PLA-机器学习基石2

Posted 2020-10-09 stAr_1

转自：http://blog.csdn.net/u013455341/article/details/46747343

 

在《机器学习基石》这门课里面也进入了第一讲的内容，这次学习到的是Percetron Learning Algorithm——感知学习算法。

 

PLA用于解决的是对于二维或者高维的 线性可分 问题的分类，最终将问题分为两类——是或者不是。

注意PLA一定是针对线性可分的问题，即可以找到一条线，或者超平面去分开是和不是的两堆数据，如果不是线性可分。

可以通过后来的Pocket改正算法，类似贪心的法则找到一个最适合的。

 

一个很好的用于PLA的例子是银行要不要给用户发信用卡的问题。银行可以根据顾客的个人信息来判断是否给顾客发放信用卡。将顾客抽象为一个向量X，包括姓名、年龄、年收入、负债数等。同时设定各个属性所占的比例向量W，对于正相关的属性设置相对较高的比例如年收入，对于负相关的属性设置较低的比例如负债数。y表示是否想该用户发放了信用卡。通过求X和W的内积减去一个阀值，若为正则同意发放信用卡，否则不发放信用卡。我们假设存在着一个从X到Y的映射f，PLA算法就是用来模拟这个映射，使得求出的函数与f尽可能的相似，起码在已知的数据集上一致。

PLA算法即用来求向量W（用于预测的向量），使得在已知的数据中机器做出的判断与现实完全相同。当X为二维向量时，相当于在平面上画出一条直线将所有的点分成两部分，一部分同意发送，另外的不同意。内积可以表示成：

 

如果把(阈值*-1)当作Wo，x0当作1，公式可以化简为

 

这里面WT 就是用来做预测的向量，h(x)是假定求出来的预测函数，算法的关键就是去求w。

算法的思路可以简单这样理解，x相当于给定的已知值，wT 可能会把x带到正的那一边，也可能把x带到负的那一边。然而，最后可能正确的值是正的，却带到了负的。

正确是负的，却带到了正的。那么根据所给的训练集，可以不断的去修正这个Wt，以满足训练集的数据情况。

例如：

 

x的指向代表了y的布尔值。

上图的例子可以看到，如果x的实际指向是如果是正的，即y = +1，然而w的预测值却与x的夹角大于90，即预测到反方向 wT* x= -1。结果不正确。

那么可以通过y*x的纠正值来纠正w，这样新的w又会和x处于一个方向上了。两者点乘得出的值就是负的。

 

另外一种情况：

 

x的值指向负的，，y = -1。然而w 与 x 的夹角小于 90度，那么通过预测，wT* x= 1，结果也不正确。

同理可以加上一个y*x，来修正w。这样wT * x 又可以变成 -1了。

 

算法的思路就大概是这样:

 

[cpp] view plain copy

 

1. initialize w(0) = 0.  
2. for t = 0,1,2,....  
3.     for i = 1,2,...,n  
4.         w(t+1) = w(t) + y(i) * x(i);  
5.     end         
6.   
7. 直到所有的点都预测正确为止。  
8. （线性可分的数据可以通过证明得出，这个循环最后一定会停下来，不会无限循环）  
9. end  

 

算法证明（即线性可分可以得到终止）：

这里我直接引用别人的算式结果了，计算过程写得比较清楚。

 

可以看到，运行次数T是存在上界的。意思就是如果给定的资料是线性可分，那么最后一定可以得到一个w，分开两个数据集。

 

PLA的优缺点：

1.首先，PLA的算法是局限在线性可分的训练集上的，然而我们拿到一个训练集，并不知道其到底是不是线性可分，如果不是，PLA的算法程序将无限循环下去，这样做是不可 行的。

2.即使训练集是线性可分，我们也不知道PLA什么时候才能找到一个合适的解，如果要循环很多次才能找到，这对于实际使用是开销很大的。

 

 

PLA改进——Pocket Algorithm：

针对不是线性可分的数据，这里提出了一个改进的算法。

思路是，能否找到一条分界线去分离两个数据集，使得错误率最低呢？

然而要准确找到一条错误率最低的，被证明出是一个NP问题，不能准确地找到。那么Pocket算法的思路就是，类似贪心，如果找到一个更好(错误率低)的w，那么就去更新，

如果找一个错误率更高的，那么就不去更新的，重新找。每次找一个随机的wt。对于所有数据都采用w(t+1) = w(t) + yn * xn; 修正一次。最后如果这个wt要比记录的最好值w‘犯的错误少，就更新最好值。

下面是伪代码：

 

[cpp] view plain copy

 

1. for t = 1,2,3...  (number of iteration)  
2.     w(t) = random of w ;  
3.     for i = 1,2,3...n   
4.         w(t+1) = w(t) + y(i) * x(i);  
5.     end  
6.     if(cal_error(w(t+1)) < cal_error(w_best)))  
7.         w_best = w(t+1);  
8.           
9. end   

 

同理，Pocket算法也有它自己的缺点:

1.wt是随机的，可能算了很多次都没有找出一个更好的。

2.假设数据一开始就是线性可分，那么这个算法找出来的未必是最好解，且时间花费也可能比较大。

 

总结：

这次是第一次学习机器学习的内容，PLA的算法局限性比较大，一定要针对线性可分的数据，且只能用来做二元分类，如果是多元分类，恐怕还要进一步学习其他算法。

Pocket算法可以解决PLA线性可分的未知性，但是自身缺点也比较大，如果设定的迭代字数太少，可能找到的解不够好，太多又可能给计算带来太大开销。