8种常见机器学习算法比较

Posted 2020-09-04

机器学习算法太多了，分类、回归、聚类、推荐、图像识别领域等等，要想找到一个合适算法真的不容易，所以在实际应用中，我们一般都是采用启发式学习方式来实验。通常最开始我们都会选择大家普遍认同的算法，诸如SVM，GBDT，Adaboost，现在深度学习很火热，神经网络也是一个不错的选择。假如你在乎精度（accuracy）的话，最好的方法就是通过交叉验证（cross-validation）对各个算法一个个地进行测试，进行比较，然后调整参数确保每个算法达到最优解，最后选择最好的一个。但是如果你只是在寻找一个“足够好”的算法来解决你的问题，或者这里有些技巧可以参考，下面来分析下各个算法的优缺点，基于算法的优缺点，更易于我们去选择它。

偏差&方差

偏差：描述的是预测值（估计值）的期望E’与真实值Y之间的差距。偏差越大，越偏离真实数据。

 

                       

当然，你也可以认为这是生成模型（NB）与判别模型（KNN）的一个区别。

以下内容引自知乎：

由于训练样本很少（至少不足够多），所以通过训练集得到的模型，总不是真正正确的。（就算在训练集上正确率100%，也不能说明它刻画了真实的数据分布，要知道刻画真实的数据分布才是我们的目的，而不是只刻画训练集的有限的数据点）。而且，实际中，训练样本往往还有一定的噪音误差，所以如果太追求在训练集上的完美而采用一个很复杂的模型，会使得模型把训练集里面的误差都当成了真实的数据分布特征，从而得到错误的数据分布估计。这样的话，到了真正的测试集上就错的一塌糊涂了（这种现象叫过拟合）。但是也不能用太简单的模型，否则在数据分布比较复杂的时候，模型就不足以刻画数据分布了（体现为连在训练集上的错误率都很高，这种现象较欠拟合）。过拟合表明采用的模型比真实的数据分布更复杂，而欠拟合表示采用的模型比真实的数据分布要简单。

所以，这样就容易分析朴素贝叶斯了。它简单的假设了各个数据之间是无关的，是一个被严重简化了的模型。所以，对于这样一个简单模型，大部分场合都会Bias部分大于Variance部分，也就是说高偏差而低方差。

偏差和方差与模型复杂度的关系使用下图更加明了：

 

常见算法优缺点

朴素贝叶斯属于生成式模型（关于生成模型和判别式模型，主要还是在于是否是要求联合分布），非常简单，你只是做了一堆计数。如果注有条件独立性假设（一个比较严格的条件），朴素贝叶斯分类器的收敛速度将快于判别模型，如逻辑回归，所以你只需要较少的训练数据即可。即使NB条件独立假设不成立，NB分类器在实践中仍然表现的很出色。它的主要缺点是它不能学习特征间的相互作用，用mRMR中R来讲，就是特征冗余。引用一个比较经典的例子，比如，虽然你喜欢Brad Pitt和Tom Cruise的电影，但是它不能学习出你不喜欢他们在一起演的电影。

 

• 朴素贝叶斯模型发源于古典数学理论，有着坚实的数学基础，以及稳定的分类效率。

• 对小规模的数据表现很好，能个处理多分类任务，适合增量式训练；

• 对缺失数据不太敏感，算法也比较简单，常用于文本分类。

 

• 需要计算先验概率；

• 分类决策存在错误率；

• 对输入数据的表达形式很敏感。

属于判别式模型，有很多正则化模型的方法（L0， L1，L2，etc），而且你不必像在用朴素贝叶斯那样担心你的特征是否相关。与决策树与SVM机相比，你还会得到一个不错的概率解释，你甚至可以轻松地利用新数据来更新模型（使用在线梯度下降算法，online gradient descent）。如果你需要一个概率架构（比如，简单地调节分类阈值，指明不确定性，或者是要获得置信区间），或者你希望以后将更多的训练数据快速整合到模型中去，那么使用它吧。

 

• 实现简单，广泛的应用于工业问题上；

• 分类时计算量非常小，速度很快，存储资源低；

• 便利的观测样本概率分数；

• 对逻辑回归而言，多重共线性并不是问题，它可以结合L2正则化来解决该问题；

 

• 当特征空间很大时，逻辑回归的性能不是很好；

• 容易欠拟合，一般准确度不太高

• 不能很好地处理大量多类特征或变量；

对于非线性特征，需要进行转换；

线性回归是用于回归的，而不像Logistic回归是用于分类，其基本思想是用梯度下降法对最小二乘法形式的误差函数进行优化，当然也可以用normal equation直接求得参数的解，结果为：

 

优点： 实现简单，计算简单；
缺点： 不能拟合非线性数据.

