机器学习及深度学习基础—7.20课堂笔记

2022-07-04 09:41:26 浏览数 (3)

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

ML及DL学习基础

  • 1.AI、ML、DL关系
  • 2.主要学习内容
    • 2.1一些基础知识
    • 2.2监督学习
    • 2.3无监督学习
  • 3.基本概念
    • 3.1模型
    • 3.2学习准则
    • 3.3 损失函数
      • 3.3.1.ideal loss
      • 3.3.2.Square loss
      • 3.3.3.Sigmoid Square loss
      • 3.3.4.Sigmoid Cross entropy
      • 3.3.5. Hinge loss
    • 3.4 欠拟合与过拟合
    • 3.5评价指标–分类问题
  • 4.深入阅读

1.AI、ML、DL关系

三者关系可以用上面这张图来完整概括。深度学习的范围最小，其次是机器学习，人工智能的范围最大。

2.主要学习内容

2.1一些基础知识

  1. 数学基础：微积分与概率论、数理统计、矩阵与线性代数、凸优化、数值计算。这里面我只接触了前三个，后面两个还没有接触，由于数学建模国赛，暑假会自学数值计算。
  2. 编程工具基础：数据结构与算法、Python、sklearn、Pytorch/Tensorflow。数据结构接触了很多，Python对数据的处理方面还不是很熟悉，sklearn也仅仅限于前面学习的那部分内容，深度学习框架打算专心用Pytorch。

2.2监督学习

  所谓监督学习（Supervised learning），是指利用一组已知类别的样本调整分类 or 回归的参数，使其达到所要求性能的过程，也称为监督训练或有教师学习。   监督学习可以理解为学生从老师那里获取知识、信息，老师提供对错指示、告知最终答案。 学生在学习过程中借助老师的提示获得经验、技能，最后对没有学习过的问题也可以做出正确解答。“老师提供对错指示”这句话很关键，它告诉我们：我们的训练样本，都是有“标准答案的”，比如分类，你在训练的时候就已经知道了它的正确类别，比如回归，你在训练的时候同样也提前知道了真实值。   监督学习要实现的目标是“对于输入数据X能预测变量Y”。这个预测可以是分类，也可以是具体的一个数值。   监督学习主要包括：

  1. 线性模型
  2. 贝叶斯（朴素贝叶斯和贝叶斯网络）
  3. SVM&SVR
  4. 决策树与随机森林、GBDT、XGboost、Adaboost
  5. 逻辑回归与最大熵模型
  6. K近邻与Manifold Learning（流形学习）
  7. 概率图模型、HMM、CRF
  8. EM
  9. 神经网络

  前面已经大致学习了机器学习之linear_model(普通最小二乘法)、机器学习之linear_model(Ridge Regression)、概率生成模型(Probabilistic Generative Model)与朴素贝叶斯(Naive Bayes)、机器学习之逻辑回归(logistics regression)、机器学习之SVM(Hinge Loss Kernel Trick)原理推导与解析、决策树与随机森林(从入门到精通)、机器学习之Ensemble（一些推导与理解）、最简单的分类算法之一：KNN（原理解析 代码实现）

  对于深度神经网络，可以分为：

  1. 前馈神经网络
  2. CNN（卷积神经网络）
  3. RNN（循环神经网络）
  4. 自编码器
  5. 深度信念网络
  6. 深度生成模型
  7. 当前的一些研究热点：GAN（生成对抗网络）深度强化学习（Deep Reinforcement Learning）、Attention（注意力机制）、迁移学习（Transfer Learning）…

  DL也才刚刚入门，就看了一些比较基础的概念：反向传播算法(Backpropagation)—-Gradient Descent的推导过程、Deep Learning中的一些Tips详解（RELU Maxout Adam Dropout）。

