于人的方式解决很多灵活复杂的问题。

让我们把机器学习的过程与人类对历史经验归纳的过程做个比对。

图4 机器学习与人类思考的类比

机器学习中的“训练”与“预测”过程可以对应到人类的“归纳”和“推测”过程。通过这样的对应,我们可以发现,机器学习的思想并不复杂,仅仅是对人类在生活中学习成长的一个模拟。由于机器学习不是基于编程形成的结果,因此它的处理过程不是因果的逻辑,而是通过归纳思想得出的相关性结论。

2.机器学习的范围

其实,机器学习跟模式识别,统计学习,数据挖掘,计算机视觉,语音识别,自然语言处理等领域有着很深的联系。

从范围上来说,机器学习跟模式识别,统计学习,数据挖掘是类似的,同时,机器学习与其他领域的处理技术的结合,形成了计算机视觉、语音识别、自然语言处理等交叉学科。因此,一般说数据挖掘时,可以等同于说机器学习。同时,我们平常所说的机器学习应用,应该是通用的,不仅仅局限在结构化数据,还有图像,音频等应用。

下图是机器学习所牵扯的一些相关范围的学科与研究领域。

图5 机器学习与相关学科

模式识别

模式识别=机器学习。两者的主要区别在于前者是从工业界发展起来的概念,后者则主要源自计算机学科。

数据挖掘

数据挖掘=机器学习+数据库。这几年数据挖掘的概念实在是太耳熟能详。几乎等同于炒作。但凡说数据挖掘都会吹嘘数据挖掘如何如何,例如从数据中挖出金子,以及将废弃的数据转化为价值等等。但是,我尽管可能会挖出金子,但我也可能挖的是“石头”啊。这个说法的意思是,数据挖掘仅仅是一种思考方式,告诉我们应该尝试从数据中挖掘出知识,但不是每个数据都能挖掘出金子的,所以不要神话它。一个系统绝对不会因为上了一个数据挖掘模块就变得无所不能(这是IBM最喜欢吹嘘的),恰恰相反,一个拥有数据挖掘思维的人员才是关键,而且他还必须对数据有深刻的认识,这样才可能从数据中导出模式指引业务的改善。大部分数据挖掘中的算法是机器学习的算法在数据库中的优化。

统计学习

统计学习近似等于机器学习。统计学习是个与机器学习高度重叠的学科。因为机器学习中的大多数方法来自统计学,甚至可以认为,统计学的发展促进机器学习的繁荣昌盛。例如著名的支持向量机算法,就是源自统计学科。但是在某种程度上两者是有分别的,这个分别在于:统计学习者重点关注的是统计模型的发展与优化,偏数学,而机器学习者更关注的是能够解决问题,偏实践,因此机器学习研究者会重点研究学习算法在计算机上执行的效率与准确性的提升。

计算机视觉

计算机视觉=图像处理+机器学习。图像处理技术用于将图像处理为适合进入机器学习模型中的输入,机器学习则负责从图像中识别出相关的模式。计算机视觉相关的应用非常的多,例如百度识图、手写字符识别、车牌识别等等应用。这个领域是应用前景非常火热的,同时也是研究的热门方向。随着机器学习的新领域深度学习的发展,大大促进了计算机图像识别的效果,因此未来计算机视觉界的发展前景不可估量。

语音识别

语音识别=语音处理+机器学习。语音识别就是音频处理技术与机器学习的结合。语音识别技术一般不会单独使用,一般会结合自然语言处理的相关技术。目前的相关应用有苹果的语音助手siri等。

自然语言处理

自然语言处理=文本处理+机器学习。自然语言处理技术主要是让机器理解人类的语言的一门领域。在自然语言处理技术中,大量使用了编译原理相关的技术,例如词法分析,语法分析等等,除此之外,在理解这个层面,则使用了语义理解,机器学习等技术。作为唯一由人类自身创造的符号,自然语言处理一直是机器学习界不断研究的方向。按照百度机器学习专家余凯的说法“听与看,说白了就是阿猫和阿狗都会的,而只有语言才是人类独有的”。如何利用机器学习技术进行自然语言的的深度理解,一直是工业和学术界关注的焦点。

