大模型應(yīng)用開發(fā)-走進(jìn)向量數(shù)據(jù)

在大數(shù)據(jù)和人工智能席卷全球的今天，我們的生活幾乎被各種數(shù)據(jù)包圍。大家都知道數(shù)據(jù)很重要，但有一種數(shù)據(jù)卻常常被大家忽視，它就像是隱身在幕后，但卻掌控全局的“數(shù)據(jù)超人”——它就是向量數(shù)據(jù)。向量數(shù)據(jù)是什么？向量數(shù)據(jù)庫顧名思義就是存儲(chǔ)向量的，它又有什么作用？今天我們就走進(jìn)向量數(shù)據(jù)的世界，看看它到底是什么，能做些什么，為什么它在當(dāng)今的人工智能時(shí)代如此重要。

什么是向量

首先，我們得搞清楚什么是向量。其實(shí)向量這個(gè)詞并不復(fù)雜，別被數(shù)學(xué)課上的那些公式嚇到了。簡單來說，向量是一種可以表示方向和大小的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它可以是二維、三維，甚至是多維的。比如，我們在地圖上定位一個(gè)位置，需要經(jīng)緯度，這就是一個(gè)二維向量。而如果你在太空中飛行，那就得加上高度，變成三維向量。

然而，在計(jì)算機(jī)世界中，我們可以創(chuàng)建任意多維度的向量。比如，當(dāng)你在看一部電影的時(shí)候，某個(gè)推薦算法可能會(huì)把電影的各種特征（如類型、演員、評(píng)分等）轉(zhuǎn)換成一個(gè)高維向量。這個(gè)向量代表了電影的特性，讓機(jī)器能更好地理解它。這種高維向量被用來進(jìn)行各種運(yùn)算、匹配，最終推薦給你最合適的內(nèi)容。

向量數(shù)據(jù)的技術(shù)原理

要理解向量數(shù)據(jù)，得先從它的技術(shù)原理講起。向量數(shù)據(jù)通常是數(shù)值化的，這意味著它們被表示為一組數(shù)字。例如，在自然語言處理（NLP）中，一個(gè)詞可以被表示為一個(gè)300維的向量。每個(gè)數(shù)字代表這個(gè)詞在一個(gè)特定語境下的某種特征。這種方法被稱為詞向量（Word Embedding）。

01、詞向量

詞向量是如何生成的呢？最經(jīng)典的方法之一是Word2Vec，這是一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，可以學(xué)習(xí)詞與詞之間的關(guān)系。舉個(gè)例子，它能夠明白“國王”與“王后”的關(guān)系類似于“男人”與“女人”的關(guān)系。通過這種訓(xùn)練，模型能夠把每個(gè)詞映射到一個(gè)多維空間中，并用一個(gè)向量表示它們的意義。

如果我們每個(gè)詞都是一位客人，那詞向量就像是給每位客人一個(gè)身份證號(hào)，只不過這個(gè)身份證號(hào)不只是一個(gè)數(shù)字，而是一組數(shù)字。這組數(shù)字能幫我們把“詞”的特點(diǎn)和它們之間的關(guān)系記錄下來。

詞向量是通過一種叫做“分布式表示”的方法，將每一個(gè)單詞用一個(gè)向量（其實(shí)就是一個(gè)包含多維數(shù)值的列表）表示出來的。這樣，我們可以用數(shù)學(xué)的方法來計(jì)算單詞之間的關(guān)系。

比如：

有三個(gè)單詞：”國王”、“王后”和“男人”。通過詞向量，我們可以把這些詞放到一個(gè)“空間”里，空間中的位置代表詞語的意義。我們發(fā)現(xiàn)，“國王”和“王后”之間的差異（比如性別）其實(shí)和“男人”和“女人”之間的差異很類似。也就是說，如果我們用向量來表示這些單詞的話：

“國王” = [0.7, 0.2, 0.9, ...]

“王后” = [0.6, 0.2, 0.8, ...]

“男人” = [0.5, 0.1, 0.9, ...]

“女人” = [0.4, 0.1, 0.8, ...]

那么我們可以發(fā)現(xiàn)，“國王” 減去 “男人” 的向量，跟 “王后” 減去 “女人” 的向量差不多——這就反映了“性別”這個(gè)關(guān)系。

如果用數(shù)學(xué)公式來寫的話：

詞向量(國王) - 詞向量(男人) ≈ 詞向量(王后) - 詞向量(女人)

詞向量就是把每個(gè)單詞用一串?dāng)?shù)字表示出來，這樣我們就可以用數(shù)學(xué)的方法來計(jì)算單詞之間的相似度、關(guān)系等等。它的好處是，能讓機(jī)器更好地理解我們?nèi)祟惖恼Z言之間的那些微妙關(guān)系，哪怕這些關(guān)系很復(fù)雜。通過詞向量，計(jì)算機(jī)不僅能知道“國王”和“王后”是近親，還能知道“男人”與“女人”的關(guān)系有些類似。

