第1章 机器学习基础

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机器学习 概述

机器学习就是把无序的数据转换成有用的信息。 1. 获取海量的数据 2. 从海量数据中获取有用的信息

我们会利用计算机来彰显数据背后的真实含义，这才是机器学习的意义。

机器学习 场景

例如：识别动物猫
模式识别（官方标准）：人们通过大量的经验，得到结论，从而判断它就是猫。
机器学习（数据学习）：人们通过阅读进行学习，观察它会叫、小眼睛、两只耳朵、四条腿、一条尾巴，得到结论，从而判断它就是猫。
深度学习（深入数据）：人们通过深入了解它，发现它会'喵喵'的叫、与同类的猫科动物很类似，得到结论，从而判断它就是猫。（深度学习常用领域：语音识别、图像识别）

模式识别（pattern recognition）: 模式识别是最古老的（作为一个术语而言，可以说是很过时的）。
    我们把环境与客体统称为“模式”，识别是对模式的一种认知，是如何让一个计算机程序去做一些看起来很“智能”的事情。
    通过融于智慧和直觉后，通过构建程序，识别一些事物，而不是人，例如: 识别数字。
机器学习（machine learning）: 机器学习是最基础的（当下初创公司和研究实验室的热点领域之一）。
    在90年代初，人们开始意识到一种可以更有效地构建模式识别算法的方法，那就是用数据（可以通过廉价劳动力采集获得）去替换专家（具有很多图像方面知识的人）。
    “机器学习”强调的是，在给计算机程序（或者机器）输入一些数据后，它必须做一些事情，那就是学习这些数据，而这个学习的步骤是明确的。
    机器学习（Machine Learning）是一门专门研究计算机怎样模拟或实现人类的学习行为，以获取新的知识或技能，重新组织已有的知识结构使之不断改善自身性能的学科。
深度学习（deep learning）: 深度学习是非常崭新和有影响力的前沿领域，我们甚至不会去思考-后深度学习时代。
    深度学习是机器学习研究中的一个新的领域，其动机在于建立、模拟人脑进行分析学习的神经网络，它模仿人脑的机制来解释数据，例如图像，声音和文本。

参考地址： 
http://www.csdn.net/article/2015-03-24/2824301
http://baike.baidu.com/link?url=76P-uA4EBrC3G-I__P1tqeO7eoDS709Kp4wYuHxc7GNkz_xn0NxuAtEohbpey7LUa2zUQLJxvIKUx4bnrEfOmsWLKbDmvG1PCoRkJisMTQka6-QReTrIxdYY3v93f55q

机器学习已应用于多个领域，远远超出大多数人的想象，横跨：计算机科学、工程技术和统计学等多个学科。

  • 搜索引擎: 根据你的搜索点击，优化你下次的搜索结果。
  • 垃圾邮件: 会自动的过滤垃圾广告邮件到垃圾箱内。
  • 超市优惠券: 你会发现，你在购买小孩子尿布的时候，售货员会赠送你一张优惠券可以兑换6罐啤酒。
  • 邮局邮寄: 手写软件自动识别寄送贺卡的地址。
  • 申请贷款: 通过你最近的金融活动信息进行综合评定，决定你是否合格。

机器学习 组成

主要任务

  • 分类：将实例数据划分到合适的类别中。
  • 回归：主要用于预测数值型数据。（示例：数据通过给定数据点来拟合最优曲线）

监督学习

  • 必须确定目标变量的值，以便机器学习算法可以发现特征和目标变量之间的关系。 (包括：分类和回归)
  • 样本集：训练数据 + 测试数据
    • 训练样本 = 特征(feature) + 目标变量(label: 分类-离散值/回归-连续值)
    • 特征通常是训练样本集的列，它们是独立测量得到的。
    • 目标变量: 目标变量是机器学习预测算法的测试结果。
      • 在分类算法中目标变量的类型通常是标称型(如：真与假)，而在回归算法中通常是连续型(如：1~100)。
  • 知识表示：
    1. 可以采用规则集的形式【例如：数学成绩大于90分为优秀】
    2. 可以采用概率分布的形式【例如：通过统计分布发现，90%的同学数学成绩，在70分以下，那么大于70分定为优秀】
    3. 可以使用训练样本集中的一个实例【例如：通过样本集合，我们训练出一个模型实例，得出 年轻，数学成绩中高等，谈吐优雅，我们认为是优秀】

非监督学习

  • 数据没有类别信息，也不会给定目标值。
  • 聚类：在无监督学习中，将数据集分成由类似的对象组成多个类的过程称为聚类。
  • 密度估计：将寻找描述数据统计值的过程称之为密度估计。【就是：根据训练样本确定x的概率分布】
  • 此外，无监督学习还可以减少数据特征的维度，以便我们可以使用二维或三维图形更加直观地展示数据信息。

训练过程

机器学习训练过程图

算法汇总

算法汇总

机器学习 使用

选择算法需要考虑的两个问题

  1. 算法场景
    • 预测明天是否下雨，因为可以用历史的天气情况做预测，所以选择监督学习算法
    • 给一群陌生的人进行分组，但是我们并没有这些人的类别信息，所以选择无监督学习算法、通过他们身高、体重等特征进行处理。
  2. 需要收集或分析的数据是什么

举例

选择算法图

机器学习 开发流程

* 收集数据: 收集样本数据
* 准备数据: 注意数据的格式
* 分析数据: 为了确保数据集中没有垃圾数据；
    如果是算法可以处理的数据格式或可信任的数据源，则可以跳过该步骤；
    另外该步骤需要人工干预，会降低自动化系统的价值。
* 训练算法: [机器学习算法核心]如果使用无监督学习算法，由于不存在目标变量值，则可以跳过该步骤
* 测试算法: [机器学习算法核心]评估算法效果
* 使用算法: 将机器学习算法转为应用程序

Python语言 优势

  1. 可执行伪代码
  2. Python比较流行：使用广泛、代码范例多、丰富模块库，开发周期短
  3. Python语言的特色：清晰简练、易于理解
  4. Python语言的缺点：唯一不足的是性能问题
  5. Python相关的库
    • 科学函数库：SciPy、NumPy(底层语言：C和Fortran)
    • 绘图工具库：Matplotlib