KNN即最近邻算法，其主要过程为：

如何选择一个最佳的K值，这取决于数据。一般情况下，在分类时较大的K值能够减小噪声的影响。但会使类别之间的界限变得模糊。一个较好的K值可通过各种启发式技术来获取，比如，交叉验证。另外噪声和非相关性特征向量的存在会使K近邻算法的准确性减小。

KNN算法的优点

理论成熟，思想简单，既可以用来做分类也可以用来做回归；

可用于非线性分类；

训练时间复杂度为O(n)；

• 对数据没有假设，准确度高，对outlier不敏感；

 

• 计算量大；

样本不平衡问题（即有些类别的样本数量很多，而其它样本的数量很少）；

需要大量的内存；

易于解释。它可以毫无压力地处理特征间的交互关系并且是非参数化的，因此你不必担心异常值或者数据是否线性可分（举个例子，决策树能轻松处理好类别A在某个特征维度x的末端，类别B在中间，然后类别A又出现在特征维度x前端的情况）。它的缺点之一就是不支持在线学习，于是在新样本到来后，决策树需要全部重建。另一个缺点就是容易出现过拟合，但这也就是诸如随机森林RF（或提升树boosted tree）之类的集成方法的切入点。另外，随机森林经常是很多分类问题的赢家（通常比支持向量机好上那么一丁点），它训练快速并且可调，同时你无须担心要像支持向量机那样调一大堆参数，所以在以前都一直很受欢迎。

信息熵的计算公式如下:

 

现在选中一个属性xixi用来进行分枝，此时分枝规则是：如果xi=vxi=v的话，将样本分到树的一个分支；如果不相等则进入另一个分支。很显然，分支中的样本很有可能包括2个类别，分别计算这2个分支的熵H1和H2,计算出分枝后的总信息熵H’ =p1H1+p2 H2,则此时的信息增益ΔH = H - H’。以信息增益为原则，把所有的属性都测试一边，选择一个使增益最大的属性作为本次分枝属性。

 

• 计算简单，易于理解，可解释性强；

• 比较适合处理有缺失属性的样本；

• 能够处理不相关的特征；

• 在相对短的时间内能够对大型数据源做出可行且效果良好的结果。

 

• 容易发生过拟合（随机森林可以很大程度上减少过拟合）；

• 忽略了数据之间的相关性；

• 对于那些各类别样本数量不一致的数据，在决策树当中,信息增益的结果偏向于那些具有更多数值的特征（只要是使用了信息增益，都有这个缺点，如RF）。

Adaboost是一种加和模型，每个模型都是基于上一次模型的错误率来建立的，过分关注分错的样本，而对正确分类的样本减少关注度，逐次迭代之后，可以得到一个相对较好的模型。是一种典型的boosting算法。下面是总结下它的优缺点。

 

• adaboost是一种有很高精度的分类器。

• 可以使用各种方法构建子分类器，Adaboost算法提供的是框架。

• 当使用简单分类器时，计算出的结果是可以理解的，并且弱分类器的构造极其简单。

• 简单，不用做特征筛选。

• 不容易发生overfitting。

• 关于随机森林和GBDT等组合算法，参考这篇文章：机器学习-组合算法总结

6.SVM支持向量机

优点

可以解决高维问题，即大型特征空间；

• 能够处理非线性特征的相互作用；

• 无需依赖整个数据；

• 可以提高泛化能力；

 

• 当观测样本很多时，效率并不是很高；

• 对非线性问题没有通用解决方案，有时候很难找到一个合适的核函数；

• 对缺失数据敏感；

 

• 第一，如果样本数量小于特征数，那么就没必要选择非线性核，简单的使用线性核就可以了；

• 第二，如果样本数量大于特征数目，这时可以使用非线性核，将样本映射到更高维度，一般可以得到更好的结果；

• 第三，如果样本数目和特征数目相等，该情况可以使用非线性核，原理和第二种一样。

7. 人工神经网络的优缺点

 

• 分类的准确度高；

• 并行分布处理能力强,分布存储及学习能力强，

• 对噪声神经有较强的鲁棒性和容错能力，能充分逼近复杂的非线性关系；

• 具备联想记忆的功能。

 

• 神经网络需要大量的参数，如网络拓扑结构、权值和阈值的初始值；

• 不能观察之间的学习过程，输出结果难以解释，会影响到结果的可信度和可接受程度；

• 学习时间过长,甚至可能达不到学习的目的。

之前写过一篇关于K-Means聚类的文章，博文链接：机器学习算法-K-means聚类。关于K-Means的推导，里面有着很强大的EM思想。

 

• 算法简单，容易实现 ；

• 对处理大数据集，该算法是相对可伸缩的和高效率的，因为它的复杂度大约是O(nkt)，其中n是所有对象的数目，k是簇的数目,t是迭代的次数。通常k<<n。这个算法通常局部收敛。

• 算法尝试找出使平方误差函数值最小的k个划分。当簇是密集的、球状或团状的，且簇与簇之间区别明显时，聚类效果较好。

 

• 对数据类型要求较高，适合数值型数据；

• 可能收敛到局部最小值，在大规模数据上收敛较慢

• K值比较难以选取；

• 对初值的簇心值敏感，对于不同的初始值，可能会导致不同的聚类结果；

• 不适合于发现非凸面形状的簇，或者大小差别很大的簇。

• 对于”噪声”和孤立点数据敏感，少量的该类数据能够对平均值产生极大影响。

之前翻译过一些国外的文章，有一篇文章中给出了一个简单的算法选择技巧：

2. 然后试试决策树（随机森林）看看是否可以大幅度提升你的模型性能。即便最后你并没有把它当做为最终模型，你也可以使用随机森林来移除噪声变量，做特征选择；

通常情况下：【GBDT>=SVM>=RF>=Adaboost>=Other…】，现在深度学习很热门，很多领域都用到，它是以神经网络为基础的，目前我自己也在学习，只是理论知识不是很厚实，理解的不够深，这里就不做介绍了。

算法固然重要，但好的数据却要优于好的算法，设计优良特征是大有裨益的。假如你有一个超大数据集，那么无论你使用哪种算法可能对分类性能都没太大影响（此时就可以根据速度和易用性来进行抉择）。