可以看出机器学习在众多领域的外延和应用。机器学习技术的发展促使了很多智能领域的进步,改善着我们的生活。

3.机器学习的方法

(1)回归算法

在大部分机器学习课程中,回归算法都是介绍的第一个算法。原因有两个:一.回归算法比较简单,介绍它可以让人平滑地从统计学迁移到机器学习中。二.回归算法是后面若干强大算法的基石,如果不理解回归算法,无法学习那些强大的算法。回归算法有两个重要的子类:即线性回归和逻辑回归。

线性回归,也就是“如何拟合出一条直线最佳匹配我所有的数据?”

一般使用“最小二乘法”来求解。“最小二乘法”的思想是这样的,假设我们拟合出的直线代表数据的真实值,而观测到的数据代表拥有误差的值。为了尽可能减小误差的影响,需要求解一条直线使所有误差的平方和最小。最小二乘法将最优问题转化为求函数极值问题。函数极值在数学上我们一般会采用求导数为0的方法。但这种做法并不适合计算机,可能求解不出来,也可能计算量太大。

计算机科学界专门有一个学科叫“数值计算”,专门用来提升计算机进行各类计算时的准确性和效率问题。例如,著名的“梯度下降”以及“牛顿法”就是数值计算中的经典算法,也非常适合来处理求解函数极值的问题。梯度下降法是解决回归模型中最简单且有效的方法之一。从严格意义上来说,由于后文中的神经网络和推荐算法中都有线性回归的因子,因此梯度下降法在后面的算法实现中也有应用。

逻辑回归是一种与线性回归非常类似的算法,但是,从本质上讲,线型回归处理的问题类型与逻辑回归不一致。线性回归处理的是数值问题,也就是最后预测出的结果是数字,例如房价。而逻辑回归属于分类算法,也就是说,逻辑回归预测结果是离散的分类,例如判断这封邮件是否是垃圾邮件,以及用户是否会点击此广告等等。

(2)神经网络

神经网络(也称之为人工神经网络,ANN)算法是80年代机器学习界非常流行的算法,不过在90年代中途衰落。现在,携着“深度学习”之势,神经网络重装归来,重新成为最强大的机器学习算法之一。

神经网络的诞生起源于对大脑工作机理的研究。早期生物界学者们使用神经网络来模拟大脑。机器学习的学者们使用神经网络进行机器学习的实验,发现在视觉与语音的识别上效果都相当好。在BP算法(加速神经网络训练过程的数值算法)诞生以后,神经网络的发展进入了一个热潮。BP算法的发明人之一是前面介绍的机器学习大牛Geoffrey Hinton(图1中的中间者)。

具体说来,神经网络的学习机理是什么?简单来说,就是分解与整合。在著名的Hubel-Wiesel试验中,学者们研究猫的视觉分析机理是这样的。

图6 Hubel-Wiesel试验与大脑视觉机理

比方说,一个正方形,分解为四个折线进入视觉处理的下一层中。四个神经元分别处理一个折线。每个折线再继续被分解为两条直线,每条直线再被分解为黑白两个面。于是,一个复杂的图像变成了大量的细节进入神经元,神经元处理以后再进行整合,最后得出了看到的是正方形的结论。这就是大脑视觉识别的机理,也是神经网络工作的机理。

让我们看一个简单的神经网络的逻辑架构。在这个网络中,分成输入层,隐藏层,和输出层。输入层负责接收信号,隐藏层负责对数据的分解与处理,最后的结果被整合到输出层。每层中的一个圆代表一个处理单元,可以认为是模拟了一个神经元,若干个处理单元组成了一个层,若干个层再组成了一个网络,也就是'神经网络'。

