机器学习算法基础概念学习总结

Posted 2020-09-13

1.基础概念：

(1) 10折交叉验证：英文名是10-fold cross-validation，用来測试算法的准确性。

是经常使用的測试方法。将数据集分成10份。轮流将当中的9份作为训练数据。1分作为測试数据，进行试验。每次试验都会得出对应的正确率（或差错率）。10次的结果的正确率（或差错率）的平均值作为对算法精度的预计。一般还须要进行多次10折交叉验证，在求其平均值。对算法的准确性进行预计。

(2) 极大似然预计：极大似然预计。仅仅是一种概率论在统计学中的应用，它是參数评估的方法之中的一个。说的 已知某个随机样本满足某种概率分布，可是当中详细的參数不清楚。參数预计通过若干次实验，观察其结果，利用结果推出參数的大概值。

极大似然预计是建立在这种思想上的：已知某个參数能使这个样本出现的概率最大。

我们当然不会再去选择其它其它小概率的样本，所以干脆就把这个參数作为预计的真实值。 (3) 在信息论中，熵表示的是不确定性的量度。

信息论的创始人香农在其著作《通信的数学理论》中提出了建立在概率统计模型上的信息度量。他把信息定义为”用来消除不确定性的东西“。熵的定义为信息的期望值。
ps:熵指的是体系的混乱程度，它在控制论。概率论，数论，天体物理，生命科学等领域都有重要的应用，在不同的学科中也有引申出更为详细的定义。是各个领域十分重要的參量。

熵由鲁道夫.克劳修斯提出，并应用在热力学中。后来在，克劳德.埃尔伍德.香农 第一次将熵的概念引入到信息论中来。

(4) 后验概率是信息论的基本概念之中的一个。

在一个通信系统中，在收到某个消息之后，接收端所了解到的该消息发送的概率称为后验证概率。后验概率是指在得到”结果“的信息后又一次修正的概率，如贝叶斯公式中的。是执果寻因的问题。后验概率和先验概率有着不可切割的联系。后验的计算要以先验概率为基础。事实上说白了后验概率事实上就是条件概率。

(5) PCA 主成分分析:
长处：减少数据的复杂性，识别最重要的多个特征。
缺点：不一定须要。且可能损失实用信息。
适用适用类型：数值型数据。
技术类型：降维技术。

简述：在PCA中。数据从原来的坐标系转换到了新的坐标系，新坐标系的选择是由数据本身决定的。第一个新坐标轴选择时原始数据中方差最大的方向。第二个新坐标轴的选择和第一个坐标轴正交且具有最慷慨差的方向。该过程一直反复，反复次数为原始数据中特征的数目。

会发现大部分方差都包括在最前面的几个新坐标轴中。因此，能够忽略余下的坐标轴。即对数据进行了降维处理。除了PCA主成分分析技术。其它降维技术还有ICA(独立成分分析)，因子分析等。

(6) 将不同的分类器组合起来，而这样的组合结果则被称为集成方法（ensemble method）或者元算法（meta-algorithm）。

(7) 回归算法和分类算法非常像，只是回归算法和分类算法输出标称型类别值不同的是。回归方法会预測出一个连续的值。即回归会预測出详细的数据。而分类仅仅能预測类别。

(8) SVD(singular value decomposition) 神秘值分解:
长处：简化数据，去除噪声，提高算法的结果。
缺点：数据转换可能难以理解。
适用数据类型：数值型数据。
ps:SVD是矩阵分解的一种类型。
总结：SVD是一种强大的降维工具，我们能够利用SVD来逼近矩阵并从中提取重要特征。通过保留矩阵80%~90%的能量，就能够得到重要的特征并去掉噪声。SVD已经运用到多个应用中，当中一个成功的应用案例就是推荐引擎。

推荐引擎将物品推荐给用户。协同过滤则是一种基于用户喜好和行为数据的推荐和实现方法。协同过滤的核心是相似度计算方法。有非常多相似度计算方法都能够用于计算物品或用户之间的相似度。通过在低维空间下计算相似度，SVD提高了推荐引擎的效果。

