一文讀懂機器學習：基本概念、五大流派與九種常見算法
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一、機器學習概覽
1. 什么是機器學習？
機器通過分析大量數(shù)據(jù)來進行學習。比如說，不需要通過編程來識別貓或人臉，它們可以通過使用圖片來進行訓練，從而歸納和識別特定的目標。
2. 機器學習和人工智能的關(guān)系
機器學習是一種重在尋找數(shù)據(jù)中的模式并使用這些模式來做出預(yù)測的研究和算法的門類。機器學習是人工智能領(lǐng)域的一部分，并且和知識發(fā)現(xiàn)與數(shù)據(jù)挖掘有所交集。
3. 機器學習的工作方式
①選擇數(shù)據(jù)：?將你的數(shù)據(jù)分成三組：訓練數(shù)據(jù)、驗證數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)
②模型數(shù)據(jù)：?使用訓練數(shù)據(jù)來構(gòu)建使用相關(guān)特征的模型
③驗證模型：?使用你的驗證數(shù)據(jù)接入你的模型
④測試模型：?使用你的測試數(shù)據(jù)檢查被驗證的模型的表現(xiàn)
⑤使用模型：?使用完全訓練好的模型在新數(shù)據(jù)上做預(yù)測
⑥調(diào)優(yōu)模型：?使用更多數(shù)據(jù)、不同的特征或調(diào)整過的參數(shù)來提升算法的性能表現(xiàn)
4. 機器學習所處的位置
①傳統(tǒng)編程：?軟件工程師編寫程序來解決問題。首先存在一些數(shù)據(jù)→為了解決一個問題，軟件工程師編寫一個流程來告訴機器應(yīng)該怎樣做→計算機遵照這一流程執(zhí)行，然后得出結(jié)果
②統(tǒng)計學：?分析師比較變量之間的關(guān)系
③機器學習：?數(shù)據(jù)科學家使用訓練數(shù)據(jù)集來教計算機應(yīng)該怎么做，然后系統(tǒng)執(zhí)行該任務(wù)。首先存在大數(shù)據(jù)→機器會學習使用訓練數(shù)據(jù)集來進行分類，調(diào)節(jié)特定的算法來實現(xiàn)目標分類→該計算機可學習識別數(shù)據(jù)中的關(guān)系、趨勢和模式
④智能應(yīng)用：?智能應(yīng)用使用人工智能所得到的結(jié)果，如圖是一個精準農(nóng)業(yè)的應(yīng)用案例示意，該應(yīng)用基于無人機所收集到的數(shù)據(jù)
5. 機器學習的實際應(yīng)用
機器學習有很多應(yīng)用場景，這里給出了一些示例，你會怎么使用它？
快速三維地圖測繪和建模：要建造一架鐵路橋，PwC 的數(shù)據(jù)科學家和領(lǐng)域?qū)＜覍C器學習應(yīng)用到了無人機收集到的數(shù)據(jù)上。這種組合實現(xiàn)了工作成功中的精準監(jiān)控和快速反饋。 增強分析以降低風險：為了檢測內(nèi)部交易，PwC 將機器學習和其它分析技術(shù)結(jié)合了起來，從而開發(fā)了更為全面的用戶概況，并且獲得了對復雜可疑行為的更深度了解。 預(yù)測表現(xiàn)最佳的目標：PwC 使用機器學習和其它分析方法來評估 Melbourne Cup 賽場上不同賽馬的潛力。
二、機器學習的演化
幾十年來，人工智能研究者的各個「部落」一直以來都在彼此爭奪主導權(quán)，參閱機器之心文章《華盛頓大學教授 Pedro Domingos：機器學習領(lǐng)域五大流派（附演講 ppt）》。現(xiàn)在是這些部落聯(lián)合起來的時候了嗎？他們也可能不得不這樣做，因為合作和算法融合是實現(xiàn)真正通用人工智能（AGI）的唯一方式。這里給出了機器學習方法的演化之路以及未來的可能模樣。
1. 五大流派
①符號主義：?使用符號、規(guī)則和邏輯來表征知識和進行邏輯推理，最喜歡的算法是：規(guī)則和決策樹
②貝葉斯派：?獲取發(fā)生的可能性來進行概率推理，最喜歡的算法是：樸素貝葉斯或馬爾可夫
③聯(lián)結(jié)主義：?使用概率矩陣和加權(quán)神經(jīng)元來動態(tài)地識別和歸納模式，最喜歡的算法是：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
