机器学习综述

Posted 2022-12-11 未央夜色

基本概念

机器学习(Machine Learning, ML)是一门多领域交叉学科，涉及概率论、统计学、逼近论、凸分析、算法复杂度理论等多门学科。专门研究计算机怎样模拟或实现人类的学习行为，以获取新的知识或技能，重新组织已有的知识结构使之不断改善自身的性能。
基本目标是学习一个x->y的函数（映射），来做分类或者回归的工作。
“用机器学习的方法来进行数据挖掘。”机器学习是一种方法；数据挖掘是一件事情；还有一个相似的概念就是模式识别，这也是一件事情。

算法的评价标准

• 准确率
• 速度
• 强壮性 数据出现噪音/缺失值情况下是否表现正常
• 可规模性 考察在大规模数据情况下会不会出现异常
• 可解释性 算法作出特征值选择和归类的时候，能不能解释为日常生活的情况

监督学习/非监督学习

• 监督学习，通过已有的训练样本（即已知数据以及其对应的输出）去训练得到一个最优模型（这个模型属于某个函数的集合，最优则表示在某个评价准则下是最佳的），再利用这个模型将所有的输入映射为相应的输出，对输出进行简单的判断从而实现分类的目的，也就具有了对未知数据进行分类的能力。
• 无监督学习，它与监督学习的不同之处，在于我们事先没有任何训练样本，而需要直接对数据进行建模。无监督学习里典型的例子就是聚类了。聚类的目的在于把相似的东西聚在一起，而我们并不关心这一类是什么。
• 二者的中间带就是半监督学习（semi-supervised learning）。对于半监督学习，其训练数据的一部分是有标签的，另一部分没有标签，而没标签数据的数量常常极大于有标签数据数量（这也是符合现实情况的）。隐藏在半监督学习下的基本规律在于：数据的分布必然不是完全随机的，通过一些有标签数据的局部特征，以及更多没标签数据的整体分布，就可以得到可以接受甚至是非常好的分类结果。
• 二者的区别：是否有监督（supervised），就看输入数据是否有标签（label）。输入数据有标签，则为有监督学习，没标签则为无监督学习。所谓的监督学习，其本质就是找到特征和标签间的关系（mapping）。这样当有特征而无标签的未知数据输入时，我们就可以通过已有的关系得到未知数据标签。
• 标称型：标称型目标变量的结果只在有限目标集中取值，如真与假(标称型目标变量主要用于分类)
• 数值型：数值型目标变量则可以从无限的数值集合中取值，如0.100，42.001等 (数值型目标变量主要用于回归分析)

标签的获取是非常困难的，所以非监督和半监督也很常见

分类/回归/聚类

特征：样本的属性
标签：样本结果的分类
学习：本质是把特征映射到标签中。（mapping）

分类和回归的区别在于输出变量的类型。
- 定性输出称为分类，或者说是离散变量预测。
- 分类算法的核心，是找到一个从样本到标签的映射（mapping）
- 分类器的功能就是实现这个映射
- 定量输出称为回归，或者说是连续变量预测

欠拟合过拟合

过拟合

在训练集上的表现很好，但是在验证集上的表现很差，泛化能力不足。

原因

• 数据噪声
• 数据不足
• 模型过度复杂

解决

• 优化正则项
• 修改模型

机器学习的过程都是一个找到一个模式，让他的损失函数最小。
然后将该模型泛化于其他所有数据
这是ML的本质

欠拟合

在两个集上的表现都差，损失函数非常大

原因：

• 数据不足

解决

• 优化损失函数

我的学习

我是从0开始学ml，这里记录的是我一些心得体会和总结。
主要的参考资料：

• 机器学习实战
• 集体智慧编程
• 机器学习（西瓜书）
• 统计学习方法
• 一些优秀的博客，论文
• 吴恩达的公开课
• sklearn的官方文档（重要）

主要用的语言是python，以及sklearn，numpy，panda包。
文章和内容主要是偏向于工程的，机器学习博大精深，能学多少是多少。

在工程中，经验和对业务的理解非常重要。有时候可能达到数量级上的提升。

训练集：用于训练模型的数据
测试集：用于验证模型正确性的数据