机器学习（Machine Learing）

 

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算法文章汇总

1. 什么是机器学习（Machine Learing）

1.1. 机器学习是人工智能的一个分支

        使用计算机设计一个系统，使它能够根据提供的训练数据按照一定的方式来学习； 随着训练次数的增加，该系统可以在性能上不断学习和改进 ；通过参数优化的学习模型，能够用于预测相关问题的输出。 【训练】 -> 【调优】 -> 【预测】

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1.2. 机器学习的分类

1.2.1. 机器学习根据应用场景的分类

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1.2.2. 机器学习根据算法驱动的分类

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• 监督学习：用已知某种或某些特性的样本作为训练集，以建立一个数学模型，再用已建立的模型来预测未知样本，此种方法称为有监督学习，是最常见的机器学习方法，是从标签化训练数据集中推断出函数的机器学习任务。
• 数据集：特征features + 标签label/目标target
• 其一、分类：将数据映射到预先定义的群组或类。算法要求基于数据属性值来定义类别，把具有某些特征的数据项映射到给定的某个类别上。 【标签label：离散值，类别值】
• 其二、回归：用属性的历史数据预测未来趋势。算法首先假设一些已知类型的函数可以拟合目标数据，然后利用某种误差分析确定一个与目标数据拟合程度最好的函数。
• 【标签label：连续值】分类模型处理表示类别的离散变量，而回归模型则处理可以取任意实数的目标变量，都是通过确定一个模型，将输入特征映射到预测的输出。

• 无监督学习：与监督学习相比，无监督学习的训练集没有人为标注的结果。在非监督式学习中，数据并不被特别标识，学习模型是为了推断出数据的一些内在结构。
• 数据集：只有特征features
• 实际应用中，无监督的例子非常常见，原因是 在许多真实场景中，标注数据的获取非常困难，代价非常大（比如，人工为分类模型标注训练数据） 。通常无监督学习会和监督模型相结合，比如使用无监督技术为监督模型生成输入数据，无监督学习方法发挥作用的情形。
• 在很多情况下，聚类模型等价于分类模型的无监督形式。在聚类中，把数据进行分
  割，这样每个数据样本就会属于某个部分，称为类簇。类簇相当于类别，只不过不知道真实的类别。

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1.3. 机器学习的使用        

        机器学习是 数据通过算法构建出模型并对模型进行评估 ，评估的性能如果达到要求就拿这个模型来测试其他的数据，如果达不到要求就要调整算法来重新建立模型，再次进行评估，如此循环往复，最终获得满意的经验来处理其他的数据。机器学习更多的表现是，根据【已有的数据】，选用【合适的算法】，【训练模型】，【预测未来】

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1.4. AI、ML及DL关系

1956 年提出 AI 概念，短短3年后（1959） Arthur Samuel 就提出了机器学习的概念：

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         机器学习不是某种具体的算法，而是很多算法的统称。机器学习包含了很多种不同的算法，深度学习就是其中之一，其他方法包括决策树，聚类，贝叶斯等。

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1.5. 机器学习（Machine Learning）的基础概念

        通过训练集（历史数据），不断识别特征（features，数据类型Double），不断建模（将数据代入算法中获取模型：训练模型），最后形成有效的模型（最佳模型），这个过程就叫“机器学习”！

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 机器学习根据训练方法大致可以分为3大类：

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2. 监督学习和无监督学习

2.1. 监督学习（Supervised Learning）

        监督学习是指我们给算法一个数据集，并且给定正确答案。 机器通过数据来学习正确答案的计算方法。

准备了一大堆猫和狗的照片，想让机器学会如何识别猫和狗。当使用监督学习的时候，需要给这些照片打上标签。

​ 将打好标签的照片用来训练

 

给照片打的标签就是“正确答案”，机器通过大量学习，就可以学会在新照片中认出猫和狗。

​ 当机器遇到新的小狗照片时就能认出他

这种通过大量人工打标签来帮助机器学习的方式就是监督学习，这种学习方式效果非常好，但是成本也非常高。监督学习有2个主要的任务：

1、回归：
        预测连续的、具体的数值。比如：支付宝里的芝麻信用分数。
2、分类：
        对各种事物分门别类，用于离散型（什么是离散？）预测。

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主流的监督学习算法：

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2.2. 非监督学习（Unsupervised Learning）

        非监督学习中，给定的数据集没有“正确答案”，所有的数据都是一样的。无监督学习的任务是从给定的数据集中，挖掘出潜在的结构。

把一堆猫和狗的照片给机器，不给这些照片打任何标签，但是希望机器能够将这些照片分类

​ 将不打标签的照片给机器

 

通过学习，机器会把这些照片分为2类，一类都是猫的照片，一类都是狗的照片。虽然跟上面的监督学习看上去结果差不多，但是有着本质的差别：

非监督学习中，虽然照片分为了猫和狗，但是机器并不知道哪个是猫，哪个是狗。对于机器来说，相当于分成了 A、B 两类。

​ 机器可以将猫和狗分开，但是并不知道哪个是猫，哪个是狗

2.2.1. 无监督学习的使用场景一：发现异常

• 有很多违法行为都需要”洗钱”，这些洗钱行为跟普通用户的行为是不一样的，到底哪里不一样？
• 通过无监督学习，可以快速把行为进行分类，虽然不知道这些分类意味着什么，但是通过这种分类，可以快速排出正常的用户，更有针对性的对异常行为进行深入分析。