图7 神经网络的逻辑架构

在神经网络中,每个处理单元事实上就是一个逻辑回归模型,逻辑回归模型接收上层的输入,把模型的预测结果作为输出传输到下一个层次。通过这样的过程,神经网络可以完成非常复杂的非线性分类。

下图会演示神经网络在图像识别领域的一个著名应用,这个程序叫做LeNet,是一个基于多个隐层构建的神经网络。通过LeNet可以识别多种手写数字,并且达到很高的识别精度与拥有较好的鲁棒性。

图8 LeeNet的效果展示

右下方的方形中显示的是输入计算机的图像,方形上方的红色字样“answer”后面显示的是计算机的输出。左边的三条竖直的图像列显示的是神经网络中三个隐藏层的输出,可以看出,随着层次的不断深入,越深的层次处理的细节越低,例如层3基本处理的都已经是线的细节了。LeNet的发明人就是前文介绍过的机器学习的大牛Yann LeCun(图1右者)。

进入90年代,神经网络的发展进入了一个瓶颈期。其主要原因是尽管有BP算法的加速,神经网络的训练过程仍然很困难。因此90年代后期支持向量机(SVM)算法取代了神经网络的地位。

(3)SVM(支持向量机)

支持向量机算法是诞生于统计学习界,同时在机器学习界大放光彩的经典算法。

支持向量机算法从某种意义上来说是逻辑回归算法的强化:通过给予逻辑回归算法更严格的优化条件,支持向量机算法可以获得比逻辑回归更好的分类界线。但是如果没有某类函数技术,则支持向量机算法最多算是一种更好的线性分类技术。

但是,通过跟高斯“核”的结合,支持向量机可以表达出非常复杂的分类界线,从而达成很好的的分类效果。“核”事实上就是一种特殊的函数,最典型的特征就是可以将低维的空间映射到高维的空间。

例如下图所示:

图9 支持向量机图例

我们如何在二维平面划分出一个圆形的分类界线?在二维平面可能会很困难,但是通过“核”可以将二维空间映射到三维空间,然后使用一个线性平面就可以达成类似效果。也就是说,二维平面划分出的非线性分类界线可以等价于三维平面的线性分类界线。于是,我们可以通过在三维空间中进行简单的线性划分就可以达到在二维平面中的非线性划分效果。

图10 三维空间的切割

支持向量机是一种数学成分很浓的机器学习算法(相对的,神经网络则有生物科学成分)。在算法的核心步骤中,有一步证明,即将数据从低维映射到高维不会带来最后计算复杂性的提升。于是,通过支持向量机算法,既可以保持计算效率,又可以获得非常好的分类效果。因此支持向量机在90年代后期一直占据着机器学习中最核心的地位,基本取代了神经网络算法。直到现在神经网络借着深度学习重新兴起,两者之间才又发生了微妙的平衡转变。

(4)聚类算法

前面的算法中的一个显著特征就是我的训练数据中包含了标签,训练出的模型可以对其他未知数据预测标签。在下面的算法中,训练数据都是不含标签的,而算法的目的则是通过训练,推测出这些数据的标签。这类算法有一个统称,即无监督算法(前面有标签的数据的算法则是有监督算法)。无监督算法中最典型的代表就是聚类算法。

让我们还是拿一个二维的数据来说,某一个数据包含两个特征。我希望通过聚类算法,给他们中不同的种类打上标签,我该怎么做呢?简单来说,聚类算法就是计算种群中的距离,根据距离的远近将数据划分为多个族群。

聚类算法中最典型的代表就是K-Means算法。

(5)降维算法

降维算法也是一种无监督学习算法,其主要特征是将数据从高维降低到低维层次。在这里,维度其实表示的是数据的特征量的大小。

例如,房价包含房子的长、宽、面积与房间数量四个特征,也就是维度为4维的数据。可以看出来,长与宽事实上与面积表示的信息重叠了,例如面积=长 × 宽。通过降维算法我们就可以去除冗余信息,将特征减少为面积与房间数量两个特征,即从4维的数据压缩到2维。于是我们将数据从高维降低到低维,不仅利于表示,同时在计算上也能带来加速。

