常见的机器学习算法，包含监督学习、无监督学习、半监督学习和强化学习

一、监督学习算法

  1. 线性回归（Linear Regression）
    • 简单线性回归：用于建立一个自变量和一个因变量之间的线性关系，例如根据房屋面积预测房价，其模型表达式为\(y = \beta_0+\beta_1x+\epsilon\)，其中\(y\)是因变量（房价），\(x\)是自变量（房屋面积），\(\beta_0\)和\(\beta_1\)是模型参数，\(\epsilon\)是误差项。
    • 多元线性回归：涉及多个自变量来预测因变量，如根据房屋面积、房间数量、房龄等多个因素预测房价。
  2. 逻辑回归（Logistic Regression）
    • 用于二分类问题，例如判断一封邮件是否为垃圾邮件。它通过Sigmoid函数将线性组合的结果映射到\(0 - 1\)之间，得到类别概率。其函数形式为\(P(y = 1|x)=\frac{1}{1 + e^{-(\beta_0+\beta_1x)}}\)，其中\(y\)是类别标签（0或1），\(x\)是特征向量。
  3. 决策树（Decision Tree）
    • ID3算法：以信息增益为准则选择划分属性，构建决策树。例如在一个动物分类问题中，根据是否有毛发、是否会飞等特征来判断是哺乳动物、鸟类还是其他动物。
    • C4.5算法：改进了ID3算法，使用信息增益比来选择属性，能够处理连续属性和缺失值。
    • CART（Classification and Regression Tree）：既可以用于分类也可以用于回归。分类时采用基尼指数选择划分属性，回归时采用平方误差最小化原则。
  4. 随机森林（Random Forest）
    • 它是由多个决策树组成的集成学习算法。通过对训练集进行有放回的抽样，构建多个决策树，然后综合这些决策树的结果进行预测。例如在预测股票价格走势时，随机森林可以综合考虑多种技术指标和宏观经济因素。
  5. 梯度提升树（Gradient Boosting Tree， GBT）
    • AdaBoost：自适应提升算法，通过不断调整训练样本的权重，重点关注之前被错误分类的样本，将多个弱分类器组合成一个强分类器。
    • GBDT（Gradient Boosting Decision Tree）：以决策树为基学习器的梯度提升算法，在每一轮迭代中，拟合损失函数的负梯度，逐步减少损失。用于各种回归和分类任务，如电力负荷预测等。
    • XGBoost（eXtreme Gradient Boosting）：高效的梯度提升库，在GBDT的基础上进行了优化，如采用二阶泰勒展开来近似损失函数，支持并行化训练等，在数据挖掘竞赛中广泛应用。
    • LightGBM：微软开发的快速、高效的梯度提升框架，采用了直方图算法等优化技术，减少了数据存储和计算开销，在大规模数据集上表现出色。
  6. 支持向量机（Support Vector Machine， SVM）
    • 线性SVM：用于线性可分数据的分类，通过寻找一个最优的超平面将不同类别的数据分开，最大化间隔。例如在文本分类中，将正面情感和负面情感的文本分开。
    • 非线性SVM：对于非线性数据，通过核函数（如高斯核、多项式核等）将数据映射到高维空间，使其在高维空间中线性可分。例如在图像识别中，识别不同形状的物体。
  7. 朴素贝叶斯（Naive Bayes）
    • 高斯朴素贝叶斯：假设特征服从高斯分布，适用于连续特征的分类问题，如根据学生的成绩等特征判断学生是否会通过考试。
    • 多项式朴素贝叶斯：用于文本分类等问题，假设特征的概率分布是多项式分布，它可以处理文本中单词出现的频率等特征。
    • 伯努利朴素贝叶斯：假设特征是布尔变量，适用于文本分类中判断单词是否出现的情况，如判断一封邮件是否包含特定关键词来确定是否为垃圾邮件。
  8. K - 近邻（K - Nearest Neighbors， KNN）
    • 分类KNN：对于一个新的数据点，找到训练集中与其最接近的\((k\))个邻居，根据这\((k\))个邻居的类别标签进行投票，确定新数据点的类别。例如在手写数字识别中，根据与新数字最相似的\((k\))个已知数字的类别来判断新数字的类别。
    • 回归KNN：找到最近的\((k\))个邻居后，以这\((k\))个邻居的目标值的平均值或加权平均值作为新数据点的预测值，如预测一个地点的房价，参考附近房屋的价格。
  9. 神经网络（Neural Network）
    • 多层感知机（Multilayer Perceptron， MLP）：由输入层、隐藏层和输出层组成的神经网络，用于分类和回归任务。例如在语音识别中，将语音信号特征作为输入，通过隐藏层的计算，输出语音对应的文字。
    • 反向传播算法（Back - Propagation）：用于训练神经网络的算法，通过计算损失函数对各层参数的梯度，调整参数，使损失最小化。
    • 卷积神经网络（Convolutional Neural Network， CNN）
      • LeNet - 5：早期用于手写数字识别的卷积神经网络，包括卷积层、池化层和全连接层，展示了CNN在图像识别领域的潜力。
      • AlexNet：在2012年ImageNet竞赛中大放异彩，它有更深的网络结构，采用了ReLU激活函数等创新技术，推动了深度学习在图像领域的发展。
      • VGG - Net：具有更深的网络结构，通过使用小卷积核堆叠的方式构建网络，在图像分类等任务中取得很好的效果。
      • ResNet（Residual Network）：通过残差连接解决了深层神经网络的梯度消失和退化问题，能够训练非常深的网络，在各种图像任务中表现优异。
    • 循环神经网络（Recurrent Neural Network， RNN）
      • 简单RNN：具有循环连接的神经网络，能够处理序列数据，如时间序列预测或自然语言处理中的文本生成。但存在梯度消失和爆炸问题。
      • 长短期记忆网络（Long - Short - Term Memory， LSTM）：通过门控机制解决了RNN的梯度问题，能够更好地处理长序列数据。例如在机器翻译中，处理句子中单词的顺序信息。
      • 门控循环单元（Gated Recurrent Unit， GRU）：是LSTM的一种简化变体，具有更少的参数，在一些序列任务中也能取得很好的效果。

