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机器学习入门

机器学习主要是设计和分析使计算机能够“学习”的算法，这些算法能从经验数据集中发现规律，并根据规律对未知数据做预测。

那么到底什么是学习呢？我的理解是：广义上来说，学习就是程序能够根据经验提高自己性能，狭义上来说，从概率图模型的角度，一个完整的建模过程包括：表示，推断，学习，这里的学习就是确定模型中的参数。
经验数据：那么这些经验数据又从拿来呢？一般来说，可以是人手工整理的数据或是从网络中整理收集的数据。这些数据，或多或少都会混杂着人类的经验。例如：在图像分类的数据集中，可能图片已经由人类手工标注过了。

机器学习已经有了十分广泛的应用，例如：数据挖掘（CV）、计算机视觉(CV)、自然语言处理(NLP)、生物特征识别、搜索引擎(IR)、医学诊断、检测信用卡欺诈、证券市场分析、DNA序列测序、语音和手写识别、战略游戏和机器人运用等。

Tom Mitchell 对机器学习经典的定义[1]:

A computer program is said to learn from experience E with respect to some class of tasks T and performace measure P, if its performance at tasks T, as measured by P, improves with experience E.

Herbert Simon认为：

Learning is any change in a system that produces a more or less permanent change in its capacity for adapting to its environment.

看以看出，机器学习描述中，涉及到三个基本方面：

任务T。我们要处理的是一个什么样的任务，是无人汽车设计问题，语言识别，还是人脸识别等等。我们必须对我们要处理的任务有一个清晰的认识。
性能标准P。我们使用什么样的标准来说明我们模型的好坏，这对我们后面设计学习的目标函数时候有指导作用，我们根据标准P来设计和调整模型，满足我们的任务要求。
训练经验E。从那里获取训练经验可能对我们系统学习的好坏有非常直接的影响，必须自己选择。

模式识别是通过计算机算法来研究模式的自动处理和判读，也就是从数据中发现规律，并采取相应的动作。模式是指环境和客体，对人类来说，两类很重要的模式是光学和声学信号。现在模式识别的一个常用的手段就是机器学习。在AI领域的两个常见的问题是图像识别和语音识别。举例，一个经典的例子就是“手写字符识别“。我们设计一个learner从一个巨大的手写字符图片库中进行学习，当有新的手写字符图片时，我们希望我们的learner能够做出正确的判断。

两类问题-分类和回归

$f:\mathcal{X}\rightarrow \mathcal{Y}$ .

两个基本问题是分类和回归问题:

分类问题输出 $\mathcal{Y}$ 是离散的，例如在二类问题中，输出值通常为： $\{-1,+1\}$ ；
回归问题输出 $\mathcal{Y}$ 则是连续的，例如：在曲线拟合问题中，输出为： $\mathbb R$ 。

分类问题关心的是类别是否匹配，代表每个类别的数字只是一个符号而已，可以换成任意其他符号，并且这些符号之间一般没有什么关系，例如，原本是数字 8 ，把它分类成 7 或者 2 都同样是错误的，并不会因为 7 （从数值上）更接近 8 就是一个更好的结果。在这种情况下，0-1 loss 是最自然的损失函数。而回归问题不一样，比如，今天的气温是 28 度，预测为 25 度很自然地比预测为 2 度要好。说白了就是分类问题中输出是离散的，用了离散度量来衡量相似度，而回归问题中则用了

$\mathbb R$ 上的欧氏度量。对于很多现实问题我们都可以转化为这两类问题。比如：在很多的Email系统中都可以判断一封邮件是否是垃圾邮件，这里涉及到了二类问题。如果我们希望根据以前的二手房成交数据来预测未来的交易价格，则是一个回归问题，我们希望得到的一个具体的价格。

模式识别问题的过程

学习过程中涉及到的名词：feature vector, target vector, data set, training set, test set，performance measure.

feature vector: $x^i=(x_1,x_2,\dots,x_m);$
target vector: $y^i=(y_1,y_2,\dots.y_k);$
data set: $X=(x^1,x^2,\dots,x^n); Y=(y^1,y^2,\dots,y^n);$

在上面的表示中，

$x^i,y^i$ 分别表示一个实例的输入和输出；而

$x_i$ 则表示输入的某个特征。m表示输入变量的特征空间；k表示是一个多标签问题，k代表着标签的数目；n则是data set的数目。

首先，通常是特征提取和选择。特征提取就是将输入的数据转化为特征集合，从而得到特征向量。特征提取就是选择特征的一个子集。特征提取和选择是维度下降(dimension reduction)的主要方法；
然后，我们就要设计算法，实现一个学习器以满足不同的任务。通常要根据实际应用看是什么问题，从而选择不同的算法类型；
最后，在不同的数据集上评价我们的模型。

