（机器学习）统计学习方法

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李航《统计学习方法》自学笔记

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#机器学习 第4 5 6 7 13 14 17 18 20-34 36 37 47-52讲

//TODO: 决策树预剪枝/后剪枝

Machine Learning: 十大机器学习算法 - 简书 (jianshu.com)

机器学习十大算法：

• 线性回归算法 Linear Regression
• 支持向量机算法 (Support Vector Machine,SVM)
• 最近邻居/k-近邻算法 (K-Nearest Neighbors,KNN)
• 逻辑回归算法 Logistic Regression
• 决策树算法 Decision Tree
• k-平均算法 K-Means
• 随机森林算法 Random Forest
• 朴素贝叶斯算法 Naive Bayes
• 降维算法 Dimensional Reduction
• 梯度增强算法 Gradient Boosting

Chapter 1. 介绍

1.1 分类

基本分类：

• 监督学习
• 无监督学习
• 强化学习

按技巧分类：

• 贝叶斯学习

• 核方法

算法角度：

• 在线学习
• 批量学习

1.2 基本分类

(1) 监督学习

监督学习的基本假设：X和Y具有联合概率分布 \(P(X,Y)\)

监督学习的目的：学习一个输入到输出的映射，这一映射以模型表示

模型的形式：条件概率分布 \(P(Y|X)\) 或决策函数 \(Y=f(X)\) (概率用于分类，决策描述连续)

输入空间：

• 输入空间（Input Space）：输入的所有可能取值的集合；
• 实例（Instance）：每一个具体的输入，通常由特征向量（Feature Vector）表示；
• 特征空间（Feature Space）：所有特征向量存在的空间

大多时候，输入空间和特征空间是相同的。

输出空间：

• 输出空间（Output Space）：输出的所有可能取值的集合

根据变量的不同类型，要解决的问题可以分为回归问题、分类问题和标注问题。

• 输入变量与输出变量均为连续变量的预测问题——回归问题
• 输出变量为有限个离散变量的预测问题——分类问题
• 输入变量与输出变量均为变量序列的预测问题—— 标注问题

example: 预测连续就是回归。预测属于猫狗就是分类。给一个句子标注主语谓语宾语就是序列标注

设输入变量X，输出变量Y

监督学习的基本假设：X和Y具有

(2) 无监督学习

无监督：无标注

无监督学习的目的：研究数据中的潜在结构内容，所以无监督学习对应的不是输出空间，而是隐式结构空间

• 输入空间：\(X\)

• 隐式结构空间：\(Z\)

• 模型：函数 \(z=g(x)\) ，条件概率分部 \(P(z|x)\) 或条件概率分布 \(P(x|z)\)

• 训练集：\(U=\{x_1,x_2,...,x_N\}\)

(3) 强化学习

强化学习其实要强调一个互动，互动是指的是智能系统与环境之间的一个连续互动，通过这个互动，学习一个最优的行为策略。

1.3 模型选择方法

过拟合：如果参数过多，甚至超出训练数据集中样本点的个数，这时候模型结构会十分复杂，虽然对已知数据有一个很好的预测效果，但对未知数据预测效果很差。

欠拟合：训练误差高，测试误差低

监督学习中两种常用的模型选择方法：

• 正则化
• 交叉验证

监督学习的两种基本策略：经验风险最小化（ERM）和结构风险最小化（SRM）

• 风险最小化就是认为，经验/结构风险最小的模型是最优的模型

• 经验风险最小化的例子：极大似然估计（maximum likelihood estimation）

• 结构风险最小化的例子：贝叶斯最大后验概率估计

(1) 正则化

机器学习，评估——风险函数

损失函数度量模型一次预测的好坏，风险函数度量平均意义下模型预测的好坏。

损失函数：

\[L(y_i,f(x_i)) \]

风险函数有两种：

• 经验风险

• 结构风险：考虑过拟合问题，增加正则项

经验风险 (Empirical Risk)：

\[\frac1N\sum_{i=1}^NL(y_i,f(x_i)) \]

