机器学习基础篇_2/2

caid 2020-08-26 01:03:59

分类：人工智能、学习笔记 2287 2

开发流程

原始数据 --> 数据特征工程（训练数据和测试数据） --> 选择合适的算法进行学习 --> 建立模型 --> 模型评估(测试数据) --> 判断模型是否合格 --> 模型应用（一般以API的形式提供）

算法分类

数据类型
1. 离散型：由记录不同类别个题的数目所得到的数据，又称计数数据，所有这些数据全部都是整数，而且不能再分，也不能进一步提高他们的精确度
2. 连续性：变量可以在某个范围内取任一数，即变量的取值可以是连续的，如，长度、时间、质量值等，这类整数通常是非整数，含小数部分。
算法分类
- 监督学习
  - 分类：k-近邻算法、贝叶斯分类、决策树与随机森林、逻辑回归、神经网络
  - 回归：线性回归、岭回归
- 无监督学习
  
  聚类：k-means

k-近邻算法

定义

如果一个样本在特征空间中的k个最相似（即特征空间中最邻近）的样本中的大多数属于摸一个类别，则该样本也属于这个类别。
距离公式
特点

需要做标准化处理。

k的取值越大，容易受k值数量（类别）的波动，k越小，容易受异常点影响。

优点：算法检点，易于理解，易于实现，无需估计参数，无需训练

缺点：懒惰算法，对测试样本分类是的计算量大，内存开销大。必须指定k值，k值选择不当则分类精度不能保证。

场景：数据量较小。

朴素贝叶斯

概率

是指一件事情发生的可能性。
- 联合概率
  
  包含多个条件，且所有条件同时成立的概率。 P(A,B)
- 条件概率
  
  事件A在另外一个事件B已经发生条件下的发生概率。P(A|B)
  
  P(A1, A2|B) = P(A1|B)P(A2|B)
朴素贝叶斯
- 公式
  
  其中，w为给定文档的特征值（频数统计，预测文档提供），c为文档类别。
  
  P(C) = 类别文档数 / 总文档数量
  
  P(W|C) 是给定类别下特征的概率，P(F1|C) = Ni/N，Fi是文档中的各个词，Ni为该F1词在C类别所有文档中出现的次数。N为所属类别C下的文档所有此出现的次数和
  
  公式等价于
- 概率为零的解决方案 拉普拉斯平滑系数
  $为指定的系数，一般为。为训练文档中统计出的特征词个数。$
- API
  
  sklearn.naive_bayes.MultinomialNB(alpha=1.0) alpha为拉普拉斯平滑系数
- 特征
  
  不需要传参，训练集误差大，结果则差。
  
  场景：文本分类，神经网络

决策树

思想

决策树思想的来源非常朴素，程序设计中的条件分支结构是if-then结构，最早的决策树就是利用这类结构分割数据的一类分类学习方法。
信息度量和和作用
信息熵

H的专业术语是：信息熵，单位为比特

注：信息和消除不确定性是相联系的
划分依据
- 信息增益：当得知一个特征条件之后，减少的信息熵的大小。也就是在获取到一个特征值之后，信息熵减少的越多，说明该属性越重要，对于结果的不确定性影响越大，决策时排在最前面。
  
  其中g为信息增益，H（D)为初始信息熵大小，H(D|A) 是特征A给定条件下D的信息条件熵。
- ID3
- C4.5
- CART
  
  回归树：平方误差最小
  
  分类树：基尼系数，最小的准则，在sklearn中可以选择划分的原则
API

class sklearn.tree.DecisionTreeClassifier(criterion='gini', max_depth=None, random_state=None)
- 决策树分类器
- criterion默认是'gini'系数，也可以选择信息增益的熵'entropy'
- max_depth:数的深度大小
- random_state:随机数种子
方法：

decision_path:返回决策树的路径

分类模型评估

API

sklearn.metrics.classification_report(y_true, y_pred, target_names=None)
- y_true: 真是目标值
- y_pred:估计器预测目标值
- target_names：目标类别名称
- return: 每个类别精确率与召回率

模型选择与调优

交叉验证

目的：让被评估的模型更加准确可信。
思想：

将训练数据分为训练集和验证集。将数据分为n份，其中一份为验证集。然后经过n次（组）的测试，每次都更换不同的验证集，轮流进行，直到每一份都数据都做过验证集为止，即可得到n组模型的结果，再取其平均值作为最终结果。又称为n折交叉验证。