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2.2.2. 无监督学习的使用场景二：用户细分

• 对于广告平台很有意义，不仅把用户按照性别、年龄、地理位置等维度进行用户细分，还可以通过用户行为对用户进行分类。
• 通过很多维度的用户细分，广告投放可以更有针对性，效果也会更好

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2.2.3. 无监督学习的使用场景三：推荐系统

• 大家在淘宝、天猫、京东上逛的时候，总会根据你的浏览行为推荐一些相关的商品，有些商品就是无监督学习通过聚类来推荐出来的。
• 系统会发现一些购买行为相似的用户，推荐这类用户最”喜欢”的商品。

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2.2.4. 常见的2类无监督学习算法

（1）聚类：简单说就是一种自动分类的方法，在监督学习中，你很清楚每一个分类是什么，但是聚类则不是，你并不清楚聚类后的几个分类每个代表什么意思。

（2）降维：降维看上去很像压缩。这是为了在尽可能保存相关的结构的同时降低数据的复杂度。

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2.3. 监督学习和无监督学习的对比

1. 监督学习是一种目的明确的训练方式，知道得到的是什么；而无监督学习则是没有明确目的的训练方式，无法提前知道结果是什么。
2. 监督学习需要给数据打标签；而无监督学习不需要给数据打标签。
3. 监督学习由于目标明确，所以可以衡量效果；而无监督学习几乎无法量化效果何。

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无监督学习是一种机器学习的训练方式，它本质上是一个统计手段，在没有标签的数据里可以发现潜在的一些结构的一种训练方式。主要具备3个特点：

1. 无监督学习没有明确的目的
2. 无监督学习不需要给数据打标签
3. 无监督学习无法量化效果

3. 什么是算法（Algorithm）

        简单说，算法就是：解决问题的手段，并且是批量化解决问题的手段。比如你想要木头桌子，那么制造桌子的工厂就是“一套算法”。提供（输入）木头，就会得到（输出）桌子。

关于算法，有3点需要注意：

1. 解决不同的问题可能会用到不同的算法，也可能用相同的算法。没有某种算法是万能的，只是适用的范围不同而已。
2. 算法没有高级和低级之分，快速便宜的解决问题才是目的，一味追求复杂的算法（例如：深度学习），相当于“用大炮打蚊子”。
3. 有时候有多种算法可以解决同一个问题，用最低的成本和最短的时间解决问题才是目的。根据不同环境选择合适的算法很重要。

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4. 机器学习的基本思路

机器学习的基本思路，如下三个步骤：

1. 把现实⽣活中的问题抽象成数学模型，并且很清楚模型中不同参数的作⽤
2. 利⽤数学⽅法对这个数学模型进⾏求解，从⽽解决现实⽣活中的问题
3. 评估这个数学模型，是否真正的解决了现实⽣活中的问题，解决的如何？

⽆论使⽤什么算法，使⽤什么样的数据，最根本的思路都逃不出上⾯的3步！

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机器学习在实际操作层⾯⼀共分为7步：

1）、收集数据
2）、数据准备【特征工程】
3）、选择⼀个模型
4）、训练
5）、评估
6）、参数调整
7）、预测（开始使⽤）
 

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5. 机器学习核心

机器学习核心：数据+算法，两者缺一不可

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6. 机器学习三要素

使用机器学习库时，三要素为：算法、模型、策略。

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机器学习调优：
1）、数据集（特征处理如何）
2）、算法参数
3）、集成算法（RF、GBT）

7. Spark ML机器学习库

在Spark MLlib机器学习库提供两套算法实现的API：基于RDD API和基于DataFrame API。

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用户画像标签模型开发中，均使用基于DataFrame API开发的算法库，其中一些概念如下：

1）、DataFrame: This ML API uses DataFrame from Spark SQL as an ML dataset,which can hold a variety of data types. E.g., a DataFrame could have different columns storing text, feature vectors, true labels, and predictions.
一种数据结构，来源于SparkSQL中，DataFrame = Dataset[Row]，存储要训练的和测试的数据集；

2）、Transformer: A Transformer is an algorithm which can transform one DataFrame into another DataFrame. E.g., an ML model is a Transformer which transforms a DataFrame with features into a DataFrame with predictions.
转换器，一种算法Algorithm，必须实现transform方法。比如：模型Model就是一个转换器，将 输入的数据集DataFrame，转换为预测结果的数据集DataFrame；

3）、Estimator: An Estimator is an algorithm which can be fit on a DataFrame to produce a Transformer. E.g., a learning algorithm is an Estimator which trains on a DataFrame and produces a model.
估计器或者模型学习器，将数据集DataFrame转换为一个Transformer，实现 fit() 方法，输入一个 DataFrame 并产生一个 Model，即一个 Transformer（转换器）；