结构风险 (Structural Risk)=经验风险+正则化项：

\[\frac1N\sum_{i=1}^NL(y_i,f(x_i))+\lambda J(f) \]

其中 \(J(f)\) 度量模型的复杂度，系数 \(\lambda\) 用以调整经验风险和模型复杂度之间的关系

一般，模型参数越多，模型越复杂，\(J(f)\) 就越大

常用正则化项：

\(L_1\) 范数：\(||w||_1=\sum_j|w_j|\) ，即参数绝对值之和

\(L_2\) 范数：\(||w||_2^2=\sum_jw_j^2\) ，即参数的平方和

(2) 交叉验证

在样本的数据量足够充足的情况下，通常可以将数据集随机地分为：

• 训练集（Training Set）：用以训练模型
• 验证集（Validation Set）：用以选择模型
• 测试集（Test Set）：用以最终对学习方法的评估

交叉验证的基本思想就是，重复使用数据，以解决数据不足的这种问题。

(2.1) 简单交叉验证

将数据集随机的分为：

• 训练集
• 测试集

通过训练集得到不同的学习模型，将学习训练得到的不同模型放到测试集上，计算测试误差，测试误差最小的模型则是最优模型

(2.2) S折交叉验证

随机将数据分为 S 个互不相交、大小相同的子集，其中以 S-1 个子集作为训练集，余下的子集作为测试集

(2.3) 留一交叉验证

每次用N-1个样本训练模型，余下的那个样本测试模型。这是在数据非常缺乏的情况下才使用的方法。

1.3 泛化能力

泛化能力：指的是通过某一学习方法训练所得模型，对未知数据的预测能力

测试误差：计算测试误差所使用的样本为测试集

\[\frac1{N^\prime}\sum_{i^\prime=1}^{N^\prime}L(y_{i^\prime},\hat f(x_{i^\prime})) \]

(1) 泛化误差

泛化误差：是基于整个样本空间的

\[\begin{aligned} R_{exp}(\hat f)&=E_p[L(Y,\hat f(X))]\\ &=\int_{X\times Y}L(y,\hat f(x))P(x,y)dxdy \end{aligned} \]

• 泛化误差是度量对未知数据预测能力的理论值，测试误差则是经验值

• 在训练集上的误差成为“训练误差”(训练)。在新样本上的误差称为“泛化误差”(实战)

(2) 泛化误差上界

泛化误差上界：泛化误差的概率上界。

在理论上比较两种学习方法所得模型的优劣时，可通过比较两者的泛化误差上界来进行

泛化误差上界的两条性质：

• 样本容量的函数：当样本容量增加时，泛化误差上界趋于 0。
• 假设空间容量的函数：假设空间容量越大，模型就越难学，泛化误差上界就越大。

1.4 生成模型与判别模型

(1) 生成模型

生成模型：由数据学习联合分布概率 \(P(X,Y)\)，然后求出 \(P(Y|X)\) 作为预测模型，即生成模型（Generative Model）：

\[P(Y|X)=\frac{P(X,Y)}{P(X)} \]

• 每给定一个输入变量X，就可以根据分布函数生成一个输出变量Y

• 生成模型中的输入变量和输出变量，都为随机变量

典型的生成模型有朴素贝叶斯法，还有隐马可夫模型

(2) 判别模型

判别模型：由数据直接学习决策函数 \(f(X)\) 或者条件概率分布 \(P(Y|X)\) 作为预测模型，即判别模型（Discriminative Model）

• 不需要考虑X和Y的联合分布

• 判别方法是有针对性的，研究的是对于特定的输入，应该预测得到一个什么样的输出

典型的判别模型有 k 近邻法、感知机，还有决策树

(3) 差异

从样本量上来比较：

1. 生成模型所需要的数据量较大，因为只有在大数据量的情况下，才能够更好地估计联合概率分布，也就是所有变量的一个全概率模型；
2. 判别模型，是针对性地学习，只需要得到条件概率分布或者决策函数即可，所以不需要像生成模型的那样，必须配备足够多的样本，因此判别模型所需的样本量要少于生成模型。

