机器学习中比较重要的几个概念

Posted 2021-02-11 hunttown

一、Python
1、Numpy
NumPy(Numerical Python) 是 Python 语言的一个扩展程序库，支持大量的维度数组与矩阵运算，此外也针对数组运算提供大量的数学函数库。

2、Pandas
pandas 是基于 Numpy 构建的含有更高级数据结构和工具的数据分析包类似于 Numpy 的核心是 ndarray，pandas 也是围绕着 Series 和 DataFrame 两个核心数据结构展开的 。Series 和 DataFrame 分别对应于一维的序列和二维的表结构。

3、Matplotlib
Matplotlib 可能是 Python 2D-绘图领域使用最广泛的套件。它能让使用者很轻松地将数据图形化，并且提供多样化的输出格式。

4、Sklearn
Sklearn是机器学习中一个常用的python第三方模块，对一些常用的机器学习方法进行了封装，在进行机器学习任务时，并不需要每个人都实现所有的算法，只需要简单的调用sklearn里的模块就可以实现大多数机器学习任务。
机器学习任务通常包括分类（Classification）和回归（Regression），常用的分类器包括SVM、KNN、贝叶斯、线性回归、逻辑回归、决策树、随机森林、xgboost、GBDT、boosting、神经网络NN。常见的降维方法包括TF-IDF、主题模型LDA、主成分分析PCA等等。

 

二、机器学习

1、one-hot
独热编码即 One-Hot 编码，又称一位有效编码，对于每一个特征，如果它有m个可能值，那么经过独热编码后，就变成了m个二元特征。并且，这些特征互斥，每次只有一个激活。
直观来说就是有多少个状态就有多少比特，而且只有一个比特为1，其他全为0的一种码制。

2、监督学习
训练样本数据中，每个样本都带有正确答案。
例如：预测数值型数据的回归、预测分类标签的分类、预测顺序的排列。

3、无监督学习
训练数据中，每个样本都没有正确答案。
例如：聚类（相似点）、异常检测（异常点）。

4、N-gram
N-gram模型是一种语言模型（Language Model，LM），语言模型是一个基于概率的判别模型，它的输入是一句话（单词的顺序序列），输出是这句话的概率，即这些单词的联合概率（joint probability）。
例如：我说“上火”、“金罐”这两个词，你能想到的下一个词应该更可能“加多宝”，而不是“可口可乐”。N-gram正是基于这样的想法，它的第一个特点是某个词的出现依赖于其他若干个词，第二个特点是我们获得的信息越多，预测越准确。
这就好像，我们每个人的大脑中都有一个N-gram模型，而且是在不断完善和训练的。我们的见识与经历，都在丰富着我们的阅历，增强着我们的联想能力。

5、激活函数
它们将非线性特性引入到我们的网络中。
举例：如果不用激活函数，每一层输出都是上层输入的线性函数，无论神经网络有多少层，输出都是输入的线性组合，这种情况就是最原始的感知机（Perceptron）。
如果使用的话，激活函数给神经元引入了非线性因素，使得神经网络可以任意逼近任何非线性函数，这样神经网络就可以应用到众多的非线性模型中。

6、Sigmoid函数（最常用的激活函数）
Sigmoid函数是一个在生物学中常见的S型函数，也称为S型生长曲线。在信息科学中，由于其单增以及反函数单增等性质，Sigmoid函数常被用作神经网络的阈值函数，将变量映射到[0,1]之间。

7、Softmax
或称归一化指数函数。他把一些输入映射为0-1之间的实数，并且归一化保证和为1，因此多分类的概率之和也刚好为1。
softmax由两个单词组成，其中一个是max，max即最大值；另一个单词soft，即最后的输出是每个分类被取到的概率。

8、归一化
归一化（标准化）方法有两种形式，一种是把数变为（0，1）之间的小数，一种是把有量纲表达式变为无量纲表达式。主要是为了数据处理方便提出来的，把数据映射到0～1范围之内处理。

