了解機(jī)器學(xué)習(xí)算法的類別,把握對(duì)問題的認(rèn)識(shí)層次

引子

系統(tǒng)的學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)課程讓我覺得受益匪淺，有些基礎(chǔ)問題的認(rèn)識(shí)我覺得是非常有必要的，比如機(jī)器學(xué)習(xí)算法的類別。

為什么這么說(shuō)呢？我承認(rèn)，作為初學(xué)者，可能無(wú)法在初期對(duì)一個(gè)學(xué)習(xí)的對(duì)象有全面而清晰的理解和審視，但是，對(duì)一些關(guān)鍵概念有一個(gè)初步并且較為清晰的認(rèn)識(shí)，有助于讓我們把握對(duì)問題的認(rèn)識(shí)層次，說(shuō)白了，就是幫助我們有目的的去學(xué)習(xí)新的知識(shí)，帶著問題去學(xué)習(xí)，充滿對(duì)解決問題的動(dòng)力去實(shí)驗(yàn)，我覺得這種方式是有益并且良性的。

之前，我遇到過(guò)很多這方面的問題，可能出于對(duì)問題分析不夠，在尋找解決的問題的方法或者模型的時(shí)候，有可能不知所措。造成這種情況的原因可能有兩點(diǎn)：1、基礎(chǔ)不深厚，不了解最常用的算法模型；2、學(xué)習(xí)過(guò)程中，缺乏對(duì)模型適用的實(shí)際問題的了解，缺乏將模型應(yīng)用于實(shí)際問題的經(jīng)驗(yàn)。

所以，在學(xué)習(xí)過(guò)程中，要特別注意的不光是深入研究算法的精髓，還要知道該算法的應(yīng)用場(chǎng)合、適用條件和局限性。如果只是去探究原理，而不懂實(shí)際應(yīng)用，只能是書呆子，只會(huì)紙上談兵；如果只想拿來(lái)用，不去深究算法精髓，又只能游離在核心技術(shù)的邊界，無(wú)法真正的領(lǐng)悟。只有結(jié)合理論和實(shí)踐，才可以達(dá)到學(xué)習(xí)效果的最大化。從這條路徑出發(fā)，一定要堅(jiān)持不懈。

輸入空間、特征空間和輸出空間

輸入空間和輸出空間其實(shí)就是輸入和輸出所有可能取值的集合。輸入和輸出空間可以是有限元素的集合，也可以是整個(gè)歐式空間。輸入空間和輸出空間可以是一個(gè)空間，也可以是不同的空間；通常情況下，輸出空間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸入空間。

特征空間是所有特征向量存在的空間。特征空間的每一維對(duì)應(yīng)于一個(gè)特征。有時(shí)假設(shè)輸入空間與特征空間為相同的空間，對(duì)它們不予區(qū)分；有時(shí)假設(shè)輸入空間與特征空間為不同的空間，將實(shí)例從輸入空間映射到特征空間。模型實(shí)際上都是定義在特征空間上的。

這就為機(jī)器學(xué)習(xí)算法的分類提供了很好的依據(jù)，可以根據(jù)輸入空間、特征空間和輸出空間的具體情況的不同，對(duì)算法限定的具體條件進(jìn)行分類。

各種學(xué)習(xí)型算法的分類

首先聲明一下，下面的分類是我在學(xué)習(xí)相關(guān)課程和自己學(xué)習(xí)過(guò)程中進(jìn)行的歸納，不盡完善，但是可以概括一定的問題，希望在此能總結(jié)一下，以備以后能理清思路并完善。

接下來(lái)介紹的算法的分類是根據(jù)初學(xué)者學(xué)習(xí)的內(nèi)容的普遍角度展開的，分類角度從常用的分類方式到相對(duì)陌生的分類方式。

以輸出空間的不同作為分類依據(jù)

二類分類（binary classification）,俗稱是非問題（say YES/NO）。其輸出空間Y={-1，+1}

多類別分類（multiclass classification），輸出空間Y={1,2，...,K}

回歸問題（regression），輸出空間Y=R，即實(shí)數(shù)范圍，輸出是無(wú)限種可能

結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)（structured learning），Y=structures，該學(xué)習(xí)模型也可以看做是多類別學(xué)習(xí)的一種，這里可能涉及到數(shù)量很大的類別

舉例：

二類分類應(yīng)用非常廣泛，比如判斷是否為垃圾郵件、廣告投資是否能盈利、學(xué)習(xí)系統(tǒng)上在下一題答題是否正確。二類分類在機(jī)器學(xué)習(xí)中地位非常重要，是其他算法的基矗

