速通《Sklearn 与 TensorFlow 机器学习实用指南》

1.机器学习概览

1.1 什么是机器学习

机器学习是通过编程让计算机从数据中进行学习的科学。

1.2 为什么使用机器学习？

使用机器学习，是为了让计算机通过数据自动学习规律并进行预测或决策，无需显式编程规则。

1.3 机器学习系统的类型

1.3.1 监督/非监督学习

机器学习可以根据训练时监督的量和类型进行分类。主要有四类：监督学习、非监督学习、半监督学习和强化学习。

监督学习（分类、回归）、非监督学习（聚类、降维）。

1.3.2 批量和在线学习

批量学习（Batch Learning）是在收集到完整数据集后一次性训练模型，适用于数据静态、训练资源充足的场景。
在线学习（Online Learning）是模型接收数据流时逐条或小批量更新，适用于动态环境和实时预测任务。

1.3.3 基于实例 vs 基于模型学习

基于实例的学习（Instance-based Learning） 是直接记忆训练数据，在预测时通过比较新样本与已有实例的相似度来做出判断，代表算法有K近邻（KNN）等。

基于模型的学习（Model-based Learning） 是通过训练数据构建一个通用的预测模型，学习参数或结构以适应数据分布，代表算法有线性回归、决策树、神经网络等。

1.4 机器学习的主要挑战

* 训练数据量不足

* 没有代表性的训练数据

* 低质量数据

* 不相关的特征

* 过拟合训练数据

* 欠拟合训练数据

1.5 测试和确认

要评估模型在新样本上的表现，不能仅依赖训练误差，而要使用测试集来估计其推广误差（对新样本的错误率称作推广错误）。通常将数据集按 80% 训练、20% 测试 进行划分。若训练误差低而测试误差高，说明模型发生了过拟合。

当需要比较多个模型或调整超参数（如正则化强度）时，直接在测试集上反复优化会导致对测试集过拟合，从而低估实际误差。

为避免这一问题，应引入验证集，专用于调参，测试集仅用于最终评估。为了最大化数据利用，通常采用交叉验证：将训练集划分为多个子集，轮流训练和验证，选出最佳模型后，再用全部训练集重新训练，并在测试集上评估最终性能。

4.训练模型

4.1 线性回归

首先我们将以一个简单的线性回归模型为例，讨论两种不同的训练方法来得到模型的最优解：

• 直接使用封闭方程进行求根运算，得到模型在当前训练集上的最优参数（即在训练集上使损失函数达到最小值的模型参数），本质上就是最小二乘法（Least Squares）在线性回归中的具体实现形式。

• 使用迭代优化方法：梯度下降（GD），在训练集上，它可以逐渐调整模型参数以获得最小的损失函数，最终，参数会收敛到和第一种方法相同的的值。同时，我们也会介绍一些梯度下降的变体形式：批量梯度下降（Batch GD）、小批量梯度下降（Mini-batch GD）、随机梯度下降（Stochastic GD），在第二部分的神经网络部分，我们会多次使用它们。

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4.2 梯度下降

梯度下降是一种通用的优化算法，其核心思想是：通过不断迭代，沿着使损失函数下降最快的方向（即负梯度方向）调整参数，直到找到损失函数的最小值。

可以类比为：人在浓雾中下山，只能感知脚下的坡度，逐步往坡度最陡的方向走，最终走到山底。

算法从一个随机初始参数开始，每次计算损失函数的梯度，并更新参数。过程持续，直到梯度接近 0，表示已接近最低点，即模型收敛。

在梯度下降中一个重要的参数是步长，超参数学习率的值决定了步长的大小。如果学习率太小，必须经过多次迭代，算法才能收敛，这是非常耗时的。

 另一方面，如果学习率太大，你将跳过最低点，到达山谷的另一面，可能下一次的值比上一次还要大。这可能使的算法是发散的，函数值变得越来越大，永远不可能找到一个好的答案。

最后，并不是所有的损失函数看起来都像一个规则的碗。它们可能是洞，山脊，高原和各种不规则的地形，使它们收敛到最小值非常的困难。 图 4-6 显示了梯度下降的两个主要挑战：如果随机初始值选在了图像的左侧，则它将收敛到局部最小值，这个值要比全局最小值要大。 如果它从右侧开始，那么跨越高原将需要很长时间，如果你早早地结束训练，你将永远到不了全局最小值。 

4.5 线性模型的正则化

降低模型的过拟合的好方法是正则化这个模型（即限制它）：模型有越少的自由度，就越难以拟合数据。例如，正则化一个多项式模型，一个简单的方法就是减少多项式的阶数。

对于一个线性模型，正则化的典型实现就是约束模型中参数的权重。 接下来我们将介绍三种不同约束权重的方法：Ridge 回归，Lasso 回归和 Elastic Net。

4.6 逻辑回归

逻辑回归是一种用于二分类问题的统计模型，用来预测某个事件发生的概率，输出结果在 0 到 1 之间。

虽然名字叫“回归”，但逻辑回归实际上是一种分类算法。

5.支持向量机

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6.决策树

决策树是一种树形结构的分类与回归模型，它通过一系列的“if-then”规则对样本进行划分，直到叶节点给出预测结果。

7.随机森林

随机森林是由多棵决策树构成的集成学习方法。每棵树都在随机选择的训练数据子集和特征子集上训练，最终通过投票（分类）或平均（回归）给出预测结果。

8.降维

降维就是把高维数据（有很多特征）压缩成更少维度的数据表示，同时尽量保留原始数据的重要信息。

想象你正在看一本100页的书（每页代表一个特征），但其实这本书大部分内容都在重复表达同一个观点。降维就是：

用一句话概括这本书的主要意思 —— 你丢弃了冗余内容，但保留了精华。

10.神经网络

神经网络是一种模拟人脑神经元结构的算法模型，广泛用于图像识别、语音处理、自然语言理解、预测等任务。