模型归一化后的好处：
　　1、提升模型的收敛速度。
　　2、提升模型的精度。

9、损失函数
损失函数的定义是什么：衡量模型模型预测的好坏。
在解释下，损失函数就是用来表现预测与实际数据的差距程度。
例如：你做一个线性回归，实际值和你的预测值肯定会有误差，那么我们找到一个函数表达这个误差就是损失函数。

10、梯度下降/上升
梯度下降是迭代法的一种,可以用于求解最小二乘问题(线性和非线性都可以)。在求解机器学习算法的模型参数，即无约束优化问题时，梯度下降（Gradient Descent）是最常采用的方法之一，另一种常用的方法是最小二乘法。
在求解损失函数的最小值时，可以通过梯度下降法来一步步的迭代求解，得到最小化的损失函数和模型参数值。反过来，如果我们需要求解损失函数的最大值，这时就需要用梯度上升法来迭代了。

11、学习率(Learning rate)
监督学习以及深度学习中重要的超参，其决定着目标函数能否收敛到局部最小值以及何时收敛到最小值。合适的学习率能够使目标函数在合适的时间内收敛到局部最小值。
以梯度下降为例，为了使梯度下降法有较好的性能，我们需要把学习率的值设定在合适的范围内。学习率决定了参数移动到最优值的速度快慢。如果学习率过大，很可能会越过最优值；反而如果学习率过小，优化的效率可能过低，长时间算法无法收敛。所以学习率对于算法性能的表现至关重要。

12、负采样
自然语言处理领域中，判断两个单词是不是一对上下文词（context）与目标词（target），如果是一对，则是正样本，如果不是一对，则是负样本。

13、哈夫曼树
给定n个权值作为n个叶子结点，构造一棵二叉树，若该树的带权路径长度达到最小，称这样的二叉树为最优二叉树，也称为哈夫曼树(Huffman Tree)。哈夫曼树是带权路径长度最短的树，权值较大的结点离根较近。

14、MapReduce之Combiner
　　1、Combiner是MR程序中Mapper和Reduce之外的一种组件。
　　2、Combiner组件的父类就是Reducer。
　　3、Combiner和Reducer之间的区别在于运行的位置。
　　4、Reducer是每一个接收全局的MapTask 所输出的结果。
　　5、Combiner是在MapTask的节点中运行。
　　6、每一个map都会产生大量的本地输出，Combiner的作用就是对map输出的结果先做一次合并，以较少的map和reduce节点中的数据传输量。
　　7、Combiner的存在就是提高当前网络IO传输的性能，也是MapReduce的一种优化手段。
　　8、Combiner就是一次Reducer类中reduce方法的实现，所以这里的KV需要和Reducer的KV是一致的实际开发一定是先实现Mapper之后，知道了KV，然后再根据需要实现自定义的Combiner中的KV。

15、Hadoop之Shuffle过程
Shuffle过程是MapReduce的核心，描述着数据从map task输出到reduce task输入的这段过程。
Hadoop的集群环境，大部分的map task和reduce task是执行在不同的节点上的，那么reduce就要取map的输出结果。那么集群中运行多个Job时，task的正常执行会对集群内部的网络资源消耗严重。虽说这种消耗是正常的，是不可避免的，但是，我们可以采取措施尽可能的减少不必要的网络资源消耗。另一方面，每个节点的内部，相比于内存，磁盘IO对Job完成时间的影响相当的大。

从以上分析，shuffle过程的基本要求：
　　1、完整地从map task端拉取数据到reduce task端
　　2、在拉取数据的过程中，尽可能地减少网络资源的消耗
　　3、尽可能地减少磁盘IO对task执行效率的影响

16、Word2vec中的CBOW与Skip-Gram模型
先验概率：是指根据以往经验和分析得到的概率，如全概率公式，它往往作为"由因求果"问题中的"因"出现的概率。
后验概率：是指在得到“结果”的信息后重新修正的概率，是“执果寻因”问题中的"果"。