多類別分類的應(yīng)用，比如根據(jù)一張圖片，得出圖片中是蘋果、橘子還是草莓等；還有像Google郵箱，將郵件自動(dòng)分成垃圾郵件、重要郵件、社交郵件、促銷郵件等。多類別分類在視覺或聽覺的辨識(shí)中應(yīng)用很廣泛。

回歸分析在股票價(jià)格預(yù)測(cè)和天氣氣溫的預(yù)測(cè)上被廣泛應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)（Structured Learning）

在自然語(yǔ)言處理中，自動(dòng)的詞性標(biāo)注是很典型的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的例子。比如給定機(jī)器一個(gè)句子，由于詞語(yǔ)在不同的句子當(dāng)中可能會(huì)有不同的詞性，所以該方法是用來(lái)對(duì)句子的結(jié)構(gòu)特性的理解。這種學(xué)習(xí)方法可以被看做是多類別分類，但與多類別分類不同的是，其目標(biāo)的結(jié)構(gòu)種類可能規(guī)模很大，其類別是隱藏在句子的背后的。

這種結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的例子還有例如說(shuō)，生物中蛋白質(zhì)3D立體結(jié)構(gòu)，自然語(yǔ)言處理方面。

結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)在有些地方被描述成標(biāo)注（tagging）問題，標(biāo)注問題的輸入是一個(gè)觀測(cè)序列，輸出是一個(gè)標(biāo)記序列或狀態(tài)序列。標(biāo)注問題的目標(biāo)在于學(xué)習(xí)一個(gè)模型，使它能夠?qū)τ^測(cè)序列給出標(biāo)記序列作為預(yù)測(cè)。

以數(shù)據(jù)標(biāo)簽的不同作為分類依據(jù)

按照這種分類方法，最常見的類別就是監(jiān)督學(xué)習(xí)（supervised learning）、無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)（unsupervised learning）和半監(jiān)督學(xué)習(xí)（semi-supervised learning）。在上面討論的以輸出空間的不同作為分類依據(jù)中，介紹的基本都是監(jiān)督學(xué)習(xí)，下面我們來(lái)具體看看另外兩個(gè)。

無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)（unsupervised learning）

聚類（clustering），{x[n]} => cluster(x) , 這里數(shù)據(jù)的類別是不知道的，根據(jù)某種規(guī)則得到不同的分類。

它可以近似看做無(wú)監(jiān)督的多類別分類。

密度估計(jì)（density estimation），{x[n]} => density(x) ,這里的density(x) 可以是一個(gè)概率密度函數(shù)或者概率函數(shù)。

它可以近似看做無(wú)監(jiān)督的有界回歸問題。

異常檢測(cè)（outlier detection）， {x[n]} => unusual(x) 。

它可以看做近似的無(wú)監(jiān)督二類分類問題。

聚類的例子像是將網(wǎng)絡(luò)上各式各樣的文章分成不同的主題，商業(yè)公司根據(jù)不同的顧客的資料，將顧客分成不同的族群，進(jìn)而采取不同的促銷策略。

密度估計(jì)的典型例子是根據(jù)位置的交通情況報(bào)告，預(yù)測(cè)事故危險(xiǎn)多發(fā)的區(qū)域。

異常檢測(cè)的例子是，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的日志的情況，檢測(cè)是否有異常入侵行為，這是一個(gè)極端的“是非題”，可以用非監(jiān)督的方法來(lái)得出。

半監(jiān)督學(xué)習(xí)（Semi-supervised learning）

半監(jiān)督學(xué)習(xí)（Semi-supervised Learning）是監(jiān)督學(xué)習(xí)與無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)相結(jié)合的一種學(xué)習(xí)方法。它主要考慮如何利用少量的標(biāo)注樣本和大量的未標(biāo)注樣本進(jìn)行訓(xùn)練和分類的問題。半監(jiān)督學(xué)習(xí)是利用未標(biāo)記的大量數(shù)據(jù)提升機(jī)器學(xué)習(xí)算法的表現(xiàn)效果。

半監(jiān)督學(xué)習(xí)的主要算法有五類：基于概率的算法；在現(xiàn)有監(jiān)督算法基礎(chǔ)上作修改的方法；直接依賴于聚類假設(shè)的方法；基于多試圖的方法；基于圖的方法。

半監(jiān)督學(xué)習(xí)的例子，比如Facebook上有關(guān)人臉照片的識(shí)別，可能只有一小部分人臉是被標(biāo)記的，大部分是沒有被標(biāo)記的。

