Lecture 1:机器学习基础概念
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描述:本节建立机器学习的基础语言,区分监督、无监督、强化、半监督和主动学习,说明归纳偏好、NFL 定理以及统计学习方法的“模型、策略、算法”三要素。
1.1 基本术语
1.1.1 数据、样本与特征
- 数据集是样本的集合。建模时通常至少区分训练集和测试集。
- 训练数据与测试数据应当相互独立、没有样本重叠;测试集应在训练开始前确定,不能在反复查看测试结果后继续调模型。
- 一个对象可由若干属性描述,属性也称特征,属性的取值称属性值。
- 若一个对象具有 $d$ 个属性,可把每个属性看作坐标轴,该对象写成特征向量
$$ \boldsymbol{x}=(x_1,x_2,\ldots,x_d)^\mathrm{T}. $$
- 所有可能特征向量构成属性空间、样本空间或输入空间 $\mathcal X$;所有可能输出构成标记空间或输出空间 $\mathcal Y$。
- 在带标记数据中,一个训练样本常写为 $(\boldsymbol{x}_i,y_i)$,其中 $\boldsymbol{x}_i$ 是输入,$y_i$ 是标记。
- 源资料把“示例”解释为有结果的数据、“样例”解释为无结果的数据;实际教材中 instance、example、sample 的译法常混用,答题时应先明确是否包含标记,避免只凭中文词形判断。
1.1.2 模型、假设与学习器
- 模型描述从输入到输出的规律。例如
$$ y=f(\boldsymbol{x}), $$
其中 $f$ 是从数据中学习到的映射。
- 对同一问题可以提出许多候选映射,每一个候选映射都是一个假设;所有候选假设组成假设空间。
- “真相”是数据背后真实但通常未知的规律。学习的目标不是背下训练样本,而是用有限数据逼近这一规律。
- 学习器是学习算法在训练数据上运行后得到的模型,也可强调“由学习过程产生的模型”。
1.1.3 分类、回归与标注
| 任务 | 输出特点 | 例子 |
|---|---|---|
| 回归 | 连续值 | 房价、温度、概率估计 |
| 二分类 | 两个离散类别 | 好/坏、真/假、阳性/阴性 |
| 多分类 | 多个离散类别 | 手写数字、物体类别 |
| 标注问题 | 输入和输出均为序列 | 词性标注、序列标注 |
- 二分类中的正类和反类是人为约定的,两者在数学上通常可交换,但业务代价往往并不对称。
- 多分类可以直接求解,也可以拆成若干二分类问题。
1.2 监督学习
1.2.1 定义与本质
- 监督学习从标注数据中学习预测模型。标注数据给出了输入与期望输出之间的对应关系。
- 监督学习的本质是学习输入到输出的统计映射规律。
- 输入、输出随机变量通常写作大写 $X,Y$,其具体取值写作小写 $x,y$;变量既可以是标量,也可以是向量。
- 回归问题通常具有连续输出;分类问题具有有限个离散输出;序列到序列的预测可形成标注问题。
1.2.2 假设空间
- 监督学习要从一组候选模型中选出较好的模型。这组从 $\mathcal X$ 到 $\mathcal Y$ 的候选映射集合称为假设空间:
$$ \mathcal F={f\mid f:\mathcal X\rightarrow\mathcal Y}. $$
- 确定假设空间,就是确定学习可以搜索的范围。空间太小可能无法表达真实规律,空间过大又更容易过拟合。
1.2.3 学习与预测过程
监督学习分为两个阶段:
- 学习系统读取训练集
$$ D={(\boldsymbol{x}_1,y_1),(\boldsymbol{x}_2,y_2),\ldots,(\boldsymbol{x}_N,y_N)}, $$
并从假设空间中选择模型 $\hat f$。 2. 预测系统接收未见输入 $\boldsymbol{x}_{N+1}$,输出
$$ \hat y_{N+1}=\hat f(\boldsymbol{x}_{N+1}). $$
- 对训练样本 $\boldsymbol{x}_i$,模型输出 $\hat f(\boldsymbol{x}_i)$ 应尽量接近真实标记 $y_i$。
- 只在训练集上表现好还不够;学习系统最终追求的是对未知样本也有良好的预测能力。
1.3 无监督学习与泛化
1.3.1 无监督学习
- 无监督学习从无标注数据中学习模型,数据没有预先给出的期望输出。
- 其本质是发现数据中的统计规律或潜在结构。
- 常见任务包括聚类、密度估计、表示学习和数据变换。
- 聚类把相似数据自动分组,但分组结果的语义通常仍需结合领域知识解释。
1.3.2 未见样本、独立同分布与泛化
- 未见样本是训练阶段没有出现过的新数据。
- 独立同分布通常记为 i.i.d.:各样本彼此独立,并来自同一个概率分布。
- 同分布假设使得训练样本中的频率能够用于估计总体概率;若训练分布与未来数据分布明显不同,经验规律可能失效。
- 泛化是把从训练数据中学到的规律推广到未见数据的能力。泛化性能差的模型,即使训练误差很低,也没有实际使用价值。
1.4 强化学习
- 强化学习研究智能系统在与环境的连续交互中学习最优行为策略。
- 常用建模基础是马尔可夫决策过程。马尔可夫性表示:给定当前状态和动作后,下一状态不再依赖更早的历史。
- 在时刻 $t$,智能体观察状态 $s_t$,选择动作 $a_t$;环境返回奖励 $r_t$ 并转移到状态 $s_{t+1}$。
- 学习目标不是让某一次即时奖励最大,而是使长期累积奖励最大,例如折扣回报
