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机器学习背后的数学(上)

已有 2235 次阅读 2020-4-29 19:23 |个人分类:机器学习|系统分类:科研笔记

三个问题引入:

(1)机器学习什么时候会成功?

(2)什么样的模型是好模型?

(3)什么样的特征是好特征?

解答:

(一)机器学习成功依靠

(1) 模式存在( Pattern exists)

       ① 什么是模式?(提炼稳定的规律性的内容,可以用于后续推测)

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(2) 数据足够( Data enough)(数据是第一生产力)

     大数据1.0时代:数据报表和数据呈现

     大数据2.0时代:数据挖掘和预测(机器学习等)

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(3) 无解析解( No analytical solution)


(二)机器学习好模型(不同数据需要不同类型模型)

(1)度量不确定性(参考《概率论与数理统计》)

        概率的频率主义定义;概率的贝叶斯定义;事件与可能性空间;随机变量。

        用概率分布概率函数描述随机变量:

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       用抽样来理解分布(用10000遵循大数定律)(分别是高斯分布、Gamma分布、指数分布、均匀分布)

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(2)多维空间概率分布

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(3)条件概率

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(4)概率模型下的监督学习

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(5)升级版线性回归

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(6)模型求解与似然函数

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似然是谁的函数

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(7)联合分布

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(8)重新认知代价函数(cost function)或 损失函数(lost function)(以升级版线性回归为例

       代价函数是在似然原则的指导下产生的,告诉我们如何设计代价函数,它与数据的分布息息相关

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       对于指数函数的计算简化技巧是取对数

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(9)重新设计代价函数

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(10)KNN代价函数背后的假设是什么?

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(11)误差分析:什么模型是好模型?(泛化误差越小模型越好

        测量泛化误差

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       泛化误差(针对测试数据集)的来源

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       方差偏差分解

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泛化误差公式详细推导:


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       因此,为了减小泛化误差,获得好模型,应该采取的策略应针对三方面:  

       ① 减小方差:增加数据量,使模型方差减小;

       ② 减小偏差:主要增加模型复杂度:由线性模型->神经网络->深度学习(都是在调节模型的复杂度)

       ③ 减弱噪声:噪声告诉我们天下没有完美的模型,噪声是最好的模型的理论上限,所有模型都存在,不好解决,暂时没办法。

(12) 方差偏差平衡性问题

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          因此,根据目前可以采取的策略针对偏差和方差,好模型要找到一个平衡点,如下图

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