李宏毅2025《机器学习》第一讲-生成式AI：技术突破和未来发展

引言

生成式人工智能（Generative AI）无疑是当前科技领域最引人瞩目的革命性力量。从生成流畅的文本、逼真的图像，到谱写动人的乐曲，甚至编写复杂的代码，它的能力边界正以前所未有的速度扩张。为了帮助大家快速掌握这一领域的全貌，李宏毅教授的课程旨在用一堂课的时间，带领我们概览生成式AI近年来的技术突破与未来发展。本文将跟随教授的讲授思路，将课程内容整理成一篇结构清晰、内容详尽的技术文章。

文章将遵循以下四个核心部分展开：

1. AI的行为（Behaviors）： 今天的生成式AI能做什么？
2. AI的运作机制（Mechanisms）： 这些行为背后的原理是什么？
3. 机制的产生（Creation）： AI如何学习并获得这些机制？
4. 赋予新能力（New Abilities）： 如何让AI掌握新的知识和技能？

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第一部分：生成式AI能做什么？—— AI的行为展示

要理解一项技术，最直观的方式是观察它的行为。今天的生成式AI已经远远超出了简单问答的范畴，展现出创造、推理乃至执行复杂任务的能力。

1.1 万物皆可生成：从文本到虚拟人

生成式AI最广为人知的能力便是其强大的内容创造能力。它不仅能生成文本、图像、音频，甚至能将这些元素组合成一个生动的数字虚拟人。

李宏毅教授以一个生动的例子展示了这一过程：

• 第一步：生成讲稿。 将一张包含要点的PPT投影片图片输入到ChatGPT中，指令其生成一段约30秒的讲稿。
• 第二步：合成语音。 使用联发科创新基地推出的Breezy Voice模型，将生成的讲稿文字转换为语音。该模型的特点在于，可以提供一段“参考音档”（如教授本人的声音），它便能模仿该音档的音色、语调来合成新的语音，实现声音的“克隆”。
• 第三步：生成视频。 将合成的语音与教授的静态照片输入到HeyGen等视频生成平台，便能创造出一个口型与语音同步、表情自然的AI虚拟分身进行讲课。

这个过程揭示了，从一份课程材料（PPT）到一堂由AI主讲的课程视频，技术上已完全可行。然而，教授指出，课程准备的真正难点在于构思内容和制作PPT，而非讲授本身。那么，AI能否胜任更核心的创造性工作——直接制作一整套课程PPT呢？

答案是肯定的，但效果仍有待提升。当教授指令ChatGPT Deep Research围绕“一堂课搞懂生成式AI”的主题生成一份有趣的课程大纲时，AI输出了长达一万三千字的详细内容，甚至为了“有趣”而穿插了一些它自认为的“冷笑话”。其中，一个关于扩散模型（Diffusion Model）的励志比喻颇具创意：“扩散模型告诉我们，就算人生一团乱，全是噪声（Noise），只要一步一步努力去除噪声，也能拼出美丽的风景。”

随后，利用Gamma等AI工具，可以将这上万字的内容一键生成一套设计精美的PPT。然而，教授评价这套AI生成的课程为“流水账式”的，虽然涵盖了基本概念、技术突破、应用案例和未来挑战，但内容较为浅显，缺乏深入的洞见和人类教师的独特视角。这表明，虽然AI能极大提高效率，但在创造真正高质量、有深度的教学内容方面，仍与人类专家有相当的差距。

1.2 AI的“思考”过程：链式思维与推理

现代生成式AI的另一大突破是展现出类似人类的“思考”或“推理”（Reasoning）能力。它们在回答复杂问题时，不再是直接给出答案，而是会展示一个“脑内小剧场”，即我们常说的“思维链”（Chain of Thought）。

这个过程通常是：模型接收问题后，会先自言自语地分析问题、提出可能的解法（如“先试试A方法”）、验证解法（“嗯，A方法好像不对”）、尝试新解法（“再试试B方法”），最终在演完内心戏后，给出一个经过深思熟虑的答案。

教授用一个有趣的问题来测试DeepSeek模型：“《封神演义》的姜子牙和《哈利·波特》的邓布利多，两位都会法术的老人，在巅峰状态下公平对决，谁会赢？”