网格搜索

调参数：k-近邻的超参数K

思想

通常情况下，很多参数需要手动指定（如k-近邻算法中的K值），这种叫超参数。但是手动过程繁杂，所以需要对模型预设几种超参数组合。每组超参数都采用交叉验证来进行评估。最后选出最优参数组合建立模型。
API

sklearn.model_selection.GridSearchCV(estimator, param_grid=None, cv=None)
- 对估计器的指定参数值进行详尽搜索
- estimator: 估计器对象
- param_grid: 估计器参数（dict){'n_neighbors':[1,3,5]}
- cv: 指定几折交叉验证
- fit：输入训练数据
- score：准确率
- 结果分析：
- best_score_: 在交叉验证中验证的最好结果
- best_estimator_: 最好的参数模型
- cv_results: 每次交叉验证后的测试集准确率结果和训练集准确率结果

集成学习方法：随机森林

随机森林

集成学习方法：集成学习方法通过建立几个模型组合来解决单一预测问题。他的工作原理是生成多个分类器。各自独立地学习和作出预测。这些预测最后结合成单预测，因此由于任何一个但分类的作出预测。

随机森林： 在机器学习中，随机森林是一个包含多个决策树的分类器，并且其输出的类别是由个别输出的类别的众数而定。

如：5个数，其中4个为True，1个为False，则结果为True
过程

对于N个样本，M个特征

单个数建立：1. 随机在N个样本中选择一个样本，重复N次（样本可能重复）

2.随机在M个特征中选择m个特征

建立10颗决策树，样本，特征大多不一样。且在抽取中是随机有放回的抽样（bootstrap抽样）
API

class sklearn.ensemble.RandomForestClassifier(n_estimators=10, criterion='gini', max_depth=None, bootstrap=True, random_state=None)
- n_estimators:随机森林分类器，integer,optional(default=10) 森林里的树木数量 120,200,300,500,800,1200
- max_depth:integer或None，可选（默认=无）树的最大深度，5,8,15,25,30
- max_features='auto',每个决策树的最大特征数量
优点

在当前所有算法中，准确率最好
能够有效运行在大数据集上
能够处理具有高维持的输入样本，而且不需要降维
能够评估各个特征在分类问题上的重要性

回归算法

线性回归

通过一个或者多个自变量与因变量之间进行建模的回归分析。其中可以为一个或多个自变量之间的线性组合（线性回归的一种）

一元线性回归：涉及到的变量只有一个

多元线性回归：涉及到的变量两个或多个

通用公式：

，其中，为矩阵：，

线性关系模型

一个通过属性的线性组合来进行预测的函数：

w为权重，b为偏置项，可以理解为:w0 x 1

二维：直线关系 y=kx+b
三维：特征，目标值，平面关系

损失函数（误差大小）

定义：最小二乘法

方法

正规方程
$，为特征值矩阵，为目标值矩阵$
梯度下降

思想：沿着函数下降的方向找，最后就能找到山谷的最低点，然后更新w值。

使用：面对训练数据规模十分庞大的任务

API

特点：线性回归器是最为简单、易用的回归模型。从某种程度上限制了使用，尽管如此，在不知道特征之间关系的前提下，我们仍然使用线性回归器作为大多数系统的首要选择。

sklearn.linear_model.LinearRegression() 普通最小二乘线性回归，coef:回归系数

场景：小规模数据，不能解决拟合问题）
sklearn.linear_model.SGDRegressor() 通过使用SGD最小化线性模型，coef:回归系数

场景：大规模数据

回归性能评估

（均方误差MSE）评价机制：

$为预测值，为真实值。$

API：mean_squred_error(y_true, y_pred) 均方差回归损失
- y_true:真实值
- y_pred: 预测值
- return: 浮点数结果
  
  注：真实值、预测值均为标准化之前的值。
解决模型复杂（或过拟合）的方法

L2正则化

作用：可以使得W的每个元素都很小，都接近于0

优点：越小的参数说明模型越简单，越简单的模型则越不容易产生过拟合现象

Ridge：岭回归（带有正则化的回归）

API

sklearn.linear_model.Ridge(alpha=1.0)
- alpha: 正则化力度
- coef_:回归系数

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