机器学习的不同类型

大多数的机器学习和模式识别识别算法在本质上是基于概率的，使用统计推断的方式给实例加标签。根据算法的不同，我们通常可以做一下的分类[2]：

监督学习。在监督学习中，训练集合(training set)中的实例是输入值和期望的输出值（通常是人们手工标注的标签或其他值）的二元组。在监督学习中，有训练集合得到一个分类器（分类问题）和回归函数（回归问题），能够对任何的有效输入值做出预测。
非监督学习。在非监督学习中，训练集合中的实例是由输入值构成的，没有输出值（标注的标签）。在半监督学习中，学习的目标是发现训练数据的结构特征。通常用到的算法有聚类等。
半监督学习。在半监督学习中，我们使用有标签数据（即上面所说的二元组形式）和无标签的数据一起来构建分类器。
增强式学习。在增强式学习中，关注在给出的环境中，采取恰当的措施，以取得最大的回报。它最重要的一个特征就是平衡exploration和exploitation的关系，取得一个最优的解。
其他

评价标准

Accuracy. 指正确分类的数目占总的数目的比例，写成数学公式

$Accuracy=\frac{right}{total}$

Weighted Accuracy. 针对不同类型的错误，加上权值。根据不同的情况赋予不同的值，这样我们就能区别不同的错误。
Precision and Recall。这个衡量指标常用到文档检索中，查准率(Precision)表示了我们检索出的相关信息占我们检索出信息的比例；而查全率（Recall）则表示了我们检索出的相关信息在整个系统相关文档中的比例。
F1. 把Precision 和 Recall 这两个指标结合起来的指标是F1 ,定义如下：

$F_1= 2 \frac{Precison+Recall}{Precision times Recall}$

ROC(Receiver Operating Characteristic). ROC是最近很流行的一个评价指标，通过作ROC曲线，计算ROC面积，可以衡量模型作出的预测好坏。

泛化(generation)是指我们的学习器对新的输入的预测能力，如果能很好的处理新输入，则泛化能力好。我们之所以很注重泛化，是因为现实中输入空间是非常大的，我们的训练集只占其中的一小部分。所以在我们考虑实现ML算法的过程中，算法的泛化能力是我们必须考虑的,所以我们要把数据集划分出测试集,在测试集上测试模型的好坏。

实例：多项式曲线拟合

曲线的拟合问题，并不陌生，不管是高中还是大学的课堂中都有接触。在曲线拟合中，我们接触到了一个评价拟合好坏的标准：误差函数(Error Function)。误差函数主要是描述的是训练集中我们的预测值与实际值的差距。常用的误差函数就是平方差的和，如下：

$\begin{equation} \label{least-square-sum} \mathbb E(w)=\frac{1}{2}\sum_{n=1}^N\{y(x_{n},w)-t_{n}\}^2 \end{equation}$

求解的过程一般就是对函数求导，得到关于

$w$ 的线性函数，从而可以得到一个解析解

$w^*$ 。

为了考虑模型的泛化能力，我们需要在测试集上计算

$\mathbb E(w)$ 的值。在这里会出现一个问题:over-fitting。解决这个问题，经常使用的方法就是regularization,公式如下。

$\begin{equation} \label{least-square-sum-with-reg} \mathbb E(w)=\frac{1}{2}\sum_{n=1}^N\{y(x_{n},w)-t_{n}\}^2+\frac{\lambda}{2}\|w\| \end{equation}$

正则化的作用就是惩罚系数，可以使参数变得稀疏。

机器学习软件

现在有很多的机器学习的软件包，帮助我们快速解决问题，比如：

python scikit-learn
shogun toolbox
mlpy
pylearn2
weka
R
others

当然，我们可能也要实现一些基本的算法，可能会使用具体的矩阵工具和优化工具，比如：

matlab/octave
numpy,scipy
R

在我的笔记中，使用matlab和scikit-learn来演示实现和使用学习算法。

scikit-learn简介

1.数据（Data）：在scikit-learn中，有一些自带的数据集，我们通常关注的是数据的特征和目标值。比如数字集合，获取特征和目标值，可以使用下面的代码：

>>> from sklearn import datasets
>>> digits = datasets.load_digits()
>>> digits_data = digits.data
>>> digits_target = digits.target

如果使用‘type’查看一下digits_data和digits_target的类型，可以知道它们是numpy.ndarray类型，这样如果我们自己需要提取特征的时候，只需要保存为这种数据类型，就可以使用scikit-learn 中的方法了。

2.学习和预测：这时机器学习中最核心的部分，使用什么样的模型，确定了这种模型后，如何更快更准确的进行学习，如何改进模型，提高泛化的能力。在scikit-learn 中，进行分类（或是其他任物）的估算器（estimator）是实现了fit(X，Y)和predict（X）的python对象。

>>> from sklearn import svm
>>> clf = svm.SVC(gamma=1e-4,C=100)
>>> clf.fit(digits_data[:-1],digits_target[:-1])
SVC(C=100, cache_size=200, class_weight=None, coef0=0.0, degree=3,
  gamma=0.0001, kernel='rbf', max_iter=-1, probability=False,
  random_state=None, shrinking=True, tol=0.001, verbose=False)
>>> clf.predict(digits_data[-1],digits_target[-1])

如果想要保存我们训练的模型，可以使用python库中的pickle模块。

>>> import pickle
>>> model = pickle.dumps(clf)
>>> clf2 = pickle.loads(model)

引用

1.机器学习，<http://www.cs.cmu.edu/~tom/mlbook.html>

2.http://en.wikipedia.org/wiki/Machine_learning