机器学习——绪论(一)

摘要:机器学习定义;机器学习过程中的基本术语;

参考:

(1)GitHub - Vay-keen/Machine-learning-learning-notes: 周志华《机器学习》又称西瓜书是一本较为全面的书籍,书中详细介绍了机器学习领域不同类型的算法(例如:监督学习、无监督学习、半监督学习、强化学习、集成降维、特征选择等),记录了本人在学习过程中的理解思路与扩展知识点,希望对新人阅读西瓜书有所帮助!

(2)《机器学习》周志华著,清华大学出版社

1.引言:

1.1机器学习定义:

研究如何通过计算的手段,利用经验来改善系统自身的性能的学科。(经验即数据)

另一本经典教材的作者Mitchell给出了一个形式化的定义,假设:

\bullet P:计算机程序在某任务类T上的性能。

\bullet T:计算机程序希望实现的任务类。

\bullet E:表示经验,即历史的数据集。

若该计算机程序通过利用经验E在任务T上获得了性能P的改善,则称该程序对E进行了学习。

1.2机器学习研究主要内容

关于在计算机上从数据中产生“模型”(model)的算法,即“学习算法”(learning algorithm)

2.基本术语

2.1案例

假设我们收集了一批西瓜的数据,例如:(色泽=青绿;根蒂=蜷缩;敲声=浊响), (色泽=乌黑;根蒂=稍蜷;敲声=沉闷), (色泽=浅自;根蒂=硬挺;敲声=清脆)……

2.2基本术语

\bullet 记录:每个元组(即每对括号内)是一条记录。

\bullet 所有记录的集合为:数据集。

\bullet 示例(instance)或样本(sample):每一个记录可称为一个示例或样本,即关于一个事件或对象的描述。

有时将整个数据集亦称一个“样本”(因为他可看作对样本空间的一个采样)。

\bullet 属性(attribute)/特征(feature):反映事件或对象在某方面的表现或性质的事项,例如:色泽或敲声。

\bullet 属性值(attribute):属性上的取 值,例如"青绿" "乌黑"。

\bullet 样本空间(sample space)/属性空间(attribute space)/输入空间:属性张成的空间。

例如我们把"色泽" "根蒂" "敲声"作为三个坐标轴,则它们张成 一个用于描述西瓜的三维空间,每个西瓜都可在这个空间中找到自己的坐标位置。

由于空间中的每个点对应一个坐标向量,因此我们也把一个示例称为一个 "特征向量" (feature vector)。

\bullet 一个样本的特征数为:维数(dimensionality),该西瓜的例子维数为3,当维数非常大时,也就是现在说的“维数灾难”。

计算机程序学习经验数据生成算法模型(也称为“学习器”(learner))的过程中,训练过程中使用的数据称为"训练 数据" (training data),其中每个样本称为一个“训练样本" (training sample) ,亦称“训练示例”(training instance) 或“训练例”;同时在训练好模型后,我们希望使用新的样本来测试模型的效果,则每一个新的样本称为一个“测试样本”(testing sample)。定义:

\bullet 所有训练样本的集合为:训练集(trainning set),[特殊]。

\bullet 所有测试样本的集合为:测试集(test set),[一般]。

\bullet 学得模型对应了关于数据 的某种潜在的规律,因此亦称"假设" (hypothesis)。

\bullet 这种潜在规律自身,则称 为"真相"或"真实" (ground-truth)。

\bullet 机器学习出来的模型适用于新样本的能力为:泛化能力(generalization),即从特殊到一般。

西瓜的例子中,我们是想计算机通过学习西瓜的特征数据,训练出一个决策模型,来判断一个新的西瓜是否是好瓜。可以得知我们“预测” (prediction)的是:西瓜是好是坏,即好瓜与差瓜两种,是离散值。同样地,也有通过历年的人口数据,来预测未来的人口数量,人口数量则是连续值。定义:

\bullet 预测值为离散值的问题为:分类(classification)。

对只涉及两个类别的“二分类”(binary classification)任务,通常称其中一个类为“正类”(positive class); 另一个类为“反类”(negative class); 涉及多个类别时,则称为“多分类”(multi-class classification)任务。

\bullet 预测值为连续值的问题为:回归(regression)。

一般地,预测任务是希望通过对训练 集 {(x_{1} , y_{1} ) , (x_{2} , y_{2} ) ,..., (x_{m} , y_{m} )} 进行学习,建立一个从输入空间\chi 到输出 空间\Upsilon 的映射 f: \chi \vdash \Upsilon . 对二分类任务,通常令 \Upsilon = {-1, +1} 或 {0, 1}; 对 多分类任务,\vert \Upsilon \vert >2; 对回归任务,\Upsilon \mathbb{R}\mathbb{R}为实数集。

我们预测西瓜是否是好瓜的过程中,很明显对于训练集中的西瓜,我们事先已经知道了该瓜是否是好瓜,学习器通过学习这些好瓜或差瓜的特征,从而总结出规律,即训练集中的西瓜我们都做了“标记”(label),称为标记信息。拥有了标记信息的示例,则称为“样例”(example)。但也有没有标记信息的情形,例如:我们想将一堆西瓜根据特征分成两个小堆,使得某一堆的西瓜尽可能相似,即都是好瓜或差瓜,对于这种问题,我们事先并不知道西瓜的好坏,样本没有标记信息。定义:

\bullet 一般地,用(x_{i} , y_{i} )表示第i个样例, 其中y_{i} \in \Upsilon是示例 x_{i} 的标记,\Upsilon 是所有标记的集合, 亦称“标记空间”(label space)或“输出空间”。

\bullet 训练数据有标记信息的学习任务为:监督学习(supervised learning),容易知道上面所描述的分类和回归都是监督学习的范畴。

\bullet 训练数据没有标记信息的学习任务为:无监督学习(unsupervised learning),常见的有“聚类”(clustering)和关联规则。


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