机器学习概述

最近在学习机器学习的基础知识，在此记录一下

目前最火的机器学习框架是Scikit-Learn和pytorch，因此，之后的一段时间会使用这两种框架搭建机器学习的模型，相应的学习资源也会开源，希望可以学习到很多知识。

简单介绍机器学习的概念和应用：

机器学习：指利用计算机的机器通过统计学等算法知识，对大量收集到的历史数据进行学习和分析，进而利用生成的经验模型指导相关的业务，例如我们生活中常见的金融风险预测、股票预测、送餐时间预测、电影推荐系统、垃圾邮件过滤、预测蛋白子的三维结构、检查皮肤癌等等。同时机器学习是一门多领域交叉学科，涉及概率论、统计学、逼近论、凸分析、算法复杂度理论等多门学科。因此，数学知识的积累是学习机器学习必不可少的一部分。同时，机器学习被用于专门研究计算机怎样模拟或实现人类的学习行为，以获取新的知识或技能，重新组织已有的知识结构，使之不断改善自身的性能。所以，机器学习一直都是人工智能的中不可或缺的一部分。
我们生活中一个数据极为充沛的时代，使用机器学习算法可以将数据转换为知识。
应用：
1.图像识别
2.医疗诊断
3.自然语言处理
4.医疗健康
5.推荐系统
6.语音识别
7.能源管理
8.计算机视觉
9.智能家居
10.预测
11.社交媒体分析
12.商品图片分类
13.自动语言翻译
14.智能客服
15.在线欺诈检测
16.金融风险

一.机器学习的几个子领域

1.1三种机器学习类型

1.1.1预测未来的监督学习

监督学习的目的在于从有标签的训练数据中学习一个模型，并使用这一模型预测未知或未来无标签数据。监督学习又被誉为有标签的学习。
训练：处理数据->使用机器学习算法训练模型->预测模型
测试：新数据->预测模型->预测标签

预测离散数值标签的分类任务
预测连续数值标签的回归任务

在给定一组数据的特征变量x和一个目标变量y，为该数据拟合一条直线，使数据点和拟合直线之间的距离（局方距离，平均平方距离等）最小。

简单的举个例子
比如给定一组数据来预测学生的成绩：x=(0,200,89),y=76
其中0表示性别，200表示做题目的数量，89表示上次的成绩
给定这样的大量数据，从而预测y(最终学生的学习成绩)
这样的一组数据就是有监督的数据。
当然，可能存在多个标签，比如预测的y是成绩和性格等，此处只是只是简单的举个例子，并不一定x和y之间的关系是正确的。

1.1.2解决交互问题的强化学习

强化学习是一个可以和学习环境交互提高系统性能的智能体。通过相应的激励信号给与一定的反馈，但是提供的反馈信息往往不一定是正确的标签，而是奖励函数对智能体动作做出的奖励，用于衡量动作的正确程度。一般来说强化学习是一种试错机制，使用动态规划的方法或探索性的试错方法学习到一系列的动作，最大化环境提供的奖励。

1.1.3发现数据中隐藏规律的无监督学习

无需知道数据的变量或结构未知的数据或奖励的函数，通过聚类的方式挖掘数据结构性信息或数据间关系的方法，这些信息之间具有一定的相似性或差距。
例如给定一组客户的兴趣数据，然后发现特定的兴趣的客户群，从而可以指定有效的营销计划，那么如何使用机器学习的方式将其进行聚类，发现其中的规律，并制定相应的营销计划。
无监督学习还有一个作用，就是如何用于降为压缩数据。
如何将一个高维的数据进行降为，还可以保存相应的特征？这便是无监督数据的另外一个研究方向。这个研究方向一般被应用于特征预处理，去除数据中的噪声，但是一般降维会降低机器学习算法的预测性能。数据降维会在保留数据大部分信息的前提下，将数据从高维子空间压缩到低维子空间。

1.2基本术语与符号

符号：小写加粗x一般表示向量，大写加粗X表示矩阵，R表示实数
术语

训练样例：数据集中的每一行，与观察、记录、实例、样本同义。
训练：模型拟合。类似于参数估计。
特征：缩写为x，数据表格或数据矩阵的一列。与预测变量、变量、输入、属性、协变量定义。
目标：缩写为y,与结果、输出、响应变量、因变量、标签、真实值同义。
损失函数：通常与代价函数同义，有时也称为误差函数，有些文献中的损失指单个数据的损失值，而代价是整个数据集的损失值。

二.实现典型机器学习的基本步骤

2.1数据预处理-让数据可用

这里给出了机器学习的流程图！
一般在数据预处理的过程中，需要去除空值和不相关的特征值（噪声），特征归一化等操作。

2.2训练和选择预测的模型

在实践过程中，需要使用训练集数据集训练模型，然后使用测试集测试模型的性能，一般会使用多种不同的模型进行训练，然后选择最好的模型，在比较不同的模型之前，需要考虑使用哪种评估指标。
在机器学习中，一般使用交叉验证将数据集划分为相应的子集，以便用于评估模型的泛化性。
一般在训练的过程中，需要调参数，可以学习一下元学习的知识，可以自动让模型学习最优的参数。

2.3评估

一般利用测试集进行评估，在训练集训练完成模型后，需要使用新的数据验证模型的性能，从而预估所谓的泛化误差。
在处理训练集和测试集合的过程中，需要使用相同的操作，不然会导致高估模型的性能。