【原创】机器学习从零开始系列连载(8)——机器学习中的统一框架
【原创】机器学习从零开始系列连载(8)——机器学习中的统一框架
机器学习中的统一框架
很多机器学习问题都可以放在一个统一的框架下讨论，这样大家在理解各种模型时就是相互联系的。
目标函数
回忆一下目标函数的定义：
其实，很多模型可以用这种形式框起来：
比如linear regression、logistic regression、SVM、additive models、k-means，neural networks 等等。
其中损失函数部分用来控制模型的拟合能力，期望降低偏差；正则项部分用来提升模型泛化能力，期望降低方差，最优模型是对偏差和方差的最优折中。
损失函数
损失函数反应了模型对历史数据的学习程度，我们期望模型能尽可能学到历史经验，得到一个低偏差模型。
Q：大家想想横坐标是什么？
实践当中很少直接使用0-1损失做优化（当然也有这么用的,比如下面两篇论文，可以通过公众号后台获得：
Direct 0-1 Loss Minimization and Margin Maximization with Boosting：【公众号后台回复 Loss 获取这篇论文】
和
Algorithms for Direct 0–1 Loss Optimization in Binary Classification：【公众号后台回复Loss获取这篇论文 】
但总的来说应用有限），原因如下：
- 0-1损失的优化是组合优化问题且为NP-hard，无法在多项式时间内求得；
- 损失函数非凸非光滑，很多优化方法无法使用；
- 对权重的更新可能会导致损失函数大的变化，即变化不光滑；
- 只能使用正则，其他正则形式都不起作用；
- 即使使用正则，依然是非凸非光滑，优化求解困难。
由于0-1损失的问题，所以以上损失函数都是对它的近似。原理细节可以参考：Understanding Machine Learning: From Theory to Algorithms
不同损失函数在相同数据集下的直观表现如下：
正则化项
正则化项影响的是模型在未知样本上的表现，我们希望通过它能降低模型方差提高泛化性。
如果有数据集:
在给定假设下，通常采用极大似然估计(MLE)求解参数：
假设模型参数也服从某种概率分布 ， 可以采用极大后验概率估计(MAP)求解参数。
L2 正则
假设
L1 正则
假设
正则化的几何解释
L1 and L2 Regularization
不同q的取值下正则项的几何表现如下：
from wiki
Dropout正则化与数据扩充
这两类方法在神经网络中比较常用，后面会专门介绍。
神经网络框架
很多模型可以看做是神经网络，例如：感知机、线性回归、支持向量机、逻辑回归等。
Linear Regression
线性回归可以看做是激活函数的单层神经网络：
Logistic Regression
逻辑回归可以看做是激活函数的单层神经网络：
Support Vector Machine
采用核方法后的支持向量机可以看做是含有一个隐层的3层神经网络：
Bootstrap Neural Network
采用bagging方式的组合神经网络：
Boosting Neural Network
采用boosting方式的组合神经网络：
前情回顾
神经网络在维基百科上的定义是：
NN is a network inspired by biological neural networks (the central nervous systems of animals, in particular the brain) which are used to estimate or approximate functions that can depend on a large number of inputs that are generally unknown.(from wikipedia)
神经元
神经元是神经网络和SVM这类模型的基础模型和来源，它是一个具有如下结构的线性模型：
其输出模式为：
示意图如下：
神经网络的常用结构
神经网络由一系列神经元组成，典型的神经网络结构如下：
其中最左边是输入层，包含若干输入神经元，最右边是输出层，包含若干输出神经元，介于输入层和输出层的所有层都叫隐藏层，由于神经元的作用，任何权重的微小变化都会导致输出的微小变化，即这种变化是平滑的。
神经元的各种组合方式得到性质不一的神经网络结构 :
前馈神经网络
反向传播神经网络
循环神经网络
卷积神经网络
自编码器
Google DeepMind 记忆神经网络(用于AlphaGo)
一个简单的神经网络例子
假设随机变量 , 使用3层神经网络拟合该分布：
import numpy as np
import matplotlib
matplotlib.use('Agg')
import matplotlib.pyplot as plt
import random
import math
import keras
from keras.models import Sequential
from keras.layers.core import Dense,Dropout,Activation
def gd(x,m,s):
left=1/(math.sqrt(2*math.pi)*s)
right=math.exp(-math.pow(x-m,2)/(2*math.pow(s,2)))
return left*right
def pt(x, y1, y2):
if len(x) != len(y1) or len(x) != len(y2):
print 'input error.'
return
plt.figure(num=1, figsize=(20, 6))
plt.title('NN fitting Gaussian distribution', size=14)
plt.xlabel('x', size=14)
plt.ylabel('y', size=14)
plt.plot(x, y1, color='b', linestyle='--', label='Gaussian distribution')
plt.plot(x, y2, color='r', linestyle='-', label='NN fitting')
plt.legend(loc='upper left')
plt.savefig('ann.png', format='png')
def ann(train_d, train_l, prd_d):
if len(train_d) == 0 or len(train_d) != len(train_l):
print 'training data error.'
return
model = Sequential()
model.add(Dense(30, input_dim=1))
model.add(Activation('relu'))
model.add(Dense(30))
model.add(Activation('relu'))
model.add(Dense(1, activation='sigmoid'))
model.compile(loss='mse',
optimizer='rmsprop',
metrics=['accuracy'])
model.fit(train_d,train_l,batch_size=250, nb_epoch=50, validation_split=0.2)
p = model.predict(prd_d,batch_size=250)
return p
if __name__ == '__main__':
x = np.linspace(-5, 5, 10000)
idx = random.sample(x, 900)
train_d = []
train_l = []
for i in idx:
train_d.append(x[i])
train_l.append(gd(x[i],0,1))
y1 = []
y2 = []
for i in x:
y1.append(gd(i,0,1))
y2 = ann(np.array(train_d).reshape(len(train_d), 1), np.array(train_l), np.array(x).reshape(len(x), 1))
pt(x, y1, y2.tolist())