<机器学习笔记-01><scikit-learn 01>机器学习基础

目的

笔者计划对“机器学习machine learning”进行学习，为了对知识和技能进行及时地梳理和总结，同时也为了能够与同道者交流学习，决心以笔记分享的方式来记录这一过程，也算是对自己的一种鞭策吧。

架构&思路 & 参考资料：

a. 从工程师立场来看，问题的解决往往可以分为两个过程：造积木和搭积木；具体到机器学习的领域，创造新的算法，并对其进行封装，这是造积木的部分，而将不同的算法应用到各种工程实际中，与具体的项目结合起来，就是搭积木的过程。工程师呢，需要知道怎么造积木的原理和方法，但是更重要的是知道，怎么去用这些积木；所以笔记中，会力求掌握算法的原理，并结合实际项目应用之。

b. 非常陡峭的学习曲线往往会让人非常沮丧，而让学习曲线变得平缓起来的方法，就是螺旋上升。一开始呢，学用结合，在实际项目中锻炼成长，边做边学，增强对于复杂理论和概念的理解，培养实际应用机器学习解决实际问题的能力；当项目完成后，再回头看那些复杂的公式，或许会有一种云淡风轻、似曾相识的感觉吧。

c. scikit-learn是Python的机器学习库，支持分类、回归、降维、聚类等算法，包含特征提取、数据处理、模型评估等模块。文档多、上手快，作为上手学习机器学习的工具还是非常不错的。

d. 参考书： 推荐《Mastering Machine Learning With scikit-learn》，CSDN的下载里有中英文（非影印）版，以及源代码和数据；

Python和scikit-learn开发环境搭建

强烈推荐Anaconda python集成开发环境，支持windows, Mac OS, Linux等平台；安装后，平台已集成scikit-learn、Numpy、Pandas等库，可以省去配置开发环境的麻烦；

机器学习基础：

a. 机器学习基础是归纳generalize，从已知数据中找未知规律；

b. Tom Mitchell定义“一个程序在完成任务T（task）后获得经验E（experience），其表现为效果P（performance）；如果它完成任务T（task）的效果为P（performance），那么就获得经验E（experience）”；

监督学习、无监督学习

a. 监督学习：输入和输出的经验数据已经成对的标记好； 从有正确答案的例子中学习，需要对类似的问题作出正确的反馈；输入变量称为特征，测量的现象作为解释变量；输出结果称为响应值；

b. 无监督学习：输入和输出的经验数据没有标记；需要在这些未标记的数据中发现规律；

c. 增强学习（Reinforcement learning）：半监督学习的一个案例；问题可以通过决策获得反馈，但是反馈与决策中没有直接关系；

机器学习任务：

a. 监督学习：分类（classification）和回归（regression）；分类需要从若干变量约束条件中预测出新观测值的类型、种类、标签；回归则是预测连续变量的数值；

b. 无监督学习：聚类、降维；聚类就是通过一些相似性度量方法把一些观测值分成同一类；降维是发现对响应值影响最大的解释变量的过程；

训练数据和测试数据

a. 训练集（training set）：构成监督学习经验的案例集合；

b. 测试集（test set）：评估程序效果的案例集合；

c. 验证集（validation set）：调整超参数变量的案例集合；超参数变量控制模型如何学习；

d. 监督学习的观测值分成三部分：训练集（50%），测试集（50%），验证集（25%）；

e. 过度拟合（over-fitting）vs欠拟合：过度拟合是指能够在训练集上获得较好地拟合的假设，在训练集之外的案例集合却不能很好的拟合数据；原因是存在噪音或者训练数据太少；正则化（regularization）可以减轻过度拟合程度；

f. “放入的是垃圾，出来的也是垃圾”：监督学习需要用有代表性、标签正确的数据集进行训练；多而不好的数据，训练效果不一定比少而好的数据好。

g. 交叉验证：用相同的数据对算法进行多次训练和检验；适用于训练集不够的时候；数据训练集分成N块，算法用N-1块进行训练，再用最后一块进行测试；

效果评估-偏差和方差

a. 监督学习中，两个基本指标评估预测误差：偏差（bias）和方差（variance）；高方差是过度拟合了训练集数据，高偏差则是拟合不够的表现；

b. 偏差-方差均衡：现在中二者具有背反特征，降低一个指标，另一个指标会增加；

c. 无监督学习：没有预测误差，评估数据结构的一些属性；评估方法针对于具体的任务；

d. 无监督评估举例-恶性肿瘤预测（真阳性TP（true positive）+真阴性TN（true negative）+假阳性FP（false positive ）+假阴性FN（false negative））：

准确度评估accuracy=（TP+TN）/（TP+TN+FP+FN）；

恶性肿瘤精确度precision=TP/（TP+FP）

召回率recall=TP/(TP+FN)

召回率比其他指标更满足实际要求；