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机器学习实战-概论

机器学习的分类:

机器学习有多种类型,可以根据如下规则进行分类:

  • 是否在人类监督下进行训练(监督,非监督,半监督和强化学习)

  • 是否可以动态渐进学习(在线学习 vs 批量学习)

  • 它们是否只是通过简单地比较新的数据点和已知的数据点,或者在训练数据中进行模式识别,以建立一个预测模型,就像科学家所做的那样(基于实例学习 vs 基于模型学习)

监督学习:

在监督学习中,用来训练算法的训练数据包含了答案,称为标签。

下面是一些重要的监督学习算法

  • K近邻算法

  • 线性回归

  • 逻辑回归

  • 支持向量机(SVM)

  • 决策树和随机森林

  • 神经网络

非监督学习:

在非监督学习中,你可能猜到了,训练数据是没有加标签的。系统在没有老师的条件下进行学习。

下面是一些最重要的非监督学习算法:

  • 聚类
    K均值 
    层次聚类分析(Hierarchical Cluster Analysis,HCA) 
    期望最大值

  • 可视化和降维 
    主成分分析(Principal Component Analysis,PCA) 
    核主成分分析 
    局部线性嵌入(Locally-Linear Embedding,LLE) 
    t-分布邻域嵌入算法(t-distributed Stochastic Neighbor Embedding,t-SNE)

  • 关联性规则学习 
    Apriori 算法 
    Eclat 算法

半监督学习:

一些算法可以处理部分带标签的训练数据,通常是大量不带标签数据加上小部分带标签数据。这称作半监督学习。

多数半监督学习算法是非监督和监督算法的结合。例如,深度信念网络(deep belief networks)是基于被称为互相叠加的受限玻尔兹曼机(restricted Boltzmann machines,RBM)的非监督组件。RBM 是先用非监督方法进行训练,再用监督学习方法进行整个系统微调。

强化学习:

强化学习非常不同。学习系统在这里被称为智能体(agent),可以对环境进行观察,选择和执行动作,获得奖励(负奖励是惩罚)。然后它必须自己学习哪个是最佳方法(称为策略,policy),以得到长久的最大奖励。策略决定了智能体在给定情况下应该采取的行动。

批量学习:

在批量学习中,系统不能进行持续学习:必须用所有可用数据进行训练。这通常会占用大量时间和计算资源,所以一般是线下做的。首先是进行训练,然后部署在生产环境且停止学习,它只是使用已经学到的策略。这称为离线学习。

如果你想让一个批量学习系统明白新数据(例如垃圾邮件的新类型),就需要从头训练一个系统的新版本,使用全部数据集(不仅有新数据也有老数据),然后停掉老系统,换上新系统。

在线学习:

在在线学习中,是用数据实例持续地进行训练,可以一次一个或一次几个实例(称为小批量)。每个学习步骤都很快且廉价,所以系统可以动态地学习到达的新数据。

基于实例学习:

也许最简单的学习形式就是用记忆学习。如果用这种方法做一个垃圾邮件检测器,只需标记所有和用户标记的垃圾邮件相同的邮件 —— 这个方法不差,但肯定不是最好的。

不仅能标记和已知的垃圾邮件相同的邮件,你的垃圾邮件过滤器也要能标记类似垃圾邮件的邮件。这就需要测量两封邮件的相似性。一个(简单的)相似度测量方法是统计两封邮件包含的相同单词的数量。如果一封邮件含有许多垃圾邮件中的词,就会被标记为垃圾邮件。

这被称作基于实例学习:系统先用记忆学习案例,然后使用相似度测量推广到新的例子。

基于模型学习:

另一种从样本集进行归纳的方法是建立这些样本的模型,然后使用这个模型进行预测。这称作基于模型学习。

机器学习的挑战:

  • 错误的数据

  1. 训练数据量不足(至少数千以上)

  2. 没有代表性的训练数据

  3. 低质量数据(异常值和噪声太多,需要手工修正)

  4. 不相关的特征(特征选择,特征提取)

  5. 过拟合训练数据(简化模型,收集更多训练数据,减少数据噪声)

  6. 欠拟合训练数据(更多参数的强模型,用更好的特征训练算法)

测试和确认:

将你的数据分成两个集合:训练集和测试集。正如它们的名字,用训练集进行训练,用测试集进行测试。对新样本的错误率称作推广错误(或样本外错误),通过模型对测试集的评估,你可以预估这个错误。这个值可以告诉你,你的模型对新样本的性能。

如果训练错误率低(即,你的模型在训练集上错误不多),但是推广错误率高,意味着模型对训练数据过拟合。

一般使用 80% 的数据进行训练,保留20%用于测试。

因此,评估一个模型很简单:只要使用测试集。现在假设你在两个模型之间犹豫不决(比如一个线性模型和一个多项式模型):如何做决定呢?一种方法是两个都训练,,然后比较在测试集上的效果。

现在假设线性模型的效果更好,但是你想做一些正则化以避免过拟合。问题是:如何选择正则化超参数的值?一种选项是用 100 个不同的超参数训练100个不同的模型。假设你发现最佳的超参数的推广错误率最低,比如只有 5%。然后就选用这个模型作为生产环境,但是实际中性能不佳,误差率达到了 15%。发生了什么呢?

答案在于,你在测试集上多次测量了推广误差率,调整了模型和超参数,以使模型最适合这个集合。这意味着模型对新数据的性能不会高。

这个问题通常的解决方案是,再保留一个集合,称作验证集合。用测试集和多个超参数训练多个模型,选择在验证集上有最佳性能的模型和超参数。当你对模型满意时,用测试集再做最后一次测试,以得到推广误差率的预估。

为了避免“浪费”过多训练数据在验证集上,通常的办法是使用交叉验证:训练集分成互补的子集,每个模型用不同的子集训练,再用剩下的子集验证。一旦确定模型类型和超参数,最终的模型使用这些超参数和全部的训练集进行训练,用测试集得到推广误差率。

原文链接:https://segmentfault.com/a/1190000014960892

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