2.3无监督学习

  现实生活中常常会有这样的问题：缺乏足够的先验知识，因此难以人工标注类别或进行人工类别标注的成本太高。很自然地，我们希望计算机能代我们完成这些工作，或至少提供一些帮助。根据类别未知(没有被标记)的训练样本解决模式识别中的各种问题，称之为无监督学习。（百度百科）   简而言之，无监督学习的样本是没有标记的，无监督学习的最典型代表就是聚类。聚类的目的在于把相似的东西聚在一起，而我们并不关心这一类是什么。   无监督学习（Unsupervised Learning） 分为以下几种：

  1. 聚类
  2. SVD（奇异值分解）
  3. PCA（主成分分析法）
  4. LSA（潜在语义分析）
  5. PLSA（概率潜在语义分析）
  6. 马尔科夫链蒙特卡罗方法
  7. LDA（隐含狄利克雷分布）
  8. Page Rank

  无监督学习到目前为止只是接触了机器学习之K_means（附简单手写代码）以及一点点的PCA。

3.基本概念

  1. 样本Sample
  2. 数据集Data Set（训练集Training Set、测试集Test Set、验证集Validation Set）
  3. 特征Feature
  4. 特征向量Feature Vector
  5. 独立同分布Identically and Independently Distributed, IID 以上最基本的一些概念前期学习基本都接触过，就不再详述了。

机器学习的一些概念：

3.1模型

所谓的机器学习模型，本质上是一个函数，其作用是实现从一个样本 x x x 到样本的标记值 y y y 的映射，即 f ( x , θ ∗ ) → y f(x,theta ^{*})rightarrow y f(x,θ∗)→y。

3.2学习准则

学习目标就是选择期望风险最小的模型。

3.3 损失函数

在下面的问题中loss代表每一个样本的损失，Loss代表总的损失。 首先我们需要回顾一下前面所学的二分类问题：假设有一批样本， x 1 x^1 x1， x 2 x^2 x2， x 3 x^3 x3，…， x n x^n xn，对应的label分别是： y 1 ^ yhat{1} y1^， y 2 ^ yhat{2} y2^， y 3 ^ yhat{3} y3^，…， y n ^ yhat{n} yn^， y i ^ yhat{i} yi^(i=1,2,…,n)有两个取值，-1和1，则Binary Classfication：

代码语言：javascript复制
if f(x)>0,output=1，属于一个class
if(f(x)<0),output=-1,属于另一个class

在二分类问题中loss function的定义有很多种，其中最理想的loss function定义为：

即若分类正确loss=0，否则loss等于1，那么在这里Loss可以理解分类器在训练集上犯错误的次数。but如果Loss这样定义，是不能求微分的，所以我们换了一种方式，即：

我们以 y n ^ f ( x ) yhat{n}f(x) yn^f(x)作为横轴，loss作为纵轴，从二分类的定义来看，当f(x)>0时，output=1，即 y n ^ = 1 yhat{n}=1 yn^=1时，f(x)是越大越好的，同理，当 y n ^ = − 1 yhat{n}=-1 yn^=−1时，f(x)是越小越好。 因此，当 y n ^ f ( x ) yhat{n}f(x) yn^f(x)越大时，loss会越小。 这是我们判断一个loss function好坏的标准。

针对上面这个表达式，我们有以下几种情况可以讨论（加上ideal loss）：

3.3.1.ideal loss

定义：

这个loss比较好理解，可以直接画出图像：

如图中黑线所示，当 y n ^ f ( x ) yhat{n}f(x) yn^f(x)>0时,表面分类正确，loss=0，否则等于1。从其图像我们也可以看出，loss是不能进行Gradient Descent的。

3.3.2.Square loss

Square loss是用使用MSE来衡量误差，若output=1时，f(x)应该尽量接近1而当output=-1时，f(x)又应该尽量接近于-1，只有这样Square loss才能最小。因此我们可以定义 l ( f ( x n , y n ^ ) ) l(f(x^{n},yhat{n})) l(f(xn,yn^)):

可以看出，该表达式是满足MSE定义的，我们画出 ( x − 1 ) ² (x-1)² (x−1)²的图像，如下所图红线示：

前面我们讨论过，当 y n ^ f ( x ) yhat{n}f(x) yn^f(x)越大时，loss应当会越小。 但是Square loss显然是不符合情况的，这里也可以进一步解释前面我们为什么说不能用Square loss来作为损失函数。

