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科学研究在于探明问题的本质.  

2012-04-28 19:23:03|  分类: 投资理论研究 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1.“这是问题的本质吗?”

我是在日本京都大学读的本科和硕士,从大四开始接触研究,导师是长尾真(Makoto Nagao)教授,方向是自然语言处理。长尾先生在自然语言处理领域做了一系列开创性的工作,在学术界很有影响。他后来成为京都大学校长,现在是日本国会图书馆馆长。长尾先生是我的启蒙导师,我从他身上学到许多东西,让我印象深的是他经常强调做本质研究的重要性。在研究例会上,我们向他介绍研究的进展,他经常会问这样一个问题:“你觉得这是问题的本质吗?”当时,我对这一点理解并不很深。后来在自己的研究工作中,越来越体会到它的重要,对问题本质的探索其实是做科学研究的精髓!

2.什么是本质的研究

真正的科学研究是探明问题本质的研究,其成果应该有以下几个特点:

(1)经得起实践检验;

(2)有坚实的理论基础;

(3)简单明了;

(4)实用的(仅限于工学)。

因为如此,本质的研究才是有生命力的。

波普尔(Karl Popper)是二十世纪最著名的哲学家、思想家之一,他的“可证伪性(falsifiability)”理论在西方产生了巨大影响。波普尔认为任何学说要成为科学理论,其必要条件是它必须是可证伪的,也就是说我们可以通过反例来验证其真伪。“天鹅是白的”这个命题是可证伪的。如果找到一只黑色的天鹅,这个命题就会被证明是错的。“如果我从小开始学钢琴,现在一定能够成为一名钢琴家”,这个命题是不可证伪的,现在的“我”无法重新走一遍人生,也就无法验证其真伪。只有经过无数次验证,不能被推翻的理论才能成为科学。即使是成为科学的理论,某种意义上仍然是假说。万有引力定律也好,相对论也好,只是目前没有被推翻的、现在暂时被大家承认的“假说”。亚里士多德的学说被人们当作真理达一千多年,后来发现它是错的。谁能保证我们现在坚信的学说将来不被证伪?科学家的正确态度应该是,不断试图推翻自己建立的学说,寻求对自己学说的批评,探究更正确的学说。只有这样,我们才能不断接近真理。波普尔的哲学因此被称为批判的理性主义。

我们现在谈到科学,往往意味着真理。好像科学就是真理,真理就是科学。其实,十八世纪产生于欧洲的科学,即所谓的science,是狭义的科学,仅指物理、化学、生物等学科。科学是数学化的自然学,工学是数学化的技术学。科学的目的在于探求自然的奥秘,工学的目的在于改变人类的生活。但是,两者都需要抽象,都需要建立数学模型。中国历史上有很多了不起的工匠,完成了长城、大运河、故宫等伟大工程,但是缺的是把技术总结上升为理论的想法。工匠们死了,他们的手艺也就失传了。

科学与工学需要抽象,就是说把最核心的概念提取出来,忽略其它要素。在考虑物体运动时,我们把物体看作“质点”,因为这时物体的其它特性都是不重要的。抽象也意味着一定的近似。做万有引力实验的时候,是不可能造出一个只有两个物体相互吸引,而没有其它物体干扰的实验环境的。如果我们要精确地验证万有引力定律,往往发现实验结果与理论并不完全相符。因为世界错综复杂,研究中的近似总是必要的。同时,科学与工学需要数学模型化,只有建立在数学理论基础上的科学、工学才具有普遍意义,因为数学是系统的、严格的。

本质的东西往往是简单的。所谓奥卡姆剃刀原理,主张在所有可能解释现象的理论或模型中简单的理论或模型是最好的。

爱因斯坦说:“Make everything as simple as possible, but not simpler”(尽量把所有事情变得简单,以致不能更简单)。他的 E = m c^2 公式是个典型的例子。为什么会有奥卡姆剃刀这样的普遍原理存在,不得而知。从统计机器学习的角度来看,是可以解释的。复杂模型往往会对已有数据进行很好的预测,但对未知数据的预则就会有很大误差,相反,简单模型对已有数据的预则并不那么好,但往往拥有更好的推广能力,对未知数据的预测会更准。

数学、物理、化学、生物等研究不需要考虑实用,但是工学研究是要考虑实用的。这里有一个笑话:一个醉鬼天黑时在路灯下找东西,别人问他:“你在找什么?”他说:“我在找钥匙。”问:“你在哪里丢的钥匙?”答:“那边。”问:“那为什么在这边找?”答:“因为这边比较亮。”实用研究切忌“在已有的灯光下找东西”,它必须是因所要解决的问题而驱动的。

抓住本质的研究是有生命力的。波尔兹曼提出了熵的概念,阐明了热力学第二定律的统计特性,是热力学的奠基人。但是,最初他提出这个理论的时候,得到的却是同行们的猛烈抨击;大家并不认同他的学说。波尔兹曼晚年忧郁沮丧,用手枪结束了自己的生命。波尔兹曼长眠于维也纳,墓志铭非常简单,仅写着熵的定义式:S = k log W;但这是对他一生最好的总结。波尔兹曼的生命是短暂的,但他的理论却是永恒的。

3.如何做本质的研究?

怎样才能做本质的研究呢?前辈们曾分享过他们的观点。

胡适提出:大胆的假设,小心的求证。这句话很好地概括了研究的两个基本步骤。首先要能标新立异,不断提出新的问题、新的想法。之后,要能对提出的假说做严格的论证或实验,去伪存真。曾在博文《科学家的小故事》中谈到科学家的基本素质,其中包括想象丰富,思想深刻。这两点是科研工作者必备的,也是科研工作有别于其他工作的地方,因为只有想象丰富,思想深刻,才能去大胆假设,小心求证。卡耐基·梅隆大学金出武雄(Takeo Kanade)教授著书《像外行一样思考,像专家一样实践》,提出同样的想法,并给出很多具体实施方案。

笛卡尔提出:怀疑一切。在他的《方法论》中,笛卡尔说: “我相信的第一个法则是,如果不是确信如此,不承认任何事情为真”(The first law I believed was never to accept anything for true which I did not clearly know to be such. )不能因为是权威人士说的,大家公认的,就一定正确,并不加思索地接受。怀疑一切的态度在研究中是不可缺少的。

有一位日本教授总结了做研究的三阶段:守、破、离。对科研工作者,特别是研究生有很好的启迪作用。研究在于创新,但是上来就否定已有的理论、方法,多半会走弯路,因为你对已有的科研成果理解不够。应该采取的策略是:

1.守,先假设已有的理论、方法是正确的,谦虚地学习并掌握它们;

2.破,发现已有理论、方法的问题缺点;

3.离,建立自己的新理论、新方法,甚至是全新的理论、方法。

另外,功底扎实也是做好研究的必要条件。

可以看到:做研究不难,做好的研究难!正如开发产品一样:做产品不难,做好的产品难。

(作者介绍:李航博士,微软亚洲研究院互联网搜索与挖掘组高级研究员及主任研究员。日本京都大学电气工程系毕业,日本东京大学计算机科学博士。研究方向包括信息检索,自然语言处理,统计机器学习,及数据挖掘。)

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