【机器学习】机器学习必知概念
公眾號：尤而小屋
作者：Peter
編輯：Peter
本文主要是介紹機器學習的一些基本內容，包含：
除了分類和回歸之外的其他機器學習形式
評估機器學習模型的規范流程
為深度學習準備數據
特征工程
解決過擬合
處理機器學習問題的通用流程
機器學習4個分支
監督學習supervised learning
最常見的機器學習類型。給定一組樣本（通常是人工標準），它可以學會將數據映射到已知目標（也叫標注）。監督學習廣泛應用到光學字符識別、語音識別、圖像分類和語言翻譯。
監督學習除了回歸和分類，還有其他變體：
序列生成
語法樹預測
目標檢測
圖像分割
無監督學習
無監督學習是指在沒有目標的情況下尋找輸入數據的有趣變換，目的是在于數據可視化、數據壓縮、數據去噪或者更好地理解數據中的相關性。
主要是降維和聚類
自監督學習
自監督學習是監督學習的特例。自監督學習可以看做是沒有人工標注的標簽的監督學習。
標簽是仍然存在的，但是他們是從輸入數據中生成的，通常是使用啟發式算法生成的。
一個常見的例子就是：自編碼器autoencoder，其目標就是未經修改的輸入。
給定視頻中過去的幀來預測下一幀，或者給定文本中前面的詞語來預測下一個詞語，都是屬于自監督學習的例子（這兩個例子是時序監督學習的例子）
強化學習
強化學習是因為谷歌的DeepMind公司將其成功應用于學習完Atari游戲（還有圍棋阿爾法狗）中，才開始被廣泛關注。
在強化學習中，智能體agent接收有關其環境的信息，并學會選擇使其某種獎勵最大化的行動。
分類和回歸術語
總結一下回歸和分類中常出現的術語：
樣本、輸入：進入模型的數據點
預測、輸出：從模型出來的結果
目標：真實值。對于外部數據源，理想狀態下，模型能夠預測出真實值
預測誤差、損失值：預測值和真實值之間的距離
類別：分類問題中供選擇的一組標簽。比如對貓狗圖像進行分類時，貓和狗就是標簽
標簽：分類問題中類別標注的具體例子。比如1234號圖像被標注為包含類別狗，那么“狗”就是1234號圖像的標簽
真實值和標注：數據集的所有目標。通常是人工收集
二分類：一種分類任務，每個輸入樣本應該被劃分到兩個互斥的類別中
多分類：一種分類任務，每個輸入樣本應該被劃分到多個不同的類別中，比如手寫數字分類
多標簽分類：一種分類任務，每個輸入樣本都可以分配多個標簽。比如一幅圖像中既有貓又有狗，那么應該同時標注貓標簽和狗標簽。每幅圖像的標簽個數通常是可變的。
標量回歸：目標是連續標量值的任務。比如預測房價
向量回歸：目標是一組連續值（比如一個連續變量）的任務。如果對多個值進行回歸，就是向量回歸
小批量或批量：模型同時處理的一小部分樣本，通常是8-128.樣本數通常是2的冪，方便CPU上的內存分配。訓練時，小批量用來為模型權重計算一次梯度下降更新。
評估機器學習的模型
機器學習的目的是得到可以泛化的模型：在前所未見的數據集上也能夠表現的很好，而過擬合則是核心難點。
3大數據集
評估模型的重點是將數據劃分為：訓練集、驗證集和測試集
訓練集：訓練模型
驗證集：評估模型
測試集：最后一次的測試
模型一定不能讀取與測試集任何相關的信息，即使是間接讀取也不行。3大經典評估方法：
簡單的留出驗證
K折驗證
帶有打亂數據的重復K折驗證
3大評估方法
簡單的留出驗證（hold-out validation）
留出一定的比例的數據作為測試集，在剩余的數據集上訓練數據，然后在測試集上評估模型。
為了防止信息泄露，我們不能基于測試集來調節模型，必須保留一個驗證集。
#?代碼實現num_validation_samples?=?10000#?打亂數據 np.random.shuffle(data)validation_data?=?data[:num_validation_samples]??#?驗證集data?=?data[num_validation_samples:]?? train_data?=?data???#?訓練集model?=?get_model() model.train(train_data)??#?訓練集訓練模型validation_score?=?model.evaluate(validation_data)??#?驗證集上評估模型#?調節模型、重新訓練、評估，然后再次調節，最后在測試集上評估 model?=?get_model() #?將訓練集和驗證合并起來進行重新訓練 model.train(np.concatenate([train_data,validation_data])) #?測試集上進行評估 test_score?=?model.evaluate(test_data)一個缺點：如果可用的數據很少，可能驗證集和測試集包含的樣本很少，從而無法從統計學上代表數據。
因此就有了K折驗證和重復的K折驗證來解決這個問題。
K折驗證
使用K折交叉驗證的基本原理：
將數據劃分為K個分區，通常是4或者5
實例化K個模型，將模型在K-1個分區上訓練，剩下的一個區上進行評估
模型的驗證分數等于K個驗證分數的均值。
如何K折交叉驗證：以3折交叉驗證為例
