一種對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)進(jìn)行分類的方法是看它們?nèi)绾畏夯?。大多?shù)機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)是要做出預(yù)測(cè)。這意味著系統(tǒng)需要通過給定的訓(xùn)練示例，在它此前并未見過的示例上進(jìn)行預(yù)測(cè)(泛化)。在訓(xùn)練數(shù)據(jù)上實(shí)現(xiàn)良好的性能指標(biāo)固然重要，但是還不夠充分。真正的目的是要在新的對(duì)象實(shí)例上表現(xiàn)出色。

泛化的主要方法有兩種：基于實(shí)例的學(xué)習(xí)和基于模型的學(xué)習(xí)。

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1. 基于實(shí)例的學(xué)習(xí)

我們最司空見慣的學(xué)習(xí)方法就是簡(jiǎn)單地死記硬背。如果以這種方式創(chuàng)建一個(gè)垃圾郵件過濾器，那么它可能只會(huì)標(biāo)記那些與已被用戶標(biāo)記為垃圾郵件完全相同的郵件—這雖然不是最差的解決方案，但肯定也不是最好的。

除了完全相同的，你還可以通過編程讓系統(tǒng)標(biāo)記與已知的垃圾郵件非常相似的郵件。這里需要兩封郵件之間的相似度度量。一種(基本的)相似度度量方式是計(jì)算它們之間相同的單詞數(shù)目。如果一封新郵件與一封已知的垃圾郵件有許多單詞相同，系統(tǒng)就可以將其標(biāo)記為垃圾郵件。

這被稱為基于實(shí)例的學(xué)習(xí)：系統(tǒng)用心學(xué)習(xí)這些示例，然后通過使用相似度度量來比較新實(shí)例和已經(jīng)學(xué)習(xí)的實(shí)例(或它們的子集)，從而泛化新實(shí)例。例如，圖1-15中的新實(shí)例會(huì)歸為三角形，因?yàn)榇蠖鄶?shù)最相似的實(shí)例屬于那一類。

▲圖1-15：基于實(shí)例的學(xué)習(xí)

2. 基于模型的學(xué)習(xí)

從一組示例集中實(shí)現(xiàn)泛化的另一種方法是構(gòu)建這些示例的模型，然后使用該模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。這稱為基于模型的學(xué)習(xí)(見圖1-16)。

▲圖1-16：基于模型的學(xué)習(xí)

舉例來說，假設(shè)你想知道金錢是否讓人感到快樂，你可以從經(jīng)合組織(OECD)的網(wǎng)站上下載“幸福指數(shù)”的數(shù)據(jù)，再從國際貨幣基金組織(IMF)的網(wǎng)站上找到人均GDP的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)并入表格，按照人均GDP排序，你會(huì)得到如表1-1所示的摘要。

表1-1：金錢能讓人更快樂嗎?

讓我們繪制這些國家的數(shù)據(jù)(見圖1-17)。

▲圖1-17：趨勢(shì)圖

這里似乎有一個(gè)趨勢(shì)!雖然數(shù)據(jù)包含噪聲(即部分隨機(jī))，但是仍然可以看出隨著該國人均GDP的增加，生活滿意度或多或少呈線性上升的趨勢(shì)。所以你可以把生活滿意度建模成一個(gè)關(guān)于人均GDP的線性函數(shù)。這個(gè)過程叫作模型選擇。你為生活滿意度選擇了一個(gè)線性模型，該模型只有一個(gè)屬性，就是人均GDP(見公式1-1)。

公式1-1：一個(gè)簡(jiǎn)單的線性模型

生活滿意度= θ0 + θ1×人均GDP

這個(gè)模型有兩個(gè)模型參數(shù)：θ0和θ1。通過調(diào)整這兩個(gè)參數(shù)，可以用這個(gè)模型來代表任意線性函數(shù)，如圖1-18所示。

▲圖1-18：一些可能的線性模型

在使用模型之前，需要先定義參數(shù)θ0和θ1的值。怎么才能知道什么值可以使模型表現(xiàn)最佳呢?要回答這個(gè)問題，需要先確定怎么衡量模型的性能表現(xiàn)。要么定義一個(gè)效用函數(shù)(或適應(yīng)度函數(shù))來衡量模型有多好，要么定義一個(gè)成本函數(shù)來衡量模型有多差。

對(duì)于線性回歸問題，通常的選擇是使用成本函數(shù)來衡量線性模型的預(yù)測(cè)與訓(xùn)練實(shí)例之間的差距，目的在于盡量使這個(gè)差距最小化。

這正是線性回歸算法的意義所在：通過你提供的訓(xùn)練樣本，找出最符合提供數(shù)據(jù)的線性模型的參數(shù)，這稱為訓(xùn)練模型。在這個(gè)案例中，算法找到的最優(yōu)參數(shù)值為θ0 = 4.85和θ1 = 4.91×10^(-5)。