二、无监督学习算法

  1. 聚类算法（Clustering）
    • K - 均值聚类（K - Means Clustering）：将数据划分为\((k\))个簇，通过不断更新簇中心和重新分配数据点，使簇内数据点的平方和最小。例如在客户细分中，根据客户的消费行为等特征将客户分为不同的群体。
    • 层次聚类（Hierarchical Clustering）
      • 凝聚式层次聚类：从每个数据点作为一个单独的簇开始，逐步合并相似的簇，直到满足停止条件。例如在生物学中，对物种进行分类。
      • 分裂式层次聚类：从所有数据点在一个簇开始，逐步分裂簇，形成层次结构。
    • DBSCAN（Density - Based Spatial Clustering of Applications with Noise）：基于密度的聚类算法，能够发现任意形状的簇，并且可以识别数据中的噪声点。例如在地理信息系统中，对城市中的建筑物分布进行聚类。
    • 高斯混合模型（Gaussian Mixture Model， GMM）：假设数据是由多个高斯分布混合而成，通过估计每个高斯分布的参数（均值、协方差等）来进行聚类。例如在语音信号处理中，对不同语音源进行聚类。
  2. 降维算法（Dimensionality Reduction）
    • 主成分分析（Principal Component Analysis， PCA）：通过线性变换将原始数据投影到低维空间，保留数据的最大方差方向。例如在人脸识别中，将高维的人脸图像数据投影到低维空间，用于特征提取和数据可视化。
    • 奇异值分解（Singular Value Decomposition， SVD）：将一个矩阵分解为三个矩阵的乘积，可用于数据压缩和降维。在推荐系统中，通过SVD对用户 - 物品评分矩阵进行分解，提取用户和物品的潜在特征。
    • 因子分析（Factor Analysis）：试图寻找潜在变量来解释观察变量之间的相关性，用于数据降维和特征提取。例如在心理学测试中，通过因子分析找出影响心理指标的潜在因素。
    • t - SNE（t - Distributed Stochastic Neighbor Embedding）：用于高维数据的可视化，将高维数据映射到低维空间，同时保持数据点之间的相似性结构。在生物信息学中，对基因表达数据进行可视化。
  3. 关联规则挖掘（Association Rule Mining）
    • Apriori算法：用于挖掘频繁项集和关联规则，例如在超市购物篮分析中，发现哪些商品经常一起被购买，如“购买牛奶的顾客也经常购买面包”。
    • FP - Growth算法：比Apriori算法更高效的关联规则挖掘算法，通过构建频繁模式树来挖掘频繁项集。