img#?代碼實現k?=?4num_validation_samples?=?len(data)?//?k #?隨機打亂數據 np.random.shuffle(data)validation_scores?=?[]for?fold?in?range(k):#?驗證集validation_data?=?data[fold?*?num_validation_samples:?(fold?+?1)?*?num_validation_samples]#?訓練集train_data?=?data[:?fold?*?num_validation_samples]?+?data[(fold?+?1)?*?num_validation_samples:]model?=?get_model()model.train(train_data)validation_score?=?model.evaluate(validation_data)??#?每個驗證集上的得分validation_scores.append(validation_score)??#?放到列表中validation_score?=?np.average(validation_scores)??#?K折驗證的均值model?=?get_model() model.train(data)??#?data?=?train_data?+?validation_data??所有非測試集上進行訓練 test_score?=?model.evaluate(test_data)??#??測試集上進行評估帶有打亂數據的K折驗證
如果數據很少，又想精確地評估模型，可以使用打亂數據的K折交叉驗證：iterated K-fold validation with shuffling。
具體做法：在每次將數據劃分為k個分區之前，先將數據打亂，最終分數是每個K折驗證分數的均值
注意：這個做法一共要訓練和評估P*K個模型，P是重復次數，計算代價很大。
評估模型的注意事項
數據代表性：隨機打亂數據
時間箭頭：如果想根據過去預測未來，即針對所謂的時間序列的數據，則不應該隨機打亂數據，這樣會造成時間泄露
數據冗余：確保訓練集和驗證集之間沒有交集
數據預處理、特征工程和特征學習
預處理
預處理的主要步驟：
向量化
標準化
處理缺失值
特征提取
向量化
神經網絡的所有輸入和輸出都必須是浮點張量。都必須轉成張量，這一步叫做向量化data vectorization
值標準化
數據輸入網絡前，對每個特征分別做標準化，使其均值為0，標準差為1。
輸入神經網絡的數據應該具有以下特征：
取值較小：大部分取值在0-1范圍內
同質性(homogenous)：所有特征的取值范圍都在大致相同的范圍內
Numpy實現的標準化過程：
X?-=?X.mean(axis=0)??#?假定X是個二維矩陣 X?-=?X.std(axis=0)缺失值處理
在神經網絡中，一般將缺失值用0填充。
特征工程
根據已有的知識對數據進行編碼的轉換，以改善模型的效果。
特征工程的本質：用更簡單的方式表述問題，從而使得問題變得更容易。
現在大部分的深度學習是不需要特征工程的，因為神經網絡能夠從原始數據中自動提取有用的特征。
解決過擬合
什么是過擬合和欠擬合
機器學習的根本問題是優化和泛化的對立。
優化：調節模型以在訓練集上得到最佳性能；泛化：訓練好的模型在未知數據上的性能好壞。
過擬合overfit：模型在訓練集上表現良好，但是在測試集上表現不好。過擬合存在所有的機器學習問題中。
欠擬合underfit：訓練數據上的損失越小，測試數據上的數據損失也越小。
過擬合和欠擬合的產生
1、欠擬合問題，根本的原因是特征維度過少，導致擬合的函數無法滿足訓練集，誤差較大。
解決方法：欠擬合問題可以通過增加特征維度來解決。
2、過擬合問題，根本的原因則是特征維度過多，導致擬合的函數完美的經過訓練集，但是對新數據的預測結果則較差。解決過擬合問題，則有2個途徑：
減少特征維度；可以人工選擇保留的特征，或者模型選擇算法
正則化；保留所有的特征，通過降低參數θ的值，來影響模型
3招解決過擬合
減小網絡大小
防止過擬合最簡單的方案：減小模型大小，即減少模型中學習參數的個數（層數和每層的單元個數決定）。
容量：在深度學習中，模型中可學習參數的個數稱之為容量。
使用的模型必須具有足夠多的參數，以防止過擬合，即模型應該避免記憶資源不足。
#?電影評論分類的原網絡import?tensorflow?as?tf??#?add import?keras?as?models import?keras?as?layersmodel?=?models.Sequential() model.add(tf.keras.Dense(16,?activation="relu",input_shape=(10000,?))) model.add(tf.keras.Dense(16,?activation="relu")) model.add(tf.keras.Dense(1,?activation="sigmoid"))用一個更小的網絡來替代：
model?=?models.Sequential() model.add(tf.keras.Dense(4,?activation="relu",input_shape=(10000,?))) model.add(tf.keras.Dense(4,?activation="relu")) model.add(tf.keras.Dense(1,?activation="sigmoid"))img我們發現：更小的網絡開始過擬合的時間要晚于之前的網絡；而且小網絡的性能變差的速度也更慢。