从目的来比较：

1. 生成模型可以还原联合概率分布，借此可以计算出边际分布和条件概率分布，所以可以提供更多的信息；
2. 判别模型的目的就是预测，所以准确率往往比生成模型会更高一些。

从过程来比较：

1. 对生成模型而言，样本容量越多，学习到的模型就能够更快地收敛到真实模型上，所以生成模型的收敛速度，较之判别模型更快；
2. 判别模型，是直接学习的过程，所以不需要面面俱到，因此可以简化学习问题。

从反映数据特征来比较：

1. 生成模型学习到的模型更接近于真实模型，所以能够反映同类数据本身的相似度；
2. 判别模型，并不考虑数据的各项特征，所以并不能像生成模型那样反映数据本身的特性。

最后一条是关于隐变量的，生成模型，可以很好地应对具有隐变量的情况，比如混合高斯模型

Chapter 2. 模型

2.1 KNN

KNN (K-Nearest-Neighbour)可以说是机器学习中最简单的是一种「分类回归方法」

KNN是一种Lazy Learning，也就是一种不具有显性表达式的方法

(1) 算法介绍

(1.1) 主要思想

主要思想：给定一个训练数据集，其中实例标签已定，当输入新的实例时，可以根据其最近 \(k\) 个训练实例的标签，预测新实例对应的标注信息。

当给定一个新的实例 \(x\) 时，我们就可以在训练数据集 \(T\) 里面寻找与 \(x\) 最近的 \(k\) 个实例，然后根据这 \(k\) 个实例的标签来决定新实例的 \(y\) 值。

(1.2) 具体算法

输入：训练集 \(T=\{(x_1,y_1),(x_2,y_2),...,(x_N,y_N)\}\) 其中 \(y=c_1,c_2,...c_K\)

输出：实例 \(x\) 所属类别 \(y\)

步骤：

• 给出距离度量的方式，计算新的 \(x\) 与训练集 \(T\) 中每个点的距离

• 找出与 \(x\) 最相近的 \(k\) 个点，将覆盖这 \(k\) 个点的 \(x\) 的领域记作 \(N_k(x)\)

• 根据分类决策规则来决定 \(x\) 所属的类别 \(y\)，即

\[y=\max_{c_j}\sum_{x_i\in N_k(x)}I(y_i=c_j),i=1,2,...,N;j=1,2,...,K \]

其中，\(I(y_i=c_j)\) 是一个示性函数，\(y_i=c_j\) 时，函数值为1

0-1损失函数：

\[L(Y,f(X))= \left\{ \begin{aligned} &1,&Y\ne f(X)\\ &0,&Y=f(X) \end{aligned} \right. \]

(2) 三要素

• 距离度量
• k个邻居
• 分类决策规则

(2.1) 距离度量

\(L_p\) 距离：

\[L_p(x_i,x_j)=(\sum_{l=1}^n|x_i^{(l)}-x_j^{(l)}|^p)^{\frac1p} \]

其中，\(x^{(l)}\) 代表第 \(l\) 个特征

如图：

• 横坐标是第一个特征 (身高)，纵坐标是第二个特征 (体重)
• ×代表男，· 代表女
• 根据红点与周围点的距离判定类别

example:

假设我想让你帮我区分一个人是好人还是坏人。我就给你2个纬度的信息: 1.你的手机过去一个月内平均每天的通话时长，2.你过去一个月每个月的收入金额。 你帮我用knn建模。训练集10000个样本，里面有5000好人，5000坏人。现在每个训练集在这2个维度上就有个分布情况。比如横轴是 通话 纵轴是 收入。然后新来一个样本点，第10001个，这个样本点就可以用之前的10000个做knn了，找第10001样本周围欧式距离最近的k个样本计算