注意：令人困惑的是，同一個(gè)詞“模型”可以指模型的一種類型(例如，線性回歸)，到一個(gè)完全特定的模型架構(gòu)(例如，有一個(gè)輸入和一個(gè)輸出的線性回歸)，或者到最后可用于預(yù)測(cè)的訓(xùn)練模型(例如，有一個(gè)輸入和一個(gè)輸出的線性回歸，使用參數(shù)θ0 = 4.85和θ1 = 4.91×10^(-5))。模型選擇包括選擇模型的類型和完全指定它的架構(gòu)。訓(xùn)練一個(gè)模型意味著運(yùn)行一種尋找模型參數(shù)的算法，使其最適合訓(xùn)練數(shù)據(jù)(希望能對(duì)新的數(shù)據(jù)做出好的預(yù)測(cè))。

現(xiàn)在，(對(duì)于線性模型而言)模型基本接近訓(xùn)練數(shù)據(jù)，如圖1-19所示。

▲圖1-19：最擬合訓(xùn)練數(shù)據(jù)的線性模型

現(xiàn)在終于可以運(yùn)行模型來進(jìn)行預(yù)測(cè)了。例如，你想知道塞浦路斯人有多幸福，但是經(jīng)合組織的數(shù)據(jù)沒有提供答案。幸好你有這個(gè)模型可以做出預(yù)測(cè)：先查查塞浦路斯的人均GDP是多少，發(fā)現(xiàn)是22 587美元，然后應(yīng)用到模型中，發(fā)現(xiàn)生活滿意度大約是4.85 + 22 587×4.91×10^(-5) = 5.96。

為了激發(fā)你的興趣，示例1-1是一段加載數(shù)據(jù)的Python代碼，包括準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，創(chuàng)建一個(gè)可視化的散點(diǎn)圖，然后訓(xùn)練線性模型并做出預(yù)測(cè)。

示例1-1：使用Scikit-Learn訓(xùn)練并運(yùn)行一個(gè)線性模型

import matplotlib.pyplot as plt 
import numpy as np 
import pandas as pd 
import sklearn.linear_model 
 
# Load the data 
oecd_bli = pd.read_csv("oecd_bli_2015.csv", thousands=',') 
gdp_per_capita = pd.read_csv("gdp_per_capita.csv",thousands=',',delimiter='\t', 
                          encoding='latin1', na_values="n/a") 
 
# Prepare the data 
country_stats = prepare_country_stats(oecd_bli, gdp_per_capita) 
X = np.c_[country_stats["GDP per capita"]] 
y = np.c_[country_stats["Life satisfaction"]] 
 
# Visualize the data 
country_stats.plot(kind='scatter', x="GDP per capita", y='Life satisfaction') 
plt.show() 
 
# Select a linear model 
model = sklearn.linear_model.LinearRegression() 
# Train the model 
model.fit(X, y) 
 
# Make a prediction for Cyprus 
X_new = [[22587]]  # Cyprus's GDP per capita 
print(model.predict(X_new)) # outputs [[ 5.96242338]] 

如果使用基于實(shí)例的學(xué)習(xí)算法，你會(huì)發(fā)現(xiàn)斯洛文尼亞的人均GDP最接近塞浦路斯(20 732美元)，而經(jīng)合組織的數(shù)據(jù)告訴我們，斯洛文尼亞人的生活滿意度是5.7，因此你很可能會(huì)預(yù)測(cè)塞浦路斯的生活滿意度為5.7。

如果稍微拉遠(yuǎn)一些，看看兩個(gè)與之最接近的國家——葡萄牙和西班牙的生活滿意度分別為5.1和6.5。取這三個(gè)數(shù)值的平均值，得到5.77，這也非常接近基于模型預(yù)測(cè)所得的值。這個(gè)簡(jiǎn)單的算法被稱為k-近鄰回歸(在本例中，k = 3)。

要將前面代碼中的線性回歸模型替換為k-近鄰回歸模型非常簡(jiǎn)單，只需要將下面這行代碼：

import sklearn.linear_model 
model = sklearn.linear_model.LinearRegression() 

替換為：

import sklearn.neighbors 
model = sklearn.neighbors.KNeighborsRegressor( 
    n_neighbors=3) 

如果一切順利，你的模型將會(huì)做出很棒的預(yù)測(cè)。如果不行，則需要使用更多的屬性(例如就業(yè)率、健康、空氣污染等)，獲得更多或更高質(zhì)量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，或者選擇一個(gè)更強(qiáng)大的模型(例如，多項(xiàng)式回歸模型)。

簡(jiǎn)而言之：

• 研究數(shù)據(jù)。
• 選擇模型。
• 使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練(即前面學(xué)習(xí)算法搜索模型參數(shù)值，從而使成本函數(shù)最小化的過程)。
• 最后，應(yīng)用模型對(duì)新示例進(jìn)行預(yù)測(cè)(稱為推斷)，希望模型的泛化結(jié)果不錯(cuò)。

以上就是一個(gè)典型的機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目。