換成更大的模型：
model?=?models.Sequential() model.add(tf.keras.Dense(512,?activation="relu",input_shape=(10000,?))) model.add(tf.keras.Dense(512,?activation="relu")) model.add(tf.keras.Dense(1,?activation="sigmoid"))img網絡的容量越大，擬合訓練數據的速度也越快，更容易過擬合。
添加權重正則化（最佳）
奧卡姆剃刀(Occams razor) 原理：如果一件事有兩種解釋，那么最可能正確的就是最簡單的那個，即假設更少的那個。
權重正則化：強制讓模型權重只能取較小的值，從而限制模型的復雜度，使得權重的分布更加規則regular。其實現方法：向網絡損失函數中添加與較大權重值相關的成本。
具體兩種方式：
L1正則化：權重系數的絕對值；L1范數
L2正則化：權重系數的平方；L2范數
神經網絡中的L2正則化也叫做權重衰減weight decay。
Keras中添加權重正則化的方法是向層傳遞：權重正則化實例 作為關鍵字參數，以添加L2權重正則化為例：
from?keras?import?regularizersmodel?=?models.Sequential() model.add(tf.keras.layers.Dense(16,kernel_regularizer=regularizers.l2(0.001),activation="relu",input_shape=(10000,))) model.add(tf.keras.layers.Dense(16,kernel_regularizer=regularizers.l2(0.001),activation="relu")) model.add(tf.keras.layers.Dense(1,activation="sigmoid"))l2(0.001)的意思是該層權重矩陣的每個系數都會使網絡總損失增加0.001*weight_coeffient_value
由于這個懲罰項只在訓練時添加，所以網絡的訓練損失會比測試損失大的多
添加L2正則項前后對比：
img其他權重正則化的添加方式：
from?keras?import?regularizersregularizers.l1(0.001)??#?l1正則化 regularizers.l1_l2(l1=0.001,?l2=0.001)??#?同時添加添加dropout正則化
dropout是神經網絡中最有效也是最常用的正則化方式之一，做法：在訓練過程中隨機將該層的一些輸入特征舍棄（設置為0）
dropout的比例就是被設置為0的特征所占的比例，通常在0.2-0.5之間。添加dropout的具體過程：
model.add(tf.keras.layers.Dropout(0.5))要應用在前面一層的輸出
model?=?models.Sequential() model.add(tf.keras.layers.Dense(16,activation="relu",input_shape=(10000,))) model.add(tf.keras.layers.Dropout(0.5))??#?添加 model.add(tf.keras.layers.Dense(16,activation="relu")) model.add(tf.keras.layers.Dropout(0.5))??#?添加 model.add(tf.keras.layers.Dense(1,activation="sigmoid"))總結
防止神經網絡過擬合的方法：
獲取更多的訓練數據
減小網絡容量
添加權重正則化
添加dropout
機器學習的通用工作流程
問題定義、收集數據
選擇衡量成功的標準
平衡分類問題：精度和接受者操作特征曲線下面積-ROC/AUC
分類不平衡問題：準確率和召回率
確定評估方法
留出驗證集
K折交叉驗證
重復的K折交叉驗證
準備數據
數據轉成張量
取值縮放到0-1之間
數據標準化
特征工程
開發比基準更好的模型
img擴發模型規模：開發過擬合的模型
機器學習中無處不在的對立是優化和泛化的對立，理想的模型是剛好在欠擬合和過擬合的邊界上，在容量不足和容量過大的邊界上。
為了弄清楚我們需要多大的模型，就必須開發一個過擬合的模型：
添加更多的層
讓每一層變的更大
訓練更多的輪次
在訓練的過程中始終監控訓練損失和驗證損失，以及我們關心的指標。
模型正則化和調節參數
添加dropout
嘗試增加或者減少層數
添加L1或者L2正則化項
嘗試不同的超參數
反復做特征工程
總結
以上是生活随笔為你收集整理的【机器学习】机器学习必知概念的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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