DeepSeek的反应完美诠释了“脑内小剧场”：

1. 内心戏阶段： 它首先生成了长达1500字的浅色文字（代表其思考过程），详细分析了两位角色的能力、法宝、优势和劣势。例如，它分析了姜子牙的杏黄旗具有超高防御力，但打神鞭可能对非“封神榜”上的人无效；同时分析了邓布利多的魔法体系。
2. 可视化整理： 为了更清晰地理解其思路，教授将这段内心戏交由Claude进行可视化处理，生成了一张清晰的对比图，直观展示了两人的能力、优劣势以及对决分析。
3. 最终答案： 在充分“思考”后，DeepSeek给出了结论：姜子牙获胜概率较高。但它补充了一个关键变量：胜负手在于邓布利多能否开场就用“幻影移形”近身施放“索命咒”，以及姜子牙的“杏黄旗”能否挡住这个咒语。这构成了一个经典的“最强之矛”对“最强之盾”的悬念。

这一过程表明，AI不仅能检索信息，更能对信息进行结构化分析、逻辑推理和情景模拟，展现出令人惊叹的复杂问题处理能力。

1.3 AI智能体：迈向多步骤复杂任务

现实世界中的许多任务，如订餐、安排旅行，都无法通过一问一答完成，而是需要一个包含多个步骤的动态流程。能够执行这类多步骤、交互式任务的AI，被称为“AI智能体”（AI Agent）。

一个合格的AI智能体需具备多种能力：

• 从经验中学习： 知道餐厅A没位置后，不会再重复预订。
• 使用工具： 知道自己的知识有限，需要上网搜索其他餐厅。
• 规划与交互： 找到备选餐厅B后，会主动向用户确认是否合意，而不是擅自决定。同时，它也知道哪些步骤（如“上网搜索”）无需请示，体现了良好的判断力。

目前，我们已经能看到AI智能体的雏形：

• Deep Research功能： 在ChatGPT、Gemini等模型中，当你提出一个复杂问题（如“中横公路的历史沿革”）并启用该功能时，模型会自动上网搜索，并根据搜到的结果动态生成新的、更深入的搜索查询，进行迭代式的信息挖掘，最终形成一份详尽的报告。
• 计算机控制（Operator）： 这类技术（如ChatGPT的Operator）让AI能够“看到”电脑屏幕并“操作”鼠标键盘。用户给出任务指令（如“帮我找到台大课程网的加签表单并填写”），AI会接收屏幕截图，然后输出鼠标移动、点击、键盘输入等指令来完成任务。在演示中，Operator成功地浏览网页、点击链接，甚至在第一次点击错误后能自行纠正，最终找到了目标表单。

这些例子预示着，AI正从一个“对话者”转变为一个能自主规划、使用工具、执行复杂流程的“行动者”。

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第二部分：AI如何工作？—— 揭秘底层运作机制

了解了AI能做什么之后，我们来探究其背后的共同原理。无论是生成文本、图像还是声音，其核心机制都可以归结为对“令牌（Token）”的预测和生成。

2.1 万物皆为“令牌”（Token）：生成式AI的核心思想

生成式AI处理的所有复杂对象（一篇文章、一张图片、一段音频），都可以被拆解成一系列有限的基本单位，这些单位在AI领域被称为“令牌”（Token）。

• 文本： Token可以是一个汉字、一个单词或一个子词（subword）。
• 图像： Token可以是一个像素（Pixel），或者在更先进的模型中，是一个图像块（Patch）的压缩表示。
• 音频： Token可以是一个采样点（Sample Point）的量化值。
• 复杂结构： 即使是树状结构（如代码的语法树），也可以通过序列化的方式（如使用括号表示层级）转换成一串Token。

这个概念是生成式AI的基石。正如NVIDIA CEO黄仁勋所说：“万事万物皆为Token”。AI的任务，本质上就是学习如何根据输入的Token序列，来生成一个有意义的输出Token序列。

2.2 “文字接龙”的艺术：自回归生成

AI生成内容的过程，采用了一种名为“自回归生成”（Autoregressive Generation）的策略。这个过程就像一场“文字接龙”（或“Token接龙”）：

1. 模型接收输入（如问题x），然后预测并生成第一个输出Token y1。
2. 接着，模型将输入x和已生成的y1作为新的输入，预测并生成第二个Token y2。
3. 这个过程不断重复，每次都将之前所有的输入和已生成的Token作为依据，来预测下一个Token yt。
4. 生成过程何时停止？对于固定尺寸的输出（如图像），生成固定数量的Token即可。对于可变长度的输出（如文章），模型会学习生成一个特殊的“结束”Token（如<|endoftext|>）来终止生成。

因此，无论任务多么复杂，其核心都被简化为一个统一的、不断重复的基础任务：根据一个已有的Token序列，预测下一个最可能的Token是什么。

2.3 深度学习与神经网络：化繁为简的力量

执行“预测下一个Token”这个任务的，是一个被称为“函数 f”的数学模型，而这个f在现代AI中，就是一个深度神经网络（Deep Neural Network）。