3.3.3.Sigmoid Square loss

Sigmoid函数值域介于01之间，因此当output=1时， σ ( f ( x n ) ) sigma (f(x^{n})) σ(f(xn))应该尽量接近1，而当output=-1时， σ ( f ( x n ) ) sigma (f(x^{n})) σ(f(xn))又应该接近于0，因为其本质还是Square loss，只不过把输出映射到了01之间，因此，我们可以定义 l ( f ( x n , y n ^ ) ) : l(f(x^{n},yhat{n})): l(f(xn,yn^)):

同样画出图像:

从目前来看，该损失函数好像挺合理的，但仔细一想又是不对的。该函数的渐近线是y=1，越往左loss是越大的，但是其斜率是越来越小的。在Gradient Descent中，如果一个位置的loss太大那么它应该更加快速的下降以找到最优解，但是上述函数不符合要求，loss越大下降反而越慢，属于典型的“没有回报，不想努力。”

3.3.4.Sigmoid Cross entropy

在逻辑回归中我们最终选择了交叉熵的形式，这里定义 l ( f ( x n , y n ^ ) ) : l(f(x^{n},yhat{n})): l(f(xn,yn^)):

画出图像：

可以看出，从左到右符合下降的趋势，并且相较与Sigmoid Square loss，Sigmoid Cross entropy的loss越大，其梯度越大，情况符合“有回报有努力。”

因此最终看来，Sigmoid Cross entropy似乎是比较好的选择了。

3.3.5. Hinge loss

l ( f ( x n , y n ^ ) ) l(f(x^{n},yhat{n})) l(f(xn,yn^))定义为：

从表达式可以看出，当 y n ^ = 1 yhat{n}=1 yn^=1时， f ( x n ) > 1 f(x^{n})>1 f(xn)>1则loss=0；当 y n ^ = − 1 yhat{n}=-1 yn^=−1时， f ( x n ) < − 1 f(x^{n})<-1 f(xn)<−1则loss=0。 同样画出图像：

比较Hinge loss和Sigmoid Cross entropy，比如说我们把黑点从1移动到2，可以发现Sigmoid Cross entropy其实是可以做得更好的，而Hinge loss只要是 y n ^ f ( x ) yhat{n}f(x) yn^f(x)大于它的阈值，无论怎么调整loss都不会变。但是当我们有outlier也就是异常值的时候，Hinge loss会给出比Cross entropy更好的结果。 这个后面再解释。

3.4 欠拟合与过拟合

  • 所谓过拟合，是指模型学习能力过于强大，把训练样本中某些不太具有一般性的特征都学到了。例如判断一个人是否是好人，训练样本中所有好人都或多或少做过一些坏事，模型学到了这一特征，把这一模型运用到了实际预测中去，这明显是有失偏颇的，因为一个人是否是好人理论上跟一个人是否做过坏事是不相关的。
  • 所谓欠拟合，是指模型学习能力低下，连训练集中的数据都不能很好的拟合，比如说我要预测一个人是否是坏人，模型只考虑到了他是否做过坏事，这明显是考虑不全的，做过坏事不一定就是坏人，那么显然这种情况就是欠拟合。

3.5评价指标–分类问题

准确率很好理解，你有10个样本，分类正确五个那么正确率就是1/2，同样错误率也是1/2。

上面引入了真正例（TP）、假负例（FN）、假正例（FP）、真负（TN）例四个定义。

  • True Positive ：预测为正，实际也为正
  • False Positive ：预测为正，实际为负
  • False Negative ：预测与负、实际为正
  • True Negative 预测为负、实际也为负
  • 上面图片中的类别C表示正

由此引出查准率和查全率两个概念：

4.深入阅读

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发布者：全栈程序员栈长，转载请注明出处：https://javaforall.cn/148913.html原文链接：https://javaforall.cn

监督学习 无监督学习 机器学习 深度学习 人工智能

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