三、半监督学习算法

  1. 自训练（Self - Training）
    • 首先使用少量有标记数据训练一个模型，然后用这个模型对无标记数据进行预测，将预测置信度高的无标记数据及其预测标签加入到有标记数据集中，重新训练模型。例如在图像分类中，先利用少量已标注的图像训练模型，再利用模型对未标注图像进行标注，扩充训练集。
  2. 半监督支持向量机（Semi - supervised Support Vector Machine）
    • 在支持向量机的基础上，利用无标记数据来调整决策边界，通过假设标记数据和无标记数据的分布情况，构建新的目标函数。例如在文本分类中，结合少量已分类的文本和大量未分类的文本进行分类模型训练。
  3. 图半监督学习（Graph - based Semi - supervised Learning）
    • 基于图的方法，将数据点看作图的节点，数据点之间的相似性看作边的权重。通过在图上传播标签信息，利用有标记节点的标签来推断无标记节点的标签。例如在社交网络分析中，根据已知用户的兴趣标签来推断其他用户的兴趣标签。

四、强化学习算法

  1. 基于价值的强化学习算法（Value - based Reinforcement Learning）
    • Q - 学习（Q - Learning）：是一种无模型的强化学习算法，通过学习动作 - 价值函数\((Q(s,a)\))来选择最优动作。例如在机器人导航中，机器人通过学习不同状态下采取不同动作的价值，来找到从起点到目标点的最优路径。
    • 深度Q - 网络（Deep Q - Network， DQN）：将Q - 学习与神经网络相结合，用于处理高维状态空间的问题。在玩Atari游戏中，通过训练神经网络来估计Q值，使智能体能够学习到游戏的最优策略。
    • 双深度Q - 网络（Double Deep Q - Network， DDQN）：解决了DQN算法中高估动作价值的问题，通过使用两个神经网络分别进行动作选择和价值评估，提高了算法的性能。
  2. 基于策略的强化学习算法（Policy - based Reinforcement Learning）
    • A2C（Advantage Actor - Critic）：将策略网络（Actor）和价值网络（Critic）结合起来，策略网络用于生成动作，价值网络用于评估状态价值，通过优化策略网络来最大化累计奖励。例如在自动驾驶中，策略网络控制车辆的驾驶动作，价值网络评估驾驶状态的安全性等价值。
    • A3C（Asynchronous Advantage Actor - Critic）：是A2C的异步版本，通过多个线程同时训练智能体，加快了训练速度。在机器人控制等任务中能够更快地学习到有效策略。
    • PPO（Proximal Policy Optimization）：一种改进的策略梯度算法，通过限制新策略和旧策略之间的差异，提高了训练的稳定性和效率。在连续控制任务和复杂的游戏环境中表现出色。
  3. 基于模型的强化学习算法（Model - based Reinforcement Learning）
    • 模型预测控制（Model Predictive Control， MPC）：利用系统的动力学模型来预测未来状态和奖励，通过在预测的轨迹中选择最优动作来控制智能体。例如在工业过程控制中，根据设备的动态模型来优化生产过程中的控制策略。
    • 世界模型（World Models）：智能体通过学习环境的模型，利用这个模型来进行规划和决策。在模拟赛车游戏等环境中，智能体可以通过学习游戏世界的模型来提高自己的驾驶策略。
posted @ 2024-12-24 16:21  软件职业规划  阅读(43)  评论(0)  编辑  收藏  举报