这个网络的工作方式是：

• 输入： 一个Token序列（如z1, z2, ..., zt-1）。
• 输出： 不是一个确定的Token，而是一个概率分布。它会为词汇表中所有可能的Token都计算一个概率分数，表示该Token成为下一个Token的可能性有多大。
• 采样： 模型根据这个概率分布进行随机采样，选出最终生成的Token。这就是为什么即使输入相同，每次生成的结果也可能不同的原因，保证了生成内容的多样性。

深度学习（Deep Learning）的“深”，指的是神经网络由许多“层”（Layer）串联而成。其真正的力量在于化繁为简。教授用一个比喻解释：计算A+B+C。

• 浅层方法（一层）： 需要一个巨大的查找表，记录所有10*10*10=1000种输入组合的答案。
• 深层方法（两层）： 第一层计算A+B（只需一个10*10=100的表），第二层计算D+C（其中D=A+B，最多19种可能，只需一个19*10=190的表）。总共需要记录的规则远少于一步到位的方法。

深度学习通过将复杂问题分解为一系列更简单的、可学习的步骤，从而实现了强大的建模能力。

2.4 “深度不够，长度来凑”：推理时间缩放的奥秘

神经网络的层数（深度）是固定的。对于特别困难的问题，固定的深度可能不足以完成复杂的推理。这时，前面提到的“脑内小剧场”（思维链）就派上了用场。

让模型生成中间的思考步骤，相当于在推理时（Testing Time）动态地增加了计算的“长度”。每一次生成思考的Token，模型都在进行一次完整的计算。这可以看作是在用“计算长度”来弥补固定的“网络深度”。这个概念被称为“测试时间缩放”（Testing-Time Scaling）。研究表明，强迫模型“想得更久”（即生成更多的中间步骤），确实能显著提高其在复杂任务上的表现。

2.5 Transformer架构：注意力机制与未来挑战

当前主流的生成式AI，其神经网络架构大多基于Transformer。一个Transformer层内通常包含两种关键的子层：

• 自注意力机制（Self-Attention）： 允许模型在计算任何一个位置的输出时，都能“关注”到输入序列中的所有其他位置。这使得模型能够捕捉长距离的依赖关系，理解全局的上下文信息。
• 前馈网络（Feed-Forward Network）： 对每个位置的Token进行独立的、更深层次的非线性变换。

然而，Transformer也存在局限。其自注意力机制的计算量和内存占用会随着输入序列长度的增加而呈平方级增长，这使得它难以处理极长的文本或高分辨率的图像。为了解决这个问题，学术界和工业界正在积极探索新的架构，如Mamba等，它们有望在保持强大性能的同时，更高效地处理长序列。

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第三部分：AI如何诞生？—— 模型的训练与演进

我们已经了解了AI的运作机制，但这些复杂的神经网络是如何被“创造”出来的呢？答案是训练。

3.1 架构与参数：AI的“天资”与“后天努力”

一个神经网络模型包含两个部分：

• 架构（Architecture）： 由人类开发者设计的部分，包括模型的类型（如Transformer）、层数、每层的节点数等。这决定了模型的“尺寸”（如7B、70B模型，B指Billion，十亿个参数）。架构可以被比作一个人的“天资”或“骨架”。
• 参数（Parameters, θ）： 网络中海量的、需要通过学习来决定的数值（权重和偏置）。这些参数决定了模型的具体行为。参数可以被比作一个人通过学习获得的“后天知识”。

我们常说的“炼丹”、“调参”，通常指的是调整架构这类“超参数”（Hyperparameters），而真正的模型参数是通过训练数据自动学习得到的。

3.2 训练过程：从海量数据中学习

训练的目标，就是找到一组最优的参数θ，使得模型f_θ的行为尽可能地符合我们提供的训练数据。

训练数据由大量的“(输入序列, 正确的下一个Token)”样本对组成。例如：

• ("台湾大", "学")
• ("令 x 等于", "1")
• ("print(", "Hello")

训练过程就是一个不断优化的过程：模型根据输入进行预测，将其预测的概率分布与“正确答案”进行比较，计算出“损失”（Loss），然后通过梯度下降等算法调整参数θ，以减小这个损失。这个过程在海量的互联网文本、代码、图片等数据上重复亿万次后，模型便学会了语言、逻辑、知识和世界模型。

3.3 通用模型的三个时代：从“专才”到“通才”的演化

今天的生成式AI之所以强大，关键在于其“通用性”的演进。这大致经历了三个阶段：

• 第一形态（约2018-2019）：编码器（Encoder）时代。

  • 代表模型： BERT及其家族。
  • 特点： 这些模型能“理解”输入文本并将其编码成一个向量（representation），但不能直接生成文本。要完成特定任务（如摘要、分类），需要在其后接一个专门的、为该任务定制的“外挂”小模型。模型本身是通用的，但使用时需要“专才”外挂。