$$ G_t=\sum_{k=0}^{\infty}\gamma^k r_{t+k+1},\qquad 0\leq\gamma<1. $$
- 强化学习通过不断试错改进策略,因此必须处理探索未知动作和利用已有经验之间的平衡。
1.5 半监督学习与主动学习
1.5.1 半监督学习
- 半监督学习同时利用少量标注数据和大量未标注数据训练预测模型。
- 标注通常依赖人工且成本较高,未标注数据更容易获得。
- 核心目标是从未标注数据的分布或结构中获取额外信息,辅助监督学习,以较低标注成本获得更好的效果。
1.5.2 主动学习
- 主动学习让学习器主动选择最有价值的未标注实例,请教师或标注者给出标记,再把新标记数据加入训练。
- 普通监督学习被动接收既有标注;主动学习则优先询问最不确定、最有代表性或对模型改进最有帮助的实例。
- 目标是在较小标注代价下达到较好的学习效果。
1.6 归纳偏好
- 归纳偏好(inductive bias)是学习算法在多个能够解释训练数据的假设之间,对某类假设的偏好。
- 只凭有限训练样本通常不能唯一确定真实规律,因此任何有效学习算法都必须带有归纳偏好。
- 算法的偏好是否与当前问题匹配,往往直接决定其泛化性能。
1.6.1 奥卡姆剃刀
- 奥卡姆剃刀可概括为“若非必要,勿增实体”:若多个假设都能同样解释已知现象,优先选择更简单的假设。
- “更简单”本身也需要定义。比较 $y=ax^2+bx+c$ 与 $y=ax^3+c$ 时,一个次数更低,一个参数更少,不能脱离模型表示、数据分布和任务目标武断判断。
- 因而奥卡姆剃刀是一种归纳偏好,不是无条件正确的定理。
1.7 NFL 定理
- NFL(No Free Lunch)定理说明:若把所有可能问题视为等可能,一个算法在某些问题上的优势必然由它在另一些问题上的劣势抵消。
- 对同一组训练点,两条曲线都可能完全穿过训练点;仅凭训练拟合无法断定哪条曲线对未来样本更好。
- 机器学习中的问题不仅包括模型形式,还包括输入域 $\mathcal X$、输出域 $\mathcal Y$ 以及数据分布。即使都叫“推荐”,游戏推荐和服装推荐也可能是完全不同的问题。
- 现实中并非所有问题等可能、等重要,因此 NFL 不是说“所有算法在实际任务中一样好”,而是说不存在脱离具体任务、始终最优的学习算法。
- 正确结论是:必须结合数据、目标和约束具体分析,必要时按需设计模型,而不能只比较抽象的算法名称。
1.8 统计学习方法三要素
统计学习方法可概括为
$$ \text{方法}=\text{模型}+\text{策略}+\text{算法}. $$
1.8.1 模型
- 模型回答“学习什么”。在监督学习中,模型可以是决策函数,也可以是条件概率分布。
- 假设空间 $\mathcal F$ 包含所有候选决策函数或条件概率分布。例如线性决策函数的假设空间可写为
$$ \mathcal F={f(\boldsymbol{x})=\boldsymbol{w}^{\mathrm T}\boldsymbol{x}+b}. $$
1.8.2 策略
- 策略回答“怎样判断模型好坏”。损失函数衡量一次预测的好坏,风险函数衡量平均意义上的预测好坏。
- 常见损失函数包括:
0-1 损失:
$$ L(Y,f(X))= \begin{cases} 1,&Y\neq f(X),\ 0,&Y=f(X). \end{cases} $$
平方损失:
$$ L(Y,f(X))=(Y-f(X))^2. $$
对数损失:
$$ L(Y,P(Y\mid X))=-\log P(Y\mid X). $$
1.8.3 算法
- 算法回答“如何计算出最优模型”。确定模型和学习策略后,训练通常归结为最优化问题。
- 若最优化问题存在显式解析解,可直接求解;多数复杂问题需要数值优化。
- 算法设计既要关注能否找到全局或足够好的解,也要关注计算效率、存储开销和数值稳定性。
1.9 易错点
- 训练集与测试集有重叠会造成数据泄漏,测试结果不能代表真实泛化能力。
- 分类还是回归由输出空间决定,不由输入是连续还是离散决定。
- 正类、反类可交换不意味着两类数量一定相等,也不意味着误判代价相同。
- 无监督学习不是“没有目标”,而是没有人工标记,目标通常由聚类、密度估计等学习准则给出。
- i.i.d. 是常用建模假设,不是所有现实数据天然满足的事实。
- NFL 定理不否认特定任务上存在更好的算法;它否认的是脱离任务分布的普适最优算法。
- 模型、策略和算法不能混淆:模型给出候选函数,策略定义选择标准,算法负责求解。
相关知识
- 科目导航:复试常考科目导航
- 阅读顺序:下一篇:模型评估和选择
- 关联专题:深度学习预备知识
1.10 本节复盘
- 数据由特征向量表示,输入空间记为 $\mathcal X$,输出空间记为 $\mathcal Y$;带标记样本写作 $(\boldsymbol{x}_i,y_i)$。
- 监督学习从标注数据学习输入到输出的映射;无监督学习发现无标注数据的潜在结构;强化学习从交互和奖励中学习序贯决策。
- 半监督学习利用少量标注和大量未标注数据;主动学习主动挑选最值得标注的实例。
- 泛化能力衡量模型对未见数据的表现,训练误差低不等于泛化好。
- 归纳偏好使学习器能在多个一致假设中作出选择;奥卡姆剃刀偏好简单解释,但“简单”必须结合表示和任务定义。
- NFL 定理要求比较算法时明确具体问题、数据分布和评价目标。
- 统计学习方法由模型、策略、算法三要素构成,分别回答“学什么、怎样算好、如何求解”。