(9)共线性：是指线性回归模型中的解释变量之间因为存在精确的相关关系或高度相关关系而使模型预计失真或难以预计。

2.基本算法

2.1 Logistic回归：
长处：计算代价不高，易于理解和实现。

缺点：easy欠拟合，分类精度可能不高。
适用数据类型：数值型和标称型数据。
类别：分类算法。
试用场景：解决二分类问题。

简述：Logistic回归算法基于Sigmoid函数，或者说Sigmoid就是逻辑回归函数。Sigmoid函数定义例如以下：1/（1+exp（-z))。函数值域范围(0,1)。能够用来做分类器。
Sigmoid函数的函数曲线例如以下：

逻辑回归模型分解例如以下： (1)首先将不同维度的属性值和相应的一组权重加和:
公式例如以下： z = w0+w1x1+w2x2+...+wm*xm。

（当中x1,x2,...,xm是某样本数据的各个特征，维度为m）
ps：这里就是一个线性回归。W权重值就是须要经过训练学习到的数值，详细W向量的求解，就须要用到极大似然预计和将似然预计函数代入到 优化算法来求解。

最经常使用的最后化算法有 梯度上升算法。

由上面可见：逻辑回归函数尽管是一个非线性的函数。但事实上其去除Sigmoid映射函数之后。其它步骤都和线性回归一致。
(2)然后将上述的线性目标函数 z 代入到sigmond逻辑回归函数，能够得到值域为（0,0.5)和（0.5,1）两类值，等于0.5的怎么处理还以自己定。这样事实上就得到了2类数据，也就体现了二分类的概念。

总结：Logistic回归的目的是寻找一个非线性函数Sigmoid的最佳拟合參数，參数的求解过程能够由最优化算法来完毕。

在最优化算法中。最经常使用的就是梯度上升算法，而梯度上升算法有能够简化为随机梯度上升算法。

2.2 SVM(Support Vector Machines) 支持向量机：
长处：泛化错误率低，计算开销不大，结果易解释。

缺点：对參数调节和核函数的选择敏感。原始分类器不加改动仅适用于处理二分类问题。

适用数据类型：数值型和标称型数据。
类别：分类算法。

试用场景：解决二分类问题。

简述：通俗的讲，SVM是一种二类分类模型，其基本模型定义为特征空间上的间隔最大的线性分类器，即支持向量机的学习策略便是间隔最大化。终于可转化为一个凸二次规划问题的求解。

或者简单的能够理解为就是在高维空间中寻找一个合理的超平面将数据点分隔开来，当中涉及到非线性数据到高维的映射以达到数据线性可分的目的。

支持向量概念：

上面样本图是一个特殊的二维情况。真实情况当然可能是非常多维。

先从低纬度简单理解一下什么是支持向量。从图中能够看到3条线。中间那条红色的线到其它两条先的距离相等。这条红色的就是SVM在二维情况下要寻找的超平面，用于二分类数据。而支撑另外两条线上的点就是所谓的支持向量。从图中能够看到，中间的超平面和另外两条线中间是没有样本的。

找到这个超平面后。利用超平面的数据数学表示来对样本数据进行二分类，就是SVM的机制了。

ps： 《机器学习实战》书中有这么几个概念：
(1)假设能找到一个直线（或多维的面）将样本点分开，那么这组数据就是线性可分的。将上述数据集分隔开来的直线(或多维的面)称为分隔超平面。分布在超平面一側的数据属于一个类别。分布在超平面还有一側的数据属于还有一个类别
(2)支持向量（Support vector）就是分离超平面近期的那些点。

(3)差点儿全部分类问题都能够使用SVM，值得一提的是。SVM本身是一个二分类分类器，对多类问题应用SVM须要对代码做一些改动。

公式：
SVM有非常多实现。可是本章值关注当中最流行的一种实现，及序列最小优化（Sequential Minimal Optimization。SMO）算法。

其公式例如以下：

SMO算法的目标是求出一些列的alpha。一旦求出了alpha。就非常easy计算出权重向量w并得到分隔超平面。

SMO算法的工作原理是：每次循环中选择两个alpha进行优化处理。

一旦找到一对合适的alpha。那么就增大当中一个同一时候减小还有一个。这里所谓的“合适”就是指两个alpha必须符合一定的条件，条件之中的一个就是这两个alpha必需要在间隔边界之外，而其第二个条件则是这两个alpha还没有进行过区间化处理或者不在边界上。