• 第二形态（约2020-2022）：预训练-微调时代。

  • 代表模型： GPT-3。
  • 特点： 这些模型具备了强大的文本生成能力。但要让它做好一个特定任务，需要用该任务的数据对整个模型进行“微调”（Fine-tune）。这意味着，虽然基础模型是通用的，但为做翻译而微调出的模型，和为写代码而微调出的模型，其内部参数是不同的。同一个架构，为不同任务配上了不同的“灵魂”（参数）。

• 第三形态（约2023-至今）：指令微调时代。

  • 代表模型： ChatGPT, Claude, LLaMA等。
  • 特点： 这些模型经过了“指令微调”，学会了理解和遵循人类的指令。用户不再需要微调模型，只需在提示（Prompt）中清晰地描述任务，同一个模型（参数完全不变）就能执行翻译、摘要、写作、编程等成千上万种不同的任务。这是真正的“一模通万任”。

这种演进不仅发生在文本领域，语音领域也经历了类似的发展，最终诞生了如DeSTA2这样，能听懂一段语音并根据不同指令回答关于其内容、情感、语种、说话人性别等多种问题的通用语音大模型。

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第四部分：如何赋予AI新能力？—— 模型的持续学习与进化

我们现在拥有了强大的通用基础模型，如同有了一位知识渊博的大学毕业生。接下来，我们需要教它胜任具体的工作。这进入了“机器的终身学习”时代，我们有多种方法可以赋予AI新的能力。

4.1 方法一：即时指导（In-Context Learning）

这是最简单、最常用的方法。我们不需要改变模型的任何参数，只需在提示（Prompt）中提供它完成任务所需的知识或指令。

• 例子： 创建一个课程AI助教。只需在每次与AI交互时，先给它一段背景文字，包含课程大纲、评分标准、加签规则，并设定行为准则（如“不要回答课程无关问题”）。
• 特点： 这种能力的赋予是临时的、非永久的。它不会改变模型本身。就像员工在公司遵守规章制度，下班回家后还是原来的自己。这是首选方案，因为它成本低、风险小。

4.2 方法二：微调（Fine-tuning）

当我们需要让模型永久地掌握一项新技能（如学习一门全新的编程语言），或者其行为方式需要根本性改变时，就需要微调。

• 过程： 用新的、针对性的训练数据来更新基础模型的参数。
• 挑战： 最大的风险是“灾难性遗忘”（Catastrophic Forgetting）。在学习新知识的过程中，模型可能会忘记或破坏它原有的能力。
• 例子： 教授将GPT-4o-mini微调成一个AI助教。虽然它成功学会了助教的身份和口吻，但它原有的通用能力受到了严重破坏：它失去了写唐诗的能力，并且在回答“谁是全世界最帅的人”这类开放性问题时，会开始胡言乱语。
• 结论： 微调是最后的手段，需谨慎使用，并配合特定技术来防止能力退化。

4.3 更精细的手术刀：模型编辑与模型合并

在微调之外，还有更精细的技术来修改模型：

• 模型编辑（Model Editing）： 想象一下，我们只想修改模型中的一个特定事实（如“美国总统是谁”）。如果用微调，模型可能过度泛化，把所有“XX是谁”的问题都回答成新答案。模型编辑技术则像脑外科手术，旨在直接定位到神经网络中存储该特定知识的参数，并对其进行精准修改，而不影响其他知识。
• 模型合并（Model Merging）： 在没有训练数据的情况下，将两个或多个专才模型的参数直接“合并”或“融合”，创造出一个兼具两者能力的新模型。例如，将一个擅长编程的模型和一个擅长中文的模型合并，得到一个既会编程又会中文的新模型。

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总结与展望

李宏毅教授的课程为我们描绘了一幅宏大的生成式AI画卷。我们看到，AI的行为正从简单的内容生成，迈向复杂的推理和智能体交互。其背后，是基于“Token”和“自回归生成”的统一框架，由以Transformer为代表的深度神经网络驱动。AI的诞生，则源于在海量数据上的大规模训练，并经历了从专才到通才的三个关键演化阶段。如今，我们站在“机器终身学习”的起点，可以通过提示、微调、编辑、合并等多种手段，不断赋予这些强大基础模型新的能力。

未来，随着模型架构的创新（如Mamba）、训练方法的改进以及对齐（Alignment）技术的深化，生成式AI无疑将在更多领域扮演核心角色，成为与人类协同创造、解决问题的强大伙伴。理解其原理、掌握其能力、预见其未来，是我们拥抱这个智能新时代的关键。