动手学深度学习—— 1.引言

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作者
筋斗云
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1.机器学习的关键组件

首先介绍一些核心组件。无论什么类型的机器学习问题,都会遇到这些组件:

  1. 可以用来学习的数据(data);

  2. 如何转换数据的模型(model);

  3. 一个目标函数(objective function),用来量化模型的有效性;

  4. 调整模型参数以优化目标函数的算法(algorithm)。

2.监督学习

监督学习(supervised learning)擅长在“给定输入特征”的情况下预测标签。 每个“特征-标签”对都称为一个样本(example)。 有时,即使标签是未知的,样本也可以指代输入特征。 我们的目标是生成一个模型,能够将任何输入特征映射到标签(即预测)。

监督学习的学习过程一般可以分为三大步骤:

  1. 从已知大量数据样本中随机选取一个子集,为每个样本获取真实标签。有时,这些样本已有标签(例如,患者是否在下一年内康复?);有时,这些样本可能需要被人工标记(例如,图像分类)。这些输入和相应的标签一起构成了训练数据集;

  2. 选择有监督的学习算法,它将训练数据集作为输入,并输出一个“已完成学习的模型”;

  3. 将之前没有见过的样本特征放到这个“已完成学习的模型”中,使用模型的输出作为相应标签的预测。

3.无监督学习

到目前为止,所有的例子都与监督学习有关,即需要向模型提供巨大数据集:每个样本包含特征和相应标签值。 打趣一下,“监督学习”模型像一个打工仔,有一份极其专业的工作和一位极其平庸的老板。 老板站在身后,准确地告诉模型在每种情况下应该做什么,直到模型学会从情况到行动的映射。 取悦这位老板很容易,只需尽快识别出模式并模仿他们的行为即可。

相反,如果工作没有十分具体的目标,就需要“自发”地去学习了。 比如,老板可能会给我们一大堆数据,然后要求用它做一些数据科学研究,却没有对结果有要求。 这类数据中不含有“目标”的机器学习问题通常被为无监督学习(unsupervised learning), 本书后面的章节将讨论无监督学习技术。 那么无监督学习可以回答什么样的问题呢?来看看下面的例子。

  • 聚类(clustering)问题:没有标签的情况下,我们是否能给数据分类呢?比如,给定一组照片,我们能把它们分成风景照片、狗、婴儿、猫和山峰的照片吗?同样,给定一组用户的网页浏览记录,我们能否将具有相似行为的用户聚类呢?

  • 主成分分析(principal component analysis)问题:我们能否找到少量的参数来准确地捕捉数据的线性相关属性?比如,一个球的运动轨迹可以用球的速度、直径和质量来描述。再比如,裁缝们已经开发出了一小部分参数,这些参数相当准确地描述了人体的形状,以适应衣服的需要。另一个例子:在欧几里得空间中是否存在一种(任意结构的)对象的表示,使其符号属性能够很好地匹配?这可以用来描述实体及其关系,例如“罗马” − “意大利” + “法国” = “巴黎”。

  • 因果关系(causality)和概率图模型(probabilistic graphical models)问题:我们能否描述观察到的许多数据的根本原因?例如,如果我们有关于房价、污染、犯罪、地理位置、教育和工资的人口统计数据,我们能否简单地根据经验数据发现它们之间的关系?

  • 生成对抗性网络(generative adversarial networks):为我们提供一种合成数据的方法,甚至像图像和音频这样复杂的非结构化数据。潜在的统计机制是检查真实和虚假数据是否相同的测试,它是无监督学习的另一个重要而令人兴奋的领域。

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