knn不用训练什么参数，k就是唯一要考虑的

(2.2) k值的选择

特点	值较小	值较大
近似误差	小	大
估计误差	大	小
敏感性	强	弱
模型	复杂	简单
拟合程度	过拟合	欠拟合

\(k\) 可通过交叉验证选择

(2.3) 分类决策规则

多数表决规则：由输入实例的 \(k\) 个邻近的训练实例中的多数类决定输入实例的类别

(3) kd树

讲义（十四）：kd 树的构造和搜索

从根本上来看，是一个二叉树结构，每个结点代表 \(k\) 维超矩形区域

(3.1) 构建

输入：\(k\) 维空间数据集：

\[T=\{x_1,x_2,...,x_N\} \]

其中 \(x_i=(x_i^{(1)},x_i^{(2)},...x_i^{(k)})\)，\(x_i^{(l)}\) 的上标代表第 \(l\) 个特征的值

输出：kd 树

构建过程：见 讲义（十四）：kd 树的构造和搜索

(3.2) 搜索

输入：kd树，目标点是 \(x\)

输出：\(x\) 的最近邻

搜索过程：

• 寻找“当前最近点”：从根结点出发，递归访问 kd 树，找出包含 \(x\) 的叶结点，以此叶结点为“当前最近点”

• 回溯：以目标点和"当前最近点"的距离沿树根部进行回溯和迭代，当前最近点一定存在于该结点一个子结点对应的区域，检查子结点的父结点的另一子结点对应的区域是否有更近的点。当回退到根结点时，搜索结束，最后的“当前最近点”即为 的最近邻点。

2.2 感知机

感知机是一个二分类的线性分类模型，之所以说是线性，是因为它的模型是线性形式的

(1) 模型

输入：\(x=(x^{(1)},x^{(2)},...,x^{(n)})^T\) ，即 \(n\) 维特征向量

输出：\(y=+1,-1\)

感知机：

\[f(x)=sign(w\cdot x+b)= \left\{ \begin{aligned} &+1,&w\cdot x+b\ge0\\ &-1,&w\cdot x+b<0 \end{aligned} \right. \]

其中 \(w=(w^{(1)},w^{(2)},...,w^{(n)})^T\) 称为权值，\(b\) 为Bias，\(w\cdot x\) 为内积

在几何中，如果环境空间是 \(n\) 维的，那么它所对应的超平面其实就是一个 \(n-1\) 维的子空间。换句话说，超平面是比他所处的环境空间小一个维度的子空间

感知机：

(2) 学习策略

感知机模型，有一个比较严苛的条件，就是要求数据集必须是线性可分的 (存在超平面划分)

特征空间中，任意一点到超平面的距离：

\[\frac1{||w||}|w\cdot x_0+b| \]

若 \(x_0\) 是正确分类点，则：

\[\frac1{||w||}|w\cdot x_0+b|= \left\{ \begin{aligned} &\frac{w\cdot x_0+b}{||w||},&y_0=+1\\ &-\frac{w\cdot x_0+b}{||w||},&y_0=-1 \end{aligned} \right. \]

若 \(x_0\) 是错误分类点，则：

\[\frac1{||w||}|w\cdot x_0+b|= \left\{ \begin{aligned} &-\frac{w\cdot x_0+b}{||w||},&y_0=+1\\ &\frac{w\cdot x_0+b}{||w||},&y_0=-1 \end{aligned} \right. =\frac{-y_0(w\cdot x_0+b)}{||w||} \]

如果是错误分类点，通过分类器所得到的类别 \(f_0(x_0)\) 与 真实的类别 \(y_0\)， 应该符号相反。

如果用 \(M\) 代表所有误分类点的集合，则所有误分类点到超平面 \(S\) 的距离总和为：

\[-\frac1{||w||}\sum_{x_i\in M}y_i(w\cdot x_i+b) \]

所以最小化距离等价于最小化损失函数：

\[L(w,b)=-\sum_{x_i\in M}y_i(w\cdot x_i+b) \]