N-gram：
先验概率和后验概率已经知道了，但是一个句子很长，对每个词进行概率计算会很麻烦，于是有了n-gram模型。
该模型基于这样一种假设，第N个词的出现只与前面N-1个词相关，而与其它任何词都不相关，整句的概率就是各个词出现概率的乘积。
一般情况下我们只计算一个单词前后各两个词的概率，即n取2, 计算n-2,.n-1,n+1,n+2的概率。
如果n=3，计算效果会更好；n=4，计算量会变得很大。

Cbow：
cbow输入是某一个特征词的上下文相关的词对应的词向量，而输出就是这特定的一个词的词向量，即先验概率。
训练的过程如下图所示，主要有输入层(input)，映射层(projection)和输出层(output)三个阶段。

Skip-gram：
Skip-Gram模型和CBOW的思路是反着来的，即输入是特定的一个词的词向量，而输出是特定词对应的上下文词向量，即后验概率。

17、Word2vec中的Negative Sampling模型
word2vec训练方法和传统的神经网络有所区别，主要解决的是softmax计算量太大的问题，采用Hierarchical Softmax和Negative Sampling模型。
word2vec中cbow,skip-gram都是基于huffman树然后进行训练，左子树为1右子树为0，同时约定左子树权重不小于右子树。
其中，根节点的词向量对应我们的投影后的词向量，而所有叶子节点就类似于之前神经网络softmax输出层的神经元，叶子节点的个数就是词汇表的大小。在霍夫曼树中，隐藏层到输出层的softmax映射不是一下子完成的，而是沿着霍夫曼树一步步完成的，因此这种softmax取名为"Hierarchical Softmax"。

 

三、Spark
1、Sprak中的RDD
RDD（Resilient Distributed Dataset）叫做弹性分布式数据集，是Spark中最基本的数据抽象，它代表一个不可变、可分区、里面的元素可并行计算的集合。RDD具有数据流模型的特点：自动容错、位置感知性调度和可伸缩性。RDD允许用户在执行多个查询时显式地将工作集缓存在内存中，后续的查询能够重用工作集，这极大地提升了查询速度。

2、RDD、DataFrame、Dataset的共性和区别：
共性：
　　1、RDD、DataFrame、Dataset全都是spark平台下的分布式弹性数据集，为处理超大型数据提供便利
　　2、三者都有惰性机制，在进行创建、转换，如map方法时，不会立即执行，只有在遇到Action如foreach时，三者才会开始遍历运算，极端情况下，如果代码里面有创建、转换，但是后面没有在Action中使用对应的结果，在执行时会被直接跳过。
　　3、三者都会根据spark的内存情况自动缓存运算，这样即使数据量很大，也不用担心会内存溢出
　　4、三者都有partition的概念，这样对每一个分区进行操作时，就跟在操作数组一样，不但数据量比较小，而且可以方便的将map中的运算结果拿出来，如果直接用map，map中对外面的操作是无效的。
　　5、三者有许多共同的函数，如filter，排序等
　　6、在对DataFrame和Dataset进行操作许多操作都需要这个包进行支持
　　7、DataFrame和Dataset均可使用模式匹配获取各个字段的值和类型

区别：
RDD：
　　1、RDD一般和spark mlib同时使用
　　2、RDD不支持sparksql操作

DataFrame：
　　1、与RDD和Dataset不同，DataFrame每一行的类型固定为Row，只有通过解析才能获取各个字段的值。
　　2、DataFrame与Dataset一般与spark ml同时使用
　　3、DataFrame与Dataset均支持sparksql的操作，比如select，groupby之类，还能注册临时表/视窗，进行sql语句操作。
　　4、DataFrame与Dataset支持一些特别方便的保存方式，比如保存成csv，可以带上表头，这样每一列的字段名一目了然。

Dataset：
这里主要对比Dataset和DataFrame，因为Dataset和DataFrame拥有完全相同的成员函数，区别只是每一行的数据类型不同。
DataFrame也可以叫Dataset[Row],每一行的类型是Row，不解析，每一行究竟有哪些字段，各个字段又是什么类型都无从得知，只能用上面提到的getAS方法或者共性中的第七条提到的模式匹配拿出特定字段。而Dataset中，每一行是什么类型是不一定的，在自定义了case class之后可以很自由的获得每一行的信息。

（待续整理）