核函数将数据从低维度映射到高维：
SVM是通过寻找超平面将数据进行分类的。可是当数据不是线性可分的时候就须要利用核函数将数据从低维映射到高维使其线性可分后。在应用SVM理论。
演示样例： 
这个二维数据分布不是线性可分的，其方程为：

可是通过核函数维度映射后。其变为：

相应的方程为：

这样映射后的数据就变成了线性可分的。就能够应用SVM理论了。

总结：支持向量机是一种分类器。之所以成为“机”是由于他会产生一个二值决策结果，即它是一种‘决策’机。核方法或者说核技巧会将数据（有时是非线性数据）从一个低维空间映射到一个高维空间。能够将一个在低维空间中的非线性问题转换为高维空间下的线性问题来求解。

2.3 决策树
： 长处：计算复杂度不高，输出结果易于理解。对中间值的缺失不敏感。能够处理不相关特征数据。

缺点：可能会产生匹配过度问题。

适用数据类型：数值型和标称型。
算法类型：分类算法。

数据要求：树的构造仅仅适用于标称型的数据，因此数值型数据必须离散化。

简述：在构造决策树时。我们须要解决的第一个问题就是，当前数据集上哪个特征在划分数据分类时起决定性作用。为了找到决定性特征，划分出最好的结果，我们必须评估每一个特征。

完毕測试后。原始数据就被划分为几个数据子集。这些数据的子集分布在第一个决策点的全部分支上。假设某个分支下的数据属于同一个类型，则无需进一步对数据集进行分割。

反之则须要进一步分割。

创建分支的伪代码例如以下：

    检測数据集中的每一个子项是否属于同一分类：
        if so return 类标签；
        else
            寻找数据集的最好特征
            划分数据集
            创建分支结点
                for 每一个划分的子集
                    调用函数createBranch并添加返回结果到分支结点中
                return 分支结点

在能够评測哪种数据划分方式是最好的数据划分之前，我们必须学习怎样计算信息增益。集合的信息度量方式称为香农熵或者简称为熵。熵在信息论中定义为信息的期望值。
信息熵的计算公式为：
H(信息熵) = -∑ P（xi） log2P（xi） ps:当中p（xi）表示选择该分类的概率。

以下简述一下生成决策树的步骤：
(1) 依据给定的训练数据，依据熵最大原则依据每个维度来划分数据集。找到最关键的维度。

(2) 当某个分支下全部的数据都数据同一分类则终止划分并返回类标签。否则在此分支上反复实施(1)过程。

(3) 依次计算就将类标签构建成了一棵抉择树。
(4) 依靠训练数据构造了决策树之后，我们就能够将它用于实际数据的分类。
ps:当然生成决策树的算法不止这一个。还有其它一些生成决策树的方法，比方：C4.5和CART。

总结：
决策树分类器就像带有终止块的流程图。终止块表示分类结果。開始处理数据集时，我们首先须要測量集合中数据的不一致性，也就是熵，然后寻找最优的方案划分数据集，直到数据集中的全部数据属于同一个分类。

2.4 朴素贝叶斯：
长处：在数据较少的情况下仍然有效，能够处理多类别问题。
缺点：对于输入数据的准备方式较为敏感。
适用的数据类型：标称型数据。
算法类型：分类算法

简述：朴素贝叶斯是贝叶斯理论的一部分，贝叶斯决策理论的核心思想，即选择具有高概率的决策。朴素贝叶斯之所以冠以朴素开头，是由于其在贝叶斯理论的基础上做出了两点如果：
(1)每一个特征之间相互独立。
(2)每一个特征同等重要。
贝叶斯准则是构建在条件概率的基础之上的，其公式例如以下：

ps：P（H|X）是依据X參数值推断其属于类别H的概率，称为后验概率。P（H)是直接推断某个样本属于H的概率，称为先验概率。P（X|H)是在类别H中观測到X的概率（后验概率），P(X)是在数据库中观測到X的概率。可见贝叶斯准则是基于条件概率而且和观測到样本的先验概率和后验概率是分不开的。
总结：对于分类而言，使用概率有事要比使用硬规则更为有效。贝叶斯概率及贝叶斯准则提供了一种利用已知值来预计未知概率的有效方法。能够通过特征之间的条件独立性如果，减少对数据量的需求。虽然条件独立性的如果并不对。可是朴素贝叶斯仍然是一种有效的分类器。

