不是碼農(nóng)，也能看懂的AI機(jī)器算法學(xué)習(xí)原理

什么是機(jī)器學(xué)習(xí)？

我們先來(lái)說(shuō)個(gè)老生常談的情景：

某天你去買(mǎi)芒果，小販有滿滿一車(chē)芒果，你一個(gè)個(gè)選好，拿給小販稱(chēng)重，然后論斤付錢(qián)。

自然，你的目標(biāo)是那些最甜最成熟的芒果，那怎么選呢？你想起來(lái)，外婆說(shuō)過(guò)，明黃色的比淡黃色的甜。你就設(shè)了條標(biāo)準(zhǔn)：只選明黃色的芒果。于是按顏色挑好、付錢(qián)、回家。啊哈，人生完整了？

呵呵呵。告訴你吧人生就是各種麻煩

等你回到家，嘗了下芒果。有些確實(shí)挺甜，有些就不行了。額～顯然，外婆教的金科玉律還不夠用，光看顏色不靠譜哪。

閉關(guān)研究大半天以后，你得出結(jié)論：大個(gè)的明黃色芒果必然甜，小個(gè)的，就只有一半幾率會(huì)是甜的了。

于是下次，你滿意地帶著這個(gè)結(jié)論再去買(mǎi)芒果，卻發(fā)現(xiàn)你經(jīng)常光顧的那個(gè)小販關(guān)門(mén)度假去了。好吧，換家店，結(jié)果人家的進(jìn)貨渠道還不一樣，你這套法則不管用了，又得從頭再來(lái)。好吧，這家店里每種芒果你都嘗了下，總結(jié)出來(lái)小個(gè)淡黃色的最甜。

還沒(méi)結(jié)束。你遠(yuǎn)房表妹又來(lái)找你玩了。但她說(shuō)了，無(wú)所謂芒果甜不甜，汁水多就行。好唄，你還得再做一次實(shí)驗(yàn)，找到芒果越軟汁水越多的規(guī)律。

接著你又移民了。一嘗這邊的芒果，咦，新世界的大門(mén)打開(kāi)了。綠色的芒果居然比黃色的好吃……

有請(qǐng)碼農(nóng)

好了，現(xiàn)在想象下，這一路辛酸曲折的，你寫(xiě)了組程序幫忙減輕負(fù)擔(dān)。那程序邏輯基本應(yīng)該類(lèi)似這樣：

預(yù)設(shè)變量 顏色、大小、店家、硬度

如 顏色=明黃

大小=大

店家=經(jīng)常光顧的小販

則 芒果=甜

如 硬度=軟

則 芒果=多汁

用著很爽吧，你甚至可以把這套玩意兒發(fā)給你小弟，他挑來(lái)的芒果也包你滿意。

但每做一次新實(shí)驗(yàn)，你就得人肉改一次程序邏輯。而且你得首先保證自己已經(jīng)理解了選芒果那套錯(cuò)綜復(fù)雜的藝術(shù)，才能把它寫(xiě)進(jìn)程序里。

如果要求太復(fù)雜、芒果種類(lèi)太多，那光把所有挑選規(guī)則翻譯成程序邏輯就夠你出一身大汗，相當(dāng)于讀個(gè)“芒果學(xué)”博士了。

不是所有人都有“讀博”的功夫的。

有請(qǐng)“機(jī)器學(xué)習(xí)”算法

機(jī)器學(xué)習(xí)算法其實(shí)就是普通算法的進(jìn)化版。通過(guò)自動(dòng)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)規(guī)律，讓你的程序變得更聰明些。

你從市場(chǎng)上隨機(jī)買(mǎi)一批芒果（訓(xùn)練數(shù)據(jù)），把每只芒果的物理屬性列一個(gè)表格出來(lái)，比如顏色、大小、形狀、產(chǎn)地、店家，等等（特征），對(duì)應(yīng)芒果的甜度、汁水多少、成熟度，等等（輸出變量）。然后把這些數(shù)據(jù)扔給機(jī)器學(xué)習(xí)算法（分類(lèi)/回歸），它就會(huì)自己計(jì)算出一個(gè)芒果物理屬性與其品質(zhì)之間的相關(guān)性模型。

等下一次你去采購(gòu)時(shí)，輸入店里在賣(mài)的芒果的物理屬性（測(cè)試數(shù)據(jù)），機(jī)器學(xué)習(xí)算法就會(huì)根據(jù)上次計(jì)算出來(lái)的模型來(lái)預(yù)測(cè)這些芒果品質(zhì)如何。機(jī)器用的算法可能跟你人肉寫(xiě)的邏輯規(guī)則類(lèi)似（比如決策樹(shù)），也有可能更先進(jìn)，但反正基本上你不用多慮。

好啦，現(xiàn)在你可以信心滿滿去買(mǎi)芒果了，顏色大小啥的都是浮云，交給機(jī)器去操心唄。更妙的是，你的算法還會(huì)逐漸進(jìn)化（強(qiáng)化學(xué)習(xí)）：根據(jù)其預(yù)測(cè)結(jié)果的正誤，算法會(huì)自行修正模型，那么隨著訓(xùn)練數(shù)據(jù)的積累，到后來(lái)它的預(yù)測(cè)就會(huì)越來(lái)越準(zhǔn)確。

最妙的來(lái)了，用同一個(gè)算法，你可以做好幾個(gè)模型，蘋(píng)果桔子香蕉葡萄各給爺來(lái)上一套。

用一句話總結(jié)機(jī)器學(xué)習(xí)就是：走自己的屌絲路，讓你的算法牛逼去吧。

機(jī)器學(xué)習(xí)常見(jiàn)算法分類(lèi)匯總

一、學(xué)習(xí)方式

根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