机器学习基础讲解

一、什么是机器学习

机器学习是一种让计算机能够从数据中学习并改进的技术，其核心逻辑可以通过三个关键要素来理解：

• 针对特定任务，以大量经验数据为基础。
• 存在衡量任务完成好坏的评判标准。
• 通过分析经验数据，不断优化任务的完成效果。

一个广为人知的案例是 2016 年 3 月在韩国首尔，阿尔法围棋（AlphaGo）以总比分 4:1 战胜韩国围棋九段棋手李世石，这正是机器学习在复杂决策领域的精彩应用。

从流程上看，机器学习通过对历史数据（经验）进行训练，归纳出规律并构建模型，当输入新的未知数据（属性）时，模型就能做出预测，从而解决新的问题。

二、机器学习基本术语

1. 数据相关术语

• 数据集：数据记录的集合，例如包含多个西瓜信息的记录集合。
• 样本：数据集中的每条记录，是对一个事件或对象的描述，比如某个具体西瓜的信息。
• 特征（属性）：反映事件或对象某方面性质的事项，如西瓜的 “色泽”“根蒂”“敲声” 等。

如下表就是一个包含样本和特征的数据集示例：

编号	色泽	根蒂	敲声
1	青绿	蜷缩	浊响
2	乌黑	蜷缩	沉闷
3	乌黑	蜷缩	浊响
4	青绿	蜷缩	沉闷

2. 空间与表示

• 属性空间（样本空间）：由属性张成的空间。
• 向量表示：若数据集\(D = \{x_1, x_2, ..., x_m\}\)包含m个示例，每个样本由d个属性描述，则每个样本\(x_i=(x_{i1}, x_{i2}, ..., x_{id})\)是d维样本空间X中的一个向量，d为样本\(x_i\)的 “维数”。

3. 训练与测试相关

• 训练集：用于训练模型的数据集合，包含标记信息。例如带有 “好瓜” 与否标记的西瓜数据集：
• 训练集：用于训练模型的数据集合，包含标记信息。例如带有 “好瓜” 与否标记的西瓜数据集：
•  

  编号	色泽	根蒂	敲声	纹理	脐部	触感	密度	含糖率	好瓜
  1	青绿	蜷缩	浊响	清晰	凹陷	硬滑	0.697	0.46	是
  2	乌黑	蜷缩	沉闷	清晰	凹陷	硬滑	0.774	0.376	是
  ...	...	...	...	...	...	...	...	...	...

• 测试集：用于测试模型的数据集合，通常不包含标记信息（或标记信息用于验证），如下表中 “好瓜” 一栏为 “？”，等待模型预测：

编号	色泽	根蒂	敲声	纹理	脐部	触感	密度	含糖率	好瓜
15	乌黑	稍蜷	浊响	清晰	稍凹	软粘	0.36	0.37	？
16	浅白	蜷缩	浊响	模糊	平坦	硬滑	0.593	0.042	？
17	青绿	蜷缩	沉闷	稍糊	稍凹	硬滑	0.719	0.103	？

三、机器学习的主要类型

1. 监督学习

利用已知类别的样本调整模型参数，数据集包含 “正确答案”（标记）。分为：

• 分类：模型输出为有限的离散型数值。例如判断西瓜是否为好瓜，输出 “是” 或 “否”。

编号	色泽	根蒂	敲声	好瓜
1	青绿	蜷缩	浊响	是
2	乌黑	蜷缩	沉闷	是
3	乌黑	蜷缩	浊响	否
4	青绿	蜷缩	沉闷	？

• 回归：模型输出为某个范围内的连续型数值。例如预测房屋价格，价格可以是连续的数值。

编号	房屋面积	区域	地铁附近	价格
1	88	A 区	是	880000
2	104	B 区	否	1500000
3	79	A 区	否	990000
4	90	A 区	是	？

2. 无监督学习

提供数据集合但不提供标记信息，典型算法是 “聚类”，即将样本分成不同的类别。例如分析交易数据，像向购买尿布的人推荐葡萄酒，就是基于无监督学习发现的购买模式。

3. 集成学习

通过构建并结合多个学习器来完成学习任务，以提高模型的性能和稳定性。

四、模型评估与选择

1. 评估指标

• 错误率：分类错误的样本数占样本总数的比例。
• 精度：1 减去错误率。
• 残差：模型实际预测输出与样本真实输出的差异。
• 训练误差（经验误差）：模型在训练集上的误差。
• 泛化误差：模型在新样本上的误差。
• 损失函数：衡量模型预测误差大小的函数，损失函数越小，模型越好，例如通过数据拟合直线时，预测价格与实际价格的差异衡量。

2. 模型常见问题

• 欠拟合：模型未充分捕捉数据特征，特征集过小，对数据拟合不好，本质是对数据特征学习不够。例如将所有绿色的东西都认为是树叶。
• 过拟合：模型过度学习训练数据，包括噪声特征，导致泛化能力差。例如认为树叶必须有锯齿，从而错误判断无锯齿的树叶。

3. 问题处理方式

• 过拟合处理：
  • 增加训练数据，减少噪声影响。
  • 降维，丢弃无用特征。
  • 正则化，减小参数大小。
  • 采用集成学习方法。
• 欠拟合处理：
  • 添加新特征，增强与样本标签的相关性。
  • 增加模型复杂度，提升拟合能力。
  • 减小正则化系数。

4. 模型选择原则

• 奥卡姆剃刀原理：“如无必要，勿增实体”，选择能很好解释已知数据且简单的模型。
• 没有免费的午餐（NFL）：不存在对所有问题都有效的算法，谈论算法优劣需针对具体问题。

5. 评估方法

• 留出法：将数据集划分为训练集（通常 70%）和测试集（通常 30%），注意保持数据分布一致（如分层采样），并多次随机划分避免不稳定性。
• 交叉验证法：将数据集划分为k个相似互斥子集，每次用\(k-1\)个子集作为训练集，1 个作为测试集，进行k次训练和测试，返回均值，即 “k折交叉验证”。

6. 分类评估指标

• TP（真正例）：将正类预测为正类的数量。
• FP（假正例）：将反类预测为正类的数量。
• TN（真反例）：将反类预测为反类的数量。
• FN（假反例）：将正类预测为反类的数量。
• 查准率（P）：\(P=\frac{TP}{TP + FP}\)，衡量预测为正类的样本中实际正类的比例。
• 查全率（R）：\(R=\frac{TP}{TP + FN}\)，衡量实际正类中被正确预测的比例。

P-R 图可直观显示查全率和查准率，若一个学习器的 P-R 曲线被另一个完全 “包住”，则后者性能更优；若曲线交叉，则需结合具体场景判断。

五、机器学习应用领域

机器学习应用广泛，包括模式识别、计算机视觉、数据挖掘、语音识别、自然语言处理（如 Google Translate）等多个领域，正在深刻改变着我们的生活和工作方式。

通过以上内容，我们对机器学习的基本概念、类型、评估与选择等方面有了一个全面的了解，这些基础知识是深入学习机器学习的重要基石。

用通俗易懂的语言解释一下机器学习的基本术语

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