2.5 K-近邻算法（KNN）:
长处：精度高、对异常值不敏感、无数据输入假定。

缺点：计算复杂度高。空间复杂度搞。
适用数据范围：数值型和标称型。

算法类型：分类算法。

简述：算法原理。存在一个样本数据集合，也称作训练样本集，而且样本集中每一个数据都存在标签。即我们知道样本集中每一个数据与所属分类的相应关系。输入没有标签的新数据后。将新数据的每一个特征和样本集中数据相应的特征进行比較，然后算法提取样本集中特征最相似数据（近期邻）的分类标签。一般来说。我们仅仅选择样本数据集中前k个最相似的数据，这就是k-近邻算法中k的出处，通常k是不大于20的整数。最后选择k个最相似数据中出现次数最多的分类，作为新数据的分类。

2.6 线性回归(Linear Regression)：
长处：结果易于理解，计算上不复杂。
缺点：对非线性数据拟合不好。
适用数据类型：数值型和标称型数据。
算法类型：回归算法。

ps:回归于分类的不同。就在于其目标变量时连续数值型。

简述：在统计学中，线性回归（Linear Regression）是利用称为线性回归方程的最小平方函数对一个或多个自变量和因变量之间关系进行建模的一种回归分析。

这样的函数是一个或多个称为回归系数的模型參数的线性组合（自变量都是一次方）。仅仅有一个自变量的情况称为简单回归，大于一个自变量情况的叫做多元回归。

线性方程的模型函数的向量表示形式为：

通过训练数据集寻找向量系数的最优解。即为求解模型參数。当中求解模型系数的优化器方法能够用“最小二乘法”、“梯度下降”算法。来求解损失函数：
 的最优值。

附加：岭回归（ridge regression）:
岭回归是一种专用于共线性数据分析的有偏预计回归方法，实质上是一种改良的最小二乘预计法，通过放弃最小二乘法的无偏性，以损失部分信息、减少精度为代价，获得回归系数更为符合实际、更可靠的回归方法。对病态数据的耐受性远远强于最小二乘法。

岭回归分析法是从根本上消除复共线性影响的统计方法。岭回归模型通过在相关矩阵中引入一个非常小的岭參数K（1>K>0），并将它加到主对角线元素上，从而减少參数的最小二乘预计中复共线特征向量的影响，减小复共线变量系数最小二乘预计的方法。以保证參数预计更接近真实情况。

岭回归分析将全部的变量引入模型中，比逐步回归分析提供很多其它的信息。

总结：与分类一样。回归也是预測目标值的过程。回归与分类的不同点在于。前者预測连续型的变量。而后者预測离散型的变量。回归是统计学中最有力的工具之中的一个。

在回归方程里，求得特征相应的最佳回归系统的方法是最小化误差的平方和。

2.7 树回归:
长处：能够对复杂和非线性的数据建模。

缺点：结果不易理解。
适用数据类型：数值型和标称型数据。
算法类型：回归算法。

简述：线性回归方法能够有效的拟合全部样本点(局部加权线性回归除外）。当数据拥有众多特征而且特征之间关系十分复杂时。构建全局模型的回归算法是比較困难的。此外，实际中非常多问题为非线性的，比如常见的分段函数。不可能用全局线性模型类进行拟合。树回归将数据集切分成多份易建模的数据。然后利用线性回归进行建模和拟合。

较为经典的树回归算法为CART（classification and regreesion trees 分类回归树）。

CART算法的具体描写叙述能够看这篇文章：http://box.cloud.taobao.com/file/downloadFile.htm?shareLink=1GIQrknG （说实话。大体了解，看的不太懂,谁了解的比較透彻能够分享下）。

2.8 K-Means(K 均值算法)：
长处：easy实现。
缺点：可能收敛到局部最小值。在大规模数据集上收敛较慢。

适用数据类型：数值型数据。
算法类型：聚类算法。
ps:K-Means和上面的分类和回归算法不同，它属于非监督学习算法。类似分类和回归中的目标变量事先并不存在。与前面“对于数据变量X能预測变量Y”不同的是，非监督学习算法要回答的问题是：“从数据X中能发现什么？“，这里须要回答的X方面可能的问题是：”构成X的最佳6个数据簇都是哪些“或者”X中哪三个特征最频繁共现？“。

