机器学习及应用

机器学习简介

机器学习是一类算法的总称，这些算法企图从大量历史数据中挖掘出其中隐含的规律，并用于预测或者分类，更具体的说，机器学习可以看作是寻找一个函数，输入是样本数据，输出是期望的结果，只是这个函数过于复杂，以至于不太方便形式化表达。需要注意的是，机器学习的目标是使学到的函数很好地适用于“新样本”，而不仅仅是在训练样本上表现很好。学到的函数适用于新样本的能力，称为泛化能力。

机器学习的步骤分为以下三步：

1. 选择一个合适的模型，这通常需要依据实际问题而定，针对不同的问题和任务需要选取恰当的模型，模型就是一组函数的集合。
2. 判断一个函数的好坏，这需要确定一个衡量标准，也就是我们通常说的损失函数，损失函数的确定也需要依据具体问题而定，如回归问题一般采用欧式距离，分类问题一般采用交叉熵代价函数。
3. 找出“最好”的函数，如何从众多函数中最快的找出“最好”的那一个，这一步是最大的难点，做到又快又准往往不是一件容易的事情。常用的方法有梯度下降算法，最小二乘法等和其他一些技巧。

学习得到“最好”的函数后，需要在新样本上进行测试，只有在新样本上表现很好，才算是一个“好”的函数。

机器学习分类

1. 按任务类型分，机器学习模型可以分为回归模型、分类模型和结构化学习模型。回归模型又叫预测模型，输出是一个不能枚举的数值；分类模型又分为二分类模型和多分类模型，常见的二分类问题有垃圾邮件过滤，常见的多分类问题有文档自动归类；结构化学习模型的输出不再是一个固定长度的值，如图片语义分析，输出是图片的文字描述。
2. 从方法的角度分，可以分为线性模型和非线性模型，线性模型较为简单，但作用不可忽视，线性模型是非线性模型的基础，很多非线性模型都是在线性模型的基础上变换而来的。非线性模型又可以分为传统机器学习模型，如SVM，KNN，决策树等，和深度学习模型。
3. 按照学习理论分，机器学习模型可以分为有监督学习，半监督学习，无监督学习，迁移学习和强化学习。当训练样本带有标签时是有监督学习；训练样本部分有标签，部分无标签时是半监督学习；训练样本全部无标签时是无监督学习。迁移学习就是就是把已经训练好的模型参数迁移到新的模型上以帮助新模型训练。强化学习是一个学习最优策略，可以让本体在特定环境中，根据当前状态，做出行动，从而获得最大回报。强化学习和有监督学习最大的不同是，每次的决定没有对与错，而是希望获得最多的累计奖励。

机器学习的相关算法

监督学习

1. 决策树
   • 决策树是一个决策支持工具，它使用树形图或者决策模型以及可能性序列，包括偶然事件的结果、资源成本和效用。
   • 从业务决策的角度来看，决策树是人们必须了解的最少的是/否问题，这样才能评估大多数时候做出正确决策的概率。作为一种方法，它允许你以结构化和系统化的方式来解决问题，从而得出合乎逻辑的结论。
2. 朴素贝叶斯分类
   • 朴素贝叶斯分类器是一类简单的概率分类器，它基于贝叶斯定理和特征间的强大的（朴素的）独立假设。
3. 最小二乘法
   • 最小二乘法是一种计算线性回归的方法。
4. 逻辑回归
   • 逻辑回归是一个强大的统计学方法，它可以用一个或多个解释变量来表示一个二项式结果。它通过使用逻辑函数来估计概率，从而衡量类别依赖变量和一个或多个独立变量之间的关系，后者服从累计逻辑分布。
5. 支持向量机
   • SVM是二进制分类算法。给定N维坐标下两种类型的点，SVM生成（N-1）维的超平面来将这些点分成两组。假设你在平面上有两种类型的可以线性分离的点，SVM将找到一条直线，将这些点分成两种类型，并且这条直线尽可能远离所有这些点。
6. 集成方法
   • 集成方法是学习算法，它通过构建一组分类器，然后通过它们的预测结果进行加权投票来对新的数据点进行分类。

无监督学习

1. 聚类方法
   • 聚类是将一系列对象分组的任务，目标是使相同组（集群）中的对象之间比其他组的对象更相似。
2. 主成分分析
   • PCA是一个统计学过程，它通过使用正交变换将一组可能存在相关性的变量的观测值转换为一组线性不相关的变量的值，转换后的变量就是所谓的主分量。
3. 奇异值分解
   • 在线性代数中，SVD是复杂矩阵的因式分解。
4. 独立成分分析
   • ICA是一种统计技术，主要用于揭示随机变量、测量值或信号集中的隐藏因素。ICA对观测到的多变量数据定义了一个生成模型，这通常是作为样本的一个大的数据库。在模型中，假设数据变量由一些未知的潜在变量线性混合，混合方式也是未知的。潜在变量被假定为非高斯分布并且相互独立，它们被称为观测数据的独立分量。

机器学习的应用

最近几年机器学习以及人工智能的子领域愈来愈受欢迎，很多应用机器学习方法的技术应用到生活中，下面是常见的机器学习的应用领域：

• 判断垃圾邮件
• 对新闻类别进行分类
• 判断文本表达情感
• 人脸识别
• 网络入侵检测
• 物联网入侵检测
• 信用评分
• 预测产品收入

深度学习

简介

深度学习是机器学习的一种，而机器学习是实现人工智能的必经路径。深度学习的概念源于人工神经网络的研究，含多个隐藏层的多层感知器就是一种深度学习结构。深度学习通过组合低层特征形成更加抽象的高层表示属性类别或特征，以发现数据的分布式特征表示。研究深度学习的动机在于建立模拟人脑进行分析学习的神经网络，它模仿人脑的机制来解释数据，例如图像，声音和文本等。

深度学习是一类模式分析方法的统称，就具体研究内容而言，主要涉及三类方法：

(1)基于卷积运算的神经网络系统，即卷积神经网络(CNN)。

(2)基于多层神经元的自编码神经网络，包括自编码以及近年来受到广泛关注的稀疏编码两类。

(3)以多层自编码神经网络的方式进行预训练，进而结合鉴别信息进一步优化神经网络权值的深度置信网络。