4）、Parameter: All Transformers and Estimators now share a common API for specifying parameters.
参数，无论是转换器Transformer 还是模型学习器Estimator都是一个算法，使用算法的时候必然有参数。

数据转换为特征features，过程称之为特征工程（特征提取、特征转换、特征选择），以DataFrame API。

1）、特征转换
        http://spark.apache.org/docs/2.2.0/ml-features.html#featuretransformers

2）、特征选择
        http://spark.apache.org/docs/2.2.0/ml-features.html#feature-selectors

3）、特征提取
        主要针对文本数据特征的提取（NLP）
                http://spark.apache.org/docs/2.2.0/ml-features.html#feature-extractors
        在Spark 2.4版本中提供针对图像数据特征的提取
                http://spark.apache.org/docs/2.4.0/ml-datasource
                        spark.read
                                .format("image")
                                .option("dropInvalid", true)
                                .load("data/mllib/images/origin/kittens")

8. 机器学习模型开发

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 机器学习模型开发时，存在两个循环：
        1）、第一个循环：特征工程（80%）不断对数据进行处理，获取特征值
        2）、第二个循环：最佳模型（程序自己完成）不断调整算法参数，获取模型并评估，得到最佳模型

特征工程：数据预处理，主要包含如下操作
Preprocessing data to avoid "garbage in, garbage out"

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模型开发完成流程图如下：

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9. 训练集、验证集、测试集

        数据在人工智能技术里是非常重要的！机器学习中数据集分为3种数据集：训练集、验证集、测试集。先用一个不恰当的比喻来说明3种数据集之间的关系：

1、训练集相当于上课学知识
2、验证集相当于课后的的练习题，用来纠正和强化学到的知识
3、测试集相当于期末考试，用来最终评估学习效果

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9.1. 什么是训练集

        训练集（Training Dataset）是用来训练模型使用的，训练集（Training Dataset）主要在训练阶段使用。

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9.2. 什么是验证集

        当模型训练好之后，并不知道它的表现如何。可以使用验证集（Validation Dataset）来看看模型在新数据（验证集和测试集是不同的数据）上的表现如何。同时通过调整超参数，让模型处于最好的状态。

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验证集有2个主要的作用：

1. 评估模型效果，为了调整超参数而服务
2. 调整超参数，使得模型在验证集上的效果最好

说明：

1. 验证集不像训练集和测试集，它是非必需的。如果不需要调整超参数，就可以不使用验证集，直接用测试集来评估效果。
2. 验证集评估出来的效果并非模型的最终效果，主要是用来调整超参数的，模型最终效果以测试集的评估结果为准。

9.3. 什么是测试集

当调好超参数后，就要开始「最终考试」了，通过测试集（Test Dataset）来做最终的评估。

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9.4. 如何合理的划分数据集

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数据划分的方法并没有明确的规定，不过可以参考3个原则：
1、对于小规模样本集（几万量级）
        常用的分配比例是 60% 训练集、20% 验证集、20% 测试集。
2、对于大规模样本集（百万级以上）
        只要验证集和测试集的数量足够即可
        例如有 100w 条数据，那么留 1w 验证集，1w 测试集即可。
        例如有1000w 的数据，同样留 1w 验证集和 1w 测试集。
3、超参数越少，或者超参数很容易调整
        那么可以减少验证集的比例，更多的分配给训练集。

评估模型是否学会了「某项技能」时，也需要用新的数据来评估，而不是用训练集里的数据来评估。这种「训练集」和「测试集」完全不同的验证方法就是交叉验证法。

10. 三种主流的交叉验证法

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10.1. 留出法（Holdout cross validation）

按照固定比例将数据集静态的划分为训练集、验证集、测试集的方式就是留出法。

10.2. 留一法（Leave one out cross validation）

        每次的测试集都只有一个样本，要进行 m 次训练和预测。 这个方法用于训练的数据只比整体数据集少了一个样本，因此最接近原始样本的分布。但是训练复杂度增加了，因为模型的数量与原始数据样本数量相同。 一般在数据缺乏时使用。

10.3. k 折交叉验证（k-fold cross validation）

        静态的「留出法」对数据的划分方式比较敏感，有可能不同的划分方式得到了不同的模型。「k 折交叉验证」是一种动态验证的方式，这种方式可以降低数据划分带来的影响。具体步骤如下：

1. 将数据集分为训练集和测试集，将测试集放在一边
2. 将训练集分为 k 份
3. 每次使用 k 份中的 1 份作为验证集，其他全部作为训练集。
4. 通过 k 次训练后，我们得到了 k 个不同的模型。
5. 评估 k 个模型的效果，从中挑选效果最好的超参数
6. 使用最优的超参数，然后将 k 份数据全部作为训练集重新训练模型，得到最终模型。

k 一般取 10 ，数据量小的时候，k 可以设大一点，这样训练集占整体比例就比较大，不过同时训练的模型个数也增多。 数据量大的时候，k 可以设小一点。

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