④進化主義：?生成變化，然后為特定目標獲取其中最優(yōu)的，最喜歡的算法是：遺傳算法
⑤Analogizer：?根據(jù)約束條件來優(yōu)化函數(shù)（盡可能走到更高，但同時不要離開道路），最喜歡的算法是：支持向量機
2. 演化的階段
1980 年代
主導流派：符號主義 架構(gòu)：服務(wù)器或大型機 主導理論：知識工程 基本決策邏輯：決策支持系統(tǒng)，實用性有限
1990 年代到 2000 年
主導流派：貝葉斯 架構(gòu)：小型服務(wù)器集群 主導理論：概率論 分類：可擴展的比較或?qū)Ρ龋瑢υS多任務(wù)都足夠好了
2010 年代早期到中期
主導流派：聯(lián)結(jié)主義 架構(gòu)：大型服務(wù)器農(nóng)場 主導理論：神經(jīng)科學和概率 識別：更加精準的圖像和聲音識別、翻譯、情緒分析等
3. 這些流派有望合作，并將各自的方法融合到一起
2010 年代末期
主導流派：聯(lián)結(jié)主義+符號主義 架構(gòu)：許多云 主導理論：記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、大規(guī)模集成、基于知識的推理 簡單的問答：范圍狹窄的、領(lǐng)域特定的知識共享
2020 年代+
主導流派：聯(lián)結(jié)主義+符號主義+貝葉斯+…… 架構(gòu)：云計算和霧計算 主導理論：感知的時候有網(wǎng)絡(luò)，推理和工作的時候有規(guī)則 簡單感知、推理和行動：有限制的自動化或人機交互
2040 年代+
主導流派：算法融合 架構(gòu)：無處不在的服務(wù)器 主導理論：最佳組合的元學習 感知和響應(yīng)：基于通過多種學習方式獲得的知識或經(jīng)驗采取行動或做出回答
三、機器學習的算法
你應(yīng)該使用哪種機器學習算法？這在很大程度上依賴于可用數(shù)據(jù)的性質(zhì)和數(shù)量以及每一個特定用例中你的訓練目標。不要使用最復雜的算法，除非其結(jié)果值得付出昂貴的開銷和資源。這里給出了一些最常見的算法，按使用簡單程度排序。更多內(nèi)容可參閱機器之心的文章《機器學習算法集錦：從貝葉斯到深度學習及各自優(yōu)缺點》和《經(jīng)驗之談：如何為你的機器學習問題選擇合適的算法？》
1. 決策樹（Decision Tree）
在進行逐步應(yīng)答過程中，典型的決策樹分析會使用分層變量或決策節(jié)點，例如，可將一個給定用戶分類成信用可靠或不可靠。
優(yōu)點：擅長對人、地點、事物的一系列不同特征、品質(zhì)、特性進行評估 場景舉例：基于規(guī)則的信用評估、賽馬結(jié)果預(yù)測
2. 支持向量機（Support Vector Machine）
基于超平面（hyperplane），支持向量機可以對數(shù)據(jù)群進行分類。
優(yōu)點：支持向量機擅長在變量 X 與其它變量之間進行二元分類操作，無論其關(guān)系是否是線性的 場景舉例：新聞分類、手寫識別。
3. 回歸（Regression）
回歸可以勾畫出因變量與一個或多個因變量之間的狀態(tài)關(guān)系。在這個例子中，將垃圾郵件和非垃圾郵件進行了區(qū)分。
優(yōu)點：回歸可用于識別變量之間的連續(xù)關(guān)系，即便這個關(guān)系不是非常明顯 場景舉例：路面交通流量分析、郵件過濾
4. 樸素貝葉斯分類（Naive Bayes Classification）
樸素貝葉斯分類器用于計算可能條件的分支概率。每個獨立的特征都是「樸素」或條件獨立的，因此它們不會影響別的對象。例如，在一個裝有共 5 個黃色和紅色小球的罐子里，連續(xù)拿到兩個黃色小球的概率是多少？從圖中最上方分支可見，前后抓取兩個黃色小球的概率為 1/10。樸素貝葉斯分類器可以計算多個特征的聯(lián)合條件概率。
優(yōu)點：對于在小數(shù)據(jù)集上有顯著特征的相關(guān)對象，樸素貝葉斯方法可對其進行快速分類 場景舉例：情感分析、消費者分類
5. 隱馬爾可夫模型（Hidden Markov model）