K-Means的基本步骤：
(1) 从数据对象中随机的初始化K个初始点作为质心。

然后将数据集中的每一个点分配到一个簇中，详细来讲每一个点找到距其近期的质心，并将其分配给该质心所相应的簇。

(2) 计算每一个簇中样本点的均值，然后用均值更新掉该簇的质心。然后划分簇结点。
(3) 迭代反复（2）过程。当簇对象不再发生变化时。或者误差在评測函数预估的范围时，停止迭代。

算法的时间复杂度上界为O(nkt), 当中t是迭代次数。
ps:初始的K个质心的选取以及距离计算公式的好坏，将影响到算法的总体性能。
附加：
二分K-均值算法:为克服K-均值算法收敛于局部最小值的问题。有人提出了还有一个称为二分K-均值（bisecting K-Means）的算法。

该算法首先将全部点作为一个簇。然后将簇一分为二。之后选择当中一个簇继续划分。选择哪个一簇进行划分取决于对其划分能否够最大程度减少SSE(Sum of Squared Error，两个簇的总误差平方和)的值。

2.9 算法关联分析:
首先了两个概念：
频繁项集（frequent item sets）:常常出如今一块的物品的集合。
关联规则（association rules）：暗示两种物品间可能存在非常强的关系。
项集的支持度（support）：数据集中包括该项集记录所占的比例。
关联分析的目标包含两项：发现频繁项集合发现关联规则。

首先找到频繁项集，然后才干获得关联规则。

Apriori算法：
长处：易编码实现。
缺点：在大型数据集上可能较慢。
适用数据类型：数值型或标称型数据。
原理：假设某个项集时频繁的，那么他的全部子集也是频繁的。
Apriori运用的DEMO演示样例參见博客：http://blog.csdn.net/lantian0802/article/details/38331463
简述：
Apriori算法是发现频繁项集的一种方法。Apriori算法的两个输入參数各自是最小支持度和数据集。

该算法首先会生成全部单个item的项集列表。

然后扫描列表计算每一个item的项集支持度，将低于最小支持度的item排除掉。然后将每一个item两两组合。然后又一次计算整合后的item列表的支持度而且和最小支持度比較。反复这一过程，直至全部项集都被去掉。

总结：
关联分析是用于发现大数据集中元素间有趣关系的一个工具集。可以採用两种方式来量化这些有趣的关系。发现元素间不同的组合是个十分耗时的任务。不可避免须要大量昂贵的计算资源，这就须要一些更智能的方法在合理的时间范围内找到频繁项集。可以实现这一目标的一个方法是Apriori算法。它使用Apriori原理来降低在数据库上进行检查的集合的数目。

Apriori原理是说假设一个元素是不频繁的，那么那些包括该元素的超集也是不频繁的。Apriori算法从单元素项集開始，通过组合满足最小支持度要求的项集来形成更大的集合。支持度用来度量一个集合在原始数据中出现的频率。

2.10 FP-growth算法：
简述：FP-growth也是用于发现频繁项集的算法，他以FP树的结构存储构建元素，其它Apriori算法的性能要好非常多。通常性能要好2个数量级以上。其发现频繁项集的步骤例如以下：(1)构建FP树。(2)从FP树中挖掘频繁项集。

长处：一般要快于Apriori。
缺点：实现比較困难。在某些数据集上性能会下降。
适用数据类型：标称型数据。

总结：FP-growth算法是一种用于发现数据集中频繁模式的有效方法。

FP-growth算法利用Apriori原则，运行更快。

Apriori算法产生候选项集，然后扫描数据集来检查他们是否频繁。因为仅仅对数据集扫描两次，因此FP-growth算法运行更快。在FP-growth算法中。数据集存储在一个称为FP树的结构中。FP树构建完毕后。能够通过查找元素项的条件及FP树来发现频繁项集。

该过程不断以很多其它元素作为条件反复进行，直到FP树仅仅包括一个元素为止。