增強(qiáng)學(xué)習(xí)（Reinforce learning）

強(qiáng)化學(xué)習(xí)是一種以環(huán)境反饋?zhàn)鳛檩斎氲?、特殊的、適應(yīng)環(huán)境的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。所謂強(qiáng)化學(xué)習(xí)是指從環(huán)境狀態(tài)到行為映射的學(xué)習(xí)，以使系統(tǒng)行為從環(huán)境中獲得的累積獎(jiǎng)賞值最大。該方法不同與監(jiān)督學(xué)習(xí)技術(shù)那樣通過(guò)正例、反例來(lái)告知采取何種行為，而是通過(guò)試錯(cuò)（trial-and-error）的方法來(lái)發(fā)現(xiàn)最優(yōu)行為策略。

這里的輸出并不一定是你真正想要得到的輸出，而是用過(guò)獎(jiǎng)勵(lì)或者懲罰的方式來(lái)告訴這個(gè)系統(tǒng)做的好還是不好。

比如一個(gè)線上廣告系統(tǒng)，可以看做是顧客在訓(xùn)練這個(gè)廣告系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)給顧客投放一個(gè)廣告，即可能的輸出，而顧客有沒有點(diǎn)或者有沒有因?yàn)檫@個(gè)廣告賺錢，這評(píng)定了這個(gè)廣告投放的好壞。這就讓該廣告系統(tǒng)學(xué)習(xí)到怎么樣去放更適合的廣告。

以與機(jī)器溝通方式的不同作為分類依據(jù)

批量學(xué)習(xí)（batch learning），一次性批量輸入給學(xué)習(xí)算法，可以被形象的稱為填鴨式學(xué)習(xí)。

線上學(xué)習(xí)（online learning），按照順序，循序的學(xué)習(xí)，不斷的去修正模型，進(jìn)行優(yōu)化。

hypothesis 'improves' through receiving data instances sequentially

前兩種學(xué)習(xí)算法分類可以被看做是被動(dòng)的學(xué)習(xí)算法。

主動(dòng)學(xué)習(xí)（active learning），可以被看做是機(jī)器有問問題的能力，指定輸入x[n]，詢問其輸出y[n]

improve hypothesis with fewer labels (hopefully) by asking questions strategically

當(dāng)label的獲取成本非常昂貴時(shí)，會(huì)利用此法

很多機(jī)器學(xué)習(xí)大都是批量學(xué)習(xí)的情況。

線上學(xué)習(xí)的例子有像是垃圾郵件過(guò)濾器中，郵件并不是一下子全部拿來(lái)訓(xùn)練并且辨識(shí)的，而是呈序列形式，一封一封的到來(lái)，這樣子循序?qū)W習(xí)的方式不斷更新。

主動(dòng)學(xué)習(xí)的一個(gè)簡(jiǎn)單例子是，像QQ空間中，有好友照片的標(biāo)注，即機(jī)器向人提問問題。

以輸入空間的不同作為分類依據(jù)

具體特征（concrete features），輸入X的每一維特征都被人類進(jìn)行的整理和分析，這種分析常常是與專業(yè)領(lǐng)域關(guān)聯(lián)的

原始特征（raw features），需要人或者機(jī)器進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將原始特征轉(zhuǎn)化成為具體的特征，在機(jī)器視覺和聲音信號(hào)的辨識(shí)都是屬于該類

抽象特征（abstract features），

抽象特征的例子，比如在一個(gè)在線教學(xué)系統(tǒng)中學(xué)生的編號(hào)信息，還有廣告系統(tǒng)中廣告的編號(hào)ID。使用它們都需要更多特征抽取的動(dòng)作。

原始特征的補(bǔ)充

這里要補(bǔ)充一下raw features中有關(guān)時(shí)興的深度學(xué)習(xí)（deep learning）的有關(guān)知識(shí)。

深度學(xué)習(xí)是通過(guò)機(jī)器自動(dòng)的進(jìn)行特征提取的。它需要有大量的資料或者非監(jiān)督式學(xué)習(xí)的方式去學(xué)習(xí)如何從中抽取出非常具體的特征。

深度學(xué)習(xí)通過(guò)組合低層特征形成更加抽象的高層表示屬性類別或特征，以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式特征表示。

以上是我在初學(xué)階段針對(duì)學(xué)習(xí)型算法的類別簡(jiǎn)述，可能有失準(zhǔn)確的地方，還需要讀者自行分析判斷。最后，我還想對(duì)自己說(shuō)一下，我在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，不必追求將記錄的內(nèi)容表述的盡可能的細(xì)致全面，而是要在記錄書寫文字的過(guò)程中真正能加深對(duì)問題的理解，不斷的進(jìn)行自我思考。畢竟，我寫這些內(nèi)容不是為了出書，而是要靈活的積累學(xué)習(xí)中的關(guān)鍵內(nèi)容，進(jìn)行更好的知識(shí)管理。當(dāng)然，如果能幫助到讀者就更好了。