02、詞嵌入

這就像是在一個(gè)高維度的宇宙中，我們把每個(gè)詞、每個(gè)概念都變成了宇宙中的一個(gè)星星。相似的星星會(huì)彼此靠近，而不相關(guān)的則會(huì)遠(yuǎn)離。比如，“貓”與“狗”之間的向量距離就比“貓”與“飛機(jī)”要近得多。

詞向量就是把每個(gè)單詞用一串?dāng)?shù)字表示出來，這樣我們就可以用數(shù)學(xué)的方法來計(jì)算單詞之間的相似度、關(guān)系等等。它的好處是，能讓機(jī)器更好地理解我們?nèi)祟惖恼Z言之間的那些微妙關(guān)系，哪怕這些關(guān)系很復(fù)雜。通過詞向量，計(jì)算機(jī)不僅能知詞嵌入（Word Embedding）其實(shí)是“詞向量”的一種實(shí)現(xiàn)方式。它是把單詞映射到一個(gè)高維的數(shù)學(xué)空間中，用一個(gè)向量來表示每個(gè)單詞，就好像給每個(gè)單詞分配了一個(gè)坐標(biāo)。這種方法讓機(jī)器可以用數(shù)學(xué)的方式去理解和處理語言。

這么說可能有點(diǎn)抽象，我們換種方式：

詞嵌入就像是給每個(gè)單詞找了一個(gè)“家”，這些“家”都住在一個(gè)巨大的多維空間里。在這個(gè)空間里，意思相近的單詞就住得很近，比如“貓”和“狗”可能是鄰居，因?yàn)樗鼈兌际菍櫸?，而“飛機(jī)”住得遠(yuǎn)一些，因?yàn)樗鼘儆诮煌üぞ叩姆懂牎?/p>

我們來舉個(gè)例子，讓它更容易理解：

假設(shè)我們有以下幾個(gè)詞：“貓”、“狗”、“飛機(jī)”、“老虎”。我們用詞嵌入的方法，把它們分別映射到一個(gè)三維空間（就像給每個(gè)詞分配一個(gè)三維坐標(biāo)）：

“貓” = [0.5, 0.2, 0.8]

“狗” = [0.6, 0.3, 0.7]

“飛機(jī)” = [0.9, 0.1, 0.6]

“老虎” = [0.1, 0.9, 0.2]

在這個(gè)空間中，你可以看到“貓”和“狗”的坐標(biāo)很接近，表示它們的意思也很接近。而“飛機(jī)”則離它們比較遠(yuǎn)，因?yàn)樗鼈兊暮x差別很大。

03、向量距離與相似度

說到這里，我們就必須提到向量的另一個(gè)重要概念——向量距離。通過計(jì)算兩個(gè)向量之間的距離，我們可以知道它們有多相似。最常用的方法之一是余弦相似度，它通過計(jì)算兩個(gè)向量之間的夾角余弦值來評(píng)估它們的相似度。

如果兩個(gè)向量的方向幾乎一致，那么余弦相似度接近1，它們就很相似。反之，如果夾角接近90度（余弦值接近0），那么它們就幾乎不相干。這種方法在推薦系統(tǒng)、圖像識(shí)別、自然語言處理等領(lǐng)域中都有廣泛應(yīng)用。

向量距離和相似度是什么？

向量距離和相似度是用來衡量兩個(gè)向量（比如詞向量）之間的關(guān)系的。它們可以幫助我們判斷兩個(gè)單詞在語義上有多相近或者多不同。

1. 向量距離：

向量距離可以理解為兩個(gè)向量（兩個(gè)詞在向量空間中的位置）之間的“距離”。如果距離很短，那這兩個(gè)向量代表的詞語意思很相近；距離很長，則表示它們的意思相差很大。

2. 相似度：

相似度是用來衡量兩個(gè)向量在多大程度上“朝向”同一個(gè)方向。它不關(guān)心兩個(gè)向量之間的實(shí)際距離，而是看它們的方向是否一致。相似度通常用“余弦相似度”來衡量。

比如：

詞向量的世界就像是一個(gè)地圖。我們把貓、狗、飛機(jī)放在這個(gè)地圖上：

貓和狗住得很近，它們在這個(gè)地圖上的距離也很短；

貓和飛機(jī)之間的距離就很遠(yuǎn)。

這樣，我們就可以說貓和狗之間的向量距離小，相似度高；而貓和飛機(jī)的距離大，相似度低。

向量距離的幾種常用方法

歐氏距離（Euclidean Distance）：

這是我們生活中最常見的距離概念。假如貓?jiān)谧鴺?biāo)（1, 2），狗在坐標(biāo)（2, 3），那么歐氏距離就是根據(jù)兩點(diǎn)之間的直線距離計(jì)算出來的。距離越小，表示它們在語義上越接近。

曼哈頓距離（Manhattan Distance）：

如果你在一座城市的街區(qū)之間穿行，那么你只能沿著街道直角行走，這就是曼哈頓距離的計(jì)算方式。它是計(jì)算兩個(gè)向量之間橫向和縱向距離的總和。