顯馬爾可夫過程是完全確定性的——一個給定的狀態(tài)經(jīng)常會伴隨另一個狀態(tài)。交通信號燈就是一個例子。相反，隱馬爾可夫模型通過分析可見數(shù)據(jù)來計算隱藏狀態(tài)的發(fā)生。隨后，借助隱藏狀態(tài)分析，隱馬爾可夫模型可以估計可能的未來觀察模式。在本例中，高或低氣壓的概率（這是隱藏狀態(tài)）可用于預(yù)測晴天、雨天、多云天的概率。
優(yōu)點：容許數(shù)據(jù)的變化性，適用于識別（recognition）和預(yù)測操作 場景舉例：面部表情分析、氣象預(yù)測
6. 隨機森林（Random forest）
隨機森林算法通過使用多個帶有隨機選取的數(shù)據(jù)子集的樹（tree）改善了決策樹的精確性。本例在基因表達層面上考察了大量與乳腺癌復發(fā)相關(guān)的基因，并計算出復發(fā)風險。
優(yōu)點：隨機森林方法被證明對大規(guī)模數(shù)據(jù)集和存在大量且有時不相關(guān)特征的項（item）來說很有用 場景舉例：用戶流失分析、風險評估
7. 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recurrent neural network）
在任意神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，每個神經(jīng)元都通過 1 個或多個隱藏層來將很多輸入轉(zhuǎn)換成單個輸出。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）會將值進一步逐層傳遞，讓逐層學習成為可能。換句話說，RNN 存在某種形式的記憶，允許先前的輸出去影響后面的輸入。
優(yōu)點：循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在存在大量有序信息時具有預(yù)測能力 場景舉例：圖像分類與字幕添加、政治情感分析
8. 長短期記憶（Long short-term memory，LSTM）
與門控循環(huán)單元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（gated recurrent unit nerual network）：早期的 RNN 形式是會存在損耗的。盡管這些早期循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只允許留存少量的早期信息，新近的長短期記憶（LSTM）與門控循環(huán)單元（GRU）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都有長期與短期的記憶。換句話說，這些新近的 RNN 擁有更好的控制記憶的能力，允許保留早先的值或是當有必要處理很多系列步驟時重置這些值，這避免了「梯度衰減」或逐層傳遞的值的最終 degradation。LSTM 與 GRU 網(wǎng)絡(luò)使得我們可以使用被稱為「門（gate）」的記憶模塊或結(jié)構(gòu)來控制記憶，這種門可以在合適的時候傳遞或重置值。
優(yōu)點：長短期記憶和門控循環(huán)單元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備與其它循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣的優(yōu)點，但因為它們有更好的記憶能力，所以更常被使用 場景舉例：自然語言處理、翻譯
9. 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional neural network）
卷積是指來自后續(xù)層的權(quán)重的融合，可用于標記輸出層。
優(yōu)點：當存在非常大型的數(shù)據(jù)集、大量特征和復雜的分類任務(wù)時，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是非常有用的 場景舉例：圖像識別、文本轉(zhuǎn)語音、藥物發(fā)現(xiàn)
來源：深度學習沖鴨
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