• \(||w||\) 不会影响距离和的符号，即不影响正值还是负值的判断。
• \(||w||\) 不会影响感知器算法的最终结果。算法终止条件，是不存在误分类点。这时候 \(M\) 为空集，那么误分类点的距离和是否为 0 取决于分子，而不是分母，因此与 \(||w||\) 的大小无关。

2.3 决策树

决策树是一棵多叉树

(1) 概念

决策树的根本其实还是一个条件概率模型，条件概率分布就相当于对特征空间的划分

如图

• 对于特征 \(x^{(1)}\) 和 \(x^{(2)}\) 而言，他们的取值空间为 \([0,1]\) 区间
• 每个区域标 \(-1\) 和 \(+1\) 就是对应的类别

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例如：

特征：\(x_i^{(1)}=\)年收入，\(x_i^{(2)}=\)房产，\(x_i^{(3)}=\)婚姻状况

类别：\(y_1=\)可以偿还，\(y_2=\)无法偿还

构建决策树：

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非叶子结点代表特征，叶子结点代表类别

(2) 构建

1. 构建根节点：训练数据集，包含 \(N\) 个样本

2. 选择最优特征：选择最优特征来分割训练数据集

3. 判断是否产生了叶节点：若子集被正确分类，构建叶子结点，否则，重新选择新的最优特征

4. 重复2, 3

(2.1) 如何选择最优特征

ID3算法：用信息增益选择最优特征，侧重于选择数量较多的某一特征

1. 计算经验熵
2. 计算经验条件熵
3. 计算信息增益
4. 信息增益比最大值确认最优特征

C4.5算法：用信息增比选择最优特征，侧重于某一特征单位数量的选择

(2.2) 信息增益

经验熵：

\[H(D)=-\sum^K_{k=1}\frac{|C_k|}{|D|}\log_2\frac{|C_k|}{|D|} \]

其中：

• 训练数据集 \(D\)，其样本容量 \(|D|\) (样本个数)
• 设有 \(K\) 个类别 \(C_k\)，\(k=1,2,...,K\)，\(|C_k|\) 为属于类 \(C_k\) 的样本个数

\[\sum^K_{k=1}|C_k|=|D| \]

在特征 \(A\) 下每个子集所占的权重为

\[w_i=\frac{|D_i|}{|D|} \]

经验条件熵：

\[H(D|A)=\sum^n_{i=1}\frac{|D_i|}{|D|}H(D_i) \]

信息增益：

\[g(D,A)=H(D)-H(D|A) \]

物理意义：

得知特征 \(A\) 而使类 \(Y\) 的 信息的不确定性 减少的程度

(3) 预剪枝

好的模型，树的深度小，叶子结点少。

剪枝的目的：解决过拟合的问题

分类：

• 预剪枝：生成过程中，对每个结点划分前进行估计，若当前结点的划分不能提升泛化能力，则停止划分，记当前结点为叶结点
• 后剪枝：生成一棵完整的决策树后，从底部向上对内部结点进行考察，如果将内部结点变成叶结点，可以提升泛化能力，那么就进行交换。

(4) 后剪枝

REP，PEP，MEP，EBP，CCP

2.4 朴素贝叶斯

朴素贝叶斯算法（Naive Bayes）基于概率论的贝叶斯定理，应用非常广泛，从文本分类、垃圾邮件过滤器、医疗诊断等等。朴素贝叶斯适用于特征之间的相互独立的场景，例如利用花瓣的长度和宽度来预测花的类型。“朴素”的内涵可以理解为特征和特征之间独立性强。

Chapter 3. CART，SVM

3.1 CART

3.2 逻辑回归

Logistic函数：

\[p(t)=\frac{exp(\alpha+\beta t)}{1+exp(\alpha+\beta t)} \]

其中，令 \(x=\alpha+\beta t\)，那么就形成一个 Sigmoid function：

\[\begin{aligned} F(x)&=\frac{e^x}{1+e^x}\\ \end{aligned} \]