降维算法的主要作用是压缩数据与提升机器学习其他算法的效率。通过降维算法,可以将具有几千个特征的数据压缩至若干个特征。另外,降维算法的另一个好处是数据的可视化,例如将5维的数据压缩至2维,然后可以用二维平面来可视。降维算法的主要代表是PCA算法(即主成分分析算法)。

(6)推荐算法

推荐算法是目前业界非常火的一种算法,在电商界,如亚马逊,天猫,京东等得到了广泛的运用。推荐算法的主要特征就是可以自动向用户推荐他们最感兴趣的东西,从而增加购买率,提升效益。

推荐算法有两个主要的类别:

一类是基于物品内容的推荐,是将与用户购买的内容近似的物品推荐给用户,这样的前提是每个物品都得有若干个标签,因此才可以找出与用户购买物品类似的物品,这样推荐的好处是关联程度较大,但是由于每个物品都需要贴标签,因此工作量较大。

另一类是基于用户相似度的推荐,则是将与目标用户兴趣相同的其他用户购买的东西推荐给目标用户,例如小A历史上买了物品B和C,经过算法分析,发现另一个与小A近似的用户小D购买了物品E,于是将物品E推荐给小A。

两类推荐都有各自的优缺点,在一般的电商应用中,一般是两类混合使用。推荐算法中最有名的算法就是协同过滤算法。

(7)其他

除了以上算法之外,机器学习界还有其他的如高斯判别,朴素贝叶斯,决策树等等算法。但是上面列的六个算法是使用最多,影响最广,种类最全的典型。机器学习界的一个特色就是算法众多,发展百花齐放。

下面做一个总结,按照训练的数据有无标签,可以将上面算法分为监督学习算法和无监督学习算法,但推荐算法较为特殊,既不属于监督学习,也不属于非监督学习,是单独的一类。

监督学习算法:线性回归,逻辑回归,神经网络,SVM

无监督学习算法:聚类算法,降维算法

特殊算法:推荐算法

除了这些算法以外,有一些算法的名字在机器学习领域中也经常出现。但他们本身并不算是一个机器学习算法,而是为了解决某个子问题而诞生的。你可以理解他们为以上算法的子算法,用于大幅度提高训练过程。其中的代表有:梯度下降法,主要运用在线型回归,逻辑回归,神经网络,推荐算法中;牛顿法,主要运用在线型回归中;BP算法,主要运用在神经网络中;SMO算法,主要运用在SVM中。

5.机器学习的应用——大数据

说完机器学习的方法,下面要谈一谈机器学习的应用了。无疑,在2010年以前,机器学习的应用在某些特定领域发挥了巨大的作用,如车牌识别,网络攻击防范,手写字符识别等等。但是,从2010年以后,随着大数据概念的兴起,机器学习大量的应用都与大数据高度耦合,几乎可以认为大数据是机器学习应用的最佳场景。

譬如,但凡你能找到的介绍大数据魔力的文章,都会说大数据如何准确准确预测到了某些事。例如经典的Google利用大数据预测了H1N1在美国某小镇的爆发。

图11 Google成功预测H1N1

百度预测2014年世界杯,从淘汰赛到决赛全部预测正确。

图12 百度世界杯成功预测了所有比赛结果

这些实在太神奇了,那么究竟是什么原因导致大数据具有这些魔力的呢?简单来说,就是机器学习技术。正是基于机器学习技术的应用,数据才能发挥其魔力。

机器学习与大数据紧密联系。但是,必须清醒的认识到,大数据并不等同于机器学习,同理,机器学习也不等同于大数据。大数据中包含有分布式计算,内存数据库,多维分析等等多种技术。单从分析方法来看,大数据也包含以下四种分析方法:

