机器学习概述与算法介绍(二)

1. 机器学习概述
2. 机器学习基本概念
3. 机器学习基本流程与工作环节
4. 机器学习中的评估指标
5. 机器学习算法一览

3. 机器学习基本流程与工作环节

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3.1 机器学习应用几大环节

预测模型

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机器学习算法 / 数据

机器学习的应用工作是围绕着数据与算法展开的

3.2 机器学习不同阶段与作用

数据预处理 Preprocessing

• 特征抽取
• 幅度缩放
• 特征选择
• 维度约减
• 采样

模型评估 Evalution

• 模型选择 Model Selection
• 交叉验证 Cross-Validation
• 结果评估 Performance Metrics
• 超参选择 Hyperparameter Optimization

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数据预处理 / 模型学习 / 模型评估 / 新样本预测

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要点总结

• 数据驱动方法:数据+机器学习算法 = 预测模型
• 机器学习应用阶段
  1. 数据预处理
     • 数据采样、数据切分、特征抽取、特征选择、降维
  2. 模型学习
     • 超参选择、交叉验证、结果评估、模型选择、模型训练
  3. 模型评估
     • 分类、回归、排序评估标准
  4. 模型上线

4. 机器学习中的评估指标

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4.1 机器学习的目标

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Q: 什么模型好?

A: 泛化能力强! 能很好地适用于没见过的样本

例如,错误率低、精度高

然而,我们手上没有未知的样本......

案例 From 周志华《机器学习》

4.2 机器学习的评估方法

我们手上没有未知的样本,如何可靠地评估?

关键: 获得可靠的“测试集数据”(test set) ?

测试集(用于评估)应该与训练集(用于模型学习)“互斥”

常见方法:

• 留出法(hold-out)
• 交叉验证法(cross validation)
• 自助法(bootstrap)

1. 留出法

注意点:

• 保持数据分布一致性 (例如: 分层采样)
• 多次重复划分 (例如: 100次随机划分)
• 测试集不能太大、不能太小 (例如:1/5~1/3)

| 全 量 数 据 集 |

| 测试集 | 训练集 |

2. k折交叉验证

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典型的 10折交叉验证

3. 自助法(bootstrap)

基于“自助采样”的方法(bootstrap sampling) 别称:“有放回采样”、“可重复采样”

约有 36.8% 的样本不出现

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• 训练集与原样本集同规模
• 数据分布有所改变

包外估计(out-of-bag estimation)

• 性能度量(performance measure)是衡量模型泛化能力的数值评价标准,反映了当前问题(任务需求)
• 使用不同的性能度量可能会导致不同的评判结果

关于模型“好坏”的判断,不仅取决于算法和数据, 还取决于当前任务需求。

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比如:回归(regression) 任务常用均方误差:

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4.3 机器学习的评估度量指标

• 分类问题的常用性能度量

  • 错误率:

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  • 精度:

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• 分类问题的常用性能度量

  • 二分类混淆矩阵

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    • 查准率(准确率): image
    • 查全率(召回率): image

  • 查准率 vs. 查全率

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    • F1值 image image image

• 分类问题的常用性能度量

  • ROC && AUC

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    ROC (Receiver Operating Characteristic) Curve [Green & Swets, Book 66; Spackman, IWML’89] Area Under ROC Curve

    AUC (Area Under the ROC Curve)

    AUC越大,结果越好

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  • MAE(Mean Absolute Error) 平均绝对误差

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  • MSE(Mean Square Error) 均方误差

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  • RMSE(Root Mean Square Error) 均方根误差

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  • R平方

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要点总结

• 机器学习目标
  • 拿到有泛化能力的“好模型”
• 机器学习的评估方法
  • 留出法、交叉验证法、自助法
• 机器学习的评估度量标准
  • 分类问题
• 错误类、精度、召回率/准确率、混淆矩阵、F1值、AUC
  • 回归问题
• MAE、MSE、RMSE、R平方

5. 机器学习算法一览

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5.1 机器学习算法一览

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5.2 机器学习算法可视化理解

不同算法在完成分类与回归问题时候,有不同的处理方式。

详见课程动态演示

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要点总结

• 机器学习算法
  • 监督学习
    • 分类:K最近邻、逻辑回归、朴素贝叶斯、支持向量机、树模型...
    • 回归:线性回归、多项式回归、岭回归、树模型回归...
  • 无监督学习
    • 聚类:K-means,层次聚类、密度聚类、GMM...
    • 关联规则:Fpgrowth
• 机器学习算法可视化理解
  • 分类问题
    • 不同的算法在尝试生成不同的决策边界,从而完成分类
    • 回归类问题有不同的拟合方式

附 结合微专业课程的学习

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数学基础

讲授具体算法时对涉及数学部分有针对的查漏补缺

算法理解

理解算法核心概念与原理,不同算法差异,不同场景与算法选择

编程基础

结合课程算法的配套案例与代码实现,巩固编程能力

动手实践

结合微专业综合应用部分,案例与机器学习应用“套路”学习

积累项目经验

组织大家积极参与数据科学比赛和讨论

附 参考文献/Reference

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•  Prof. Andrew Ng. Machine Learning. Stanford University
•  李航,统计学习方法,清华大学出版社,2012
•  周志华,机器学习,清华大学出版社,2016
•  Scikit-learn,http://scikit-learn.org/stable/index.html