相似度的計(jì)算方法：余弦相似度

余弦相似度是用來衡量兩個(gè)向量在多大程度上“朝著”同一個(gè)方向的。它計(jì)算的是向量之間夾角的余弦值。

如果兩個(gè)向量的方向完全一致，那么余弦相似度就是1（表示完全相同）。

如果它們的方向完全相反，余弦相似度就是-1（表示完全不相同）。

如果它們的方向垂直，余弦相似度就是0（表示沒有相似性）。

舉個(gè)具體的例子：

假如國王和王后的向量在一個(gè)多維空間中，它們的向量可能有這樣的值：

“國王” = [0.5, 0.2, 0.9]

“王后” = [0.5, 0.3, 0.8]

我們可以用余弦相似度來計(jì)算它們之間的相似性。因?yàn)檫@兩個(gè)詞表示的含義比較相近，所以它們的余弦相似度會(huì)接近1。

向量距離：表示兩個(gè)詞之間的“遠(yuǎn)近”關(guān)系，距離越小，表示它們的意思越接近。

相似度：表示兩個(gè)詞在“朝向”上的一致性，用余弦相似度來計(jì)算時(shí)，值越接近1，表示它們越相似。

向量的存儲(chǔ)-向量數(shù)據(jù)庫

什么是向量數(shù)據(jù)庫？

我們每天都會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，比如圖片、視頻、文本等等。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫在存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)時(shí)，主要依賴于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的方式，就像是把每個(gè)物品放在一個(gè)有標(biāo)簽的盒子里。可是，當(dāng)我們遇到一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)，比如圖像或自然語言文本時(shí)，這種方法就顯得有些捉襟見肘了。

這時(shí)，向量數(shù)據(jù)庫便應(yīng)運(yùn)而生！簡單來說，向量數(shù)據(jù)庫是專門為存儲(chǔ)和檢索高維數(shù)據(jù)（即向量）而設(shè)計(jì)的。它能將復(fù)雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為向量表示，然后進(jìn)行高效的存儲(chǔ)和檢索。

向量數(shù)據(jù)庫的工作原理？

向量數(shù)據(jù)庫的工作原理很簡單。首先，它會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為向量表示（通過深度學(xué)習(xí)模型等技術(shù)），然后將這些向量存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)我們需要檢索某個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)庫會(huì)計(jì)算這個(gè)數(shù)據(jù)向量與存儲(chǔ)向量之間的相似度（通常使用余弦相似度或歐氏距離等方法），最后返回最相似的結(jié)果。

一些流行的向量數(shù)據(jù)庫包括：

FAISS（Facebook AI Similarity Search）：高效的向量相似性搜索庫，適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)集。

Milvus：一個(gè)開源的、高性能的向量數(shù)據(jù)庫，支持深度學(xué)習(xí)應(yīng)用。

Pinecone：一個(gè)托管的向量數(shù)據(jù)庫服務(wù)，專注于易于使用和高性能的向量搜索。

AI?Agent?與向量數(shù)據(jù)庫

AI Agent 和向量數(shù)據(jù)庫之間的關(guān)系非常緊密，尤其是在構(gòu)建和使用現(xiàn)代 AI 系統(tǒng)時(shí)。向量數(shù)據(jù)庫在處理和存儲(chǔ)高維向量的過程中，能夠幫助 AI Agent 實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)搜索、匹配和分析。

1. 向量數(shù)據(jù)庫的作用

存儲(chǔ)高維向量：向量數(shù)據(jù)庫專門設(shè)計(jì)用于存儲(chǔ)和檢索高維向量數(shù)據(jù)。對(duì)于 AI Agent 而言，當(dāng)處理諸如文本、圖像、音頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)時(shí)，這些數(shù)據(jù)會(huì)被轉(zhuǎn)化為高維向量表示（embedding）。

快速相似度搜索：向量數(shù)據(jù)庫能夠?qū)Ω呔S向量執(zhí)行高效的近似最近鄰（ANN，Approximate Nearest Neighbor）搜索，使得 AI Agent 可以在大規(guī)模數(shù)據(jù)集中快速找到與輸入向量最相似的項(xiàng)。這樣可以加速推薦、問答系統(tǒng)以及其他需要相似性搜索的場景。

2. AI Agent 如何利用向量數(shù)據(jù)庫

Embedding 生成與存儲(chǔ)：AI Agent 可以使用深度學(xué)習(xí)模型（如 BERT、CLIP、DALL-E）將輸入數(shù)據(jù)（如文本、圖像）轉(zhuǎn)化為嵌入向量（embedding），并將這些嵌入向量存儲(chǔ)在向量數(shù)據(jù)庫中。

語義檢索：當(dāng)用戶提出查詢時(shí)，AI Agent 會(huì)將查詢轉(zhuǎn)化為向量，并在向量數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行相似度檢索，以找到與查詢最相關(guān)的條目。這適用于搜索引擎、問答系統(tǒng)、個(gè)性化推薦等。

知識(shí)存儲(chǔ)與推理：AI Agent 可以將從文檔、知識(shí)庫中提取的特征向量存入向量數(shù)據(jù)庫。隨后，AI Agent 可以利用這些向量數(shù)據(jù)進(jìn)行語義匹配，從而在需要時(shí)進(jìn)行知識(shí)調(diào)用和推理。