1.大数据,小分析:即数据仓库领域的OLAP分析思路,也就是多维分析思想。

2.大数据,大分析:这个代表的就是数据挖掘与机器学习分析法。

3.流式分析:这个主要指的是事件驱动架构。

4.查询分析:经典代表是NoSQL数据库。

也就是说,机器学习仅仅是大数据分析中的一种而已。尽管机器学习的一些结果具有很大的魔力,在某种场合下是大数据价值最好的说明。但这并不代表机器学习是大数据下的唯一的分析方法。

在大数据的时代,有好多优势促使机器学习能够应用更广泛。例如随着物联网和移动设备的发展,我们拥有的数据越来越多,种类也包括图片、文本、视频等非结构化数据,这使得机器学习模型可以获得越来越多的数据。同时大数据技术中的分布式计算Map-Reduce使得机器学习的速度越来越快,可以更方便的使用。种种优势使得在大数据时代,机器学习的优势可以得到最佳的发挥。

6.机器学习的子类——深度学习

近来,机器学习的发展产生了一个新的方向,即“深度学习”。

虽然深度学习这四字听起来颇为高大上,但其理念却非常简单,就是传统的神经网络发展到了多隐藏层的情况。

在上文介绍过,自从90年代以后,神经网络已经消寂了一段时间。但是BP算法的发明人Geoffrey Hinton一直没有放弃对神经网络的研究。由于神经网络在隐藏层扩大到两个以上,其训练速度就会非常慢,因此实用性一直低于支持向量机。2006年,Geoffrey Hinton在科学杂志《Science》上发表了一篇文章,论证了两个观点:

1.多隐层的神经网络具有优异的特征学习能力,学习得到的特征对数据有更本质的刻画,从而有利于可视化或分类;

2.深度神经网络在训练上的难度,可以通过“逐层初始化” 来有效克服。 

图13 Geoffrey Hinton与他的学生在Science上发表文章

通过这样的发现,不仅解决了神经网络在计算上的难度,同时也说明了深层神经网络在学习上的优异性。从此,神经网络重新成为了机器学习界中的主流强大学习技术。同时,具有多个隐藏层的神经网络被称为深度神经网络,基于深度神经网络的学习研究称之为深度学习。

文章开头所列的三位机器学习的大牛,不仅都是机器学习界的专家,更是深度学习研究领域的先驱。因此,使他们担任各个大型互联网公司技术掌舵者的原因不仅在于他们的技术实力,更在于他们研究的领域是前景无限的深度学习技术。

目前业界许多的图像识别技术与语音识别技术的进步都源于深度学习的发展,除了本文开头所提的Cortana等语音助手,还包括一些图像识别应用,其中典型的代表就是下图的百度识图功能。

图14 百度识图

深度学习属于机器学习的子类。基于深度学习的发展极大的促进了机器学习的地位提高,更进一步地,推动了业界对机器学习父类人工智能梦想的再次重视。

7.机器学习的父类——人工智能

人工智能是机器学习的父类。深度学习则是机器学习的子类。如果把三者的关系用图来表明的话,则是下图:

图15 深度学习、机器学习、人工智能三者关系

总结起来,人工智能的发展经历了如下若干阶段,从早期的逻辑推理,到中期的专家系统,这些科研进步确实使我们离机器的智能有点接近了,但还有一大段距离。直到机器学习诞生以后,人工智能界感觉终于找对了方向。基于机器学习的图像识别和语音识别在某些垂直领域达到了跟人相媲美的程度。

人工智能的发展可能不仅取决于机器学习,更取决于前面所介绍的深度学习,深度学习技术由于深度模拟了人类大脑的构成,在视觉识别与语音识别上显著性的突破了原有机器学习技术的界限,因此极有可能是真正实现人工智能梦想的关键技术。无论是谷歌大脑还是百度大脑,都是通过海量层次的深度学习网络所构成的。也许借助于深度学习技术,在不远的将来,一个具有人类智能的计算机真的有可能实现。

   
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