可以理解为 多个逻辑回归一个个嵌套起来 成为早期的神经网络

3.3 SVM

SVM (Support-Vector Machine) 支持向量机，是一种用于分类回归的方法。发表于1995年。

红框点，对于某个超平面，“最小间隔的点(几何间隔 \(\gamma_i\) )” 最大的时候，类别分的最开

那些被最终选中的点，因为在代数空间中，我们也可以用向量表示，所以称为支持向量机，有了它们的支持就可以找到唯一分离的超平面

(1) 算法

SVM的分类决策可以写成：

\[f(x)=sign(w\cdot x+b) \]

与感知机类似

几何间隔 \(\gamma_i\) 正是实例点 \(x_i\) 到超平面 \(\omega\cdot x+b=0\) 的距离：

\[\frac{|\omega\cdot x_i+b|}{||\omega||} \]

同时，为了去掉绝对值符号，引入分类标签 \(y_i\)，即 \(x_i\) 对应的类别：

\[\gamma_i=\frac{y_i(\omega\cdot x_i+b)}{||\omega||}=y_i(\frac{\omega\cdot x_i}{||\omega||}+\frac{b}{||\omega||}) \]

其中 \(||\omega||\) 代表欧式距离，\(\omega\) 是 \(n\) 维向量

间隔的最小值记作：

\[\gamma=\min_{i}\gamma_i \]

那么优化问题可以写成：

\[\begin{aligned} &\max_{\omega,b}\gamma\\ &s.t.&y_i(\frac{\omega\cdot x_i}{||\omega||}+\frac{b}{||\omega||})\ge\gamma \end{aligned} \]

为了解决模型的不可识别性，即 \(3x^{(1)}+4x^{(2)}+1=0\) 与 \(6x^{(1)}+8x^{(2)}+2=0\) 表示同一个超平面，引入归一化思想：令 \(||\omega||=1\) ，再给 \(\gamma\) 加个约束 \(\gamma=1\) (SVM中约定俗成的是定为1)，也就是距离超平面最近的点距离都是 1

优化问题变为：

\[\begin{aligned} &\min_{\omega,b}||\omega||\\ &s.t.&y_i(\omega\cdot x_i+b)\ge1 \end{aligned} \]

也就是将约束条件 \(\gamma=1\) 隐藏在优化问题中，而不是单独列出来

线性可分SVM的最优解是唯一解

(2) 最大间隔算法

输入：训练数据集

\[T=(x_1,y_1),...,(x_N,y_N) \]

输出：最大间隔分离超平面与决策函数

【十分钟 机器学习 系列课程】 讲义（43）:SVM支持向量机-线性可分支持向量机的对偶问题

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Appendix

激活函数对比

sigmoid缺点：

• 激活函数的计算量较大，在反向传播中，当求误差梯度时，求导涉及除法；
• 在反向传播中，容易就会出现梯度消失，无法完成深层网络的训练；
• 函数的敏感区间较短，(-1,1)之间较为敏感，超过区间，则处于饱和状态，

relu对比于sigmoid：

• sigmoid的导数，只有在0附近，具有较好的激活性，而在正负饱和区的梯度都接近于0，会造成梯度弥散；而relu的导数，在大于0时，梯度为常数，不会导致梯度弥散。
• relu函数在负半区的导数为0 ，当神经元激活值进入负半区，梯度就会为0，也就是说，这个神经元不会被训练，即稀疏性；
• relu函数的导数计算更快，程序实现就是一个if-else语句；而sigmoid函数要进行浮点四则运算，涉及到除法；

relu的缺点：

在训练的时候，ReLU单元比较脆弱并且可能“死掉”。举例来说，当一个很大的梯度，流过ReLU的神经元的时候，可能会导致梯度更新到一种特别的状态，在这种状态下神经元将无法被其他任何数据点再次激活。如果这种情况发生，那么从此所以流过这个神经元的梯度将都变成0。也就是说，这个ReLU单元在训练中将不可逆转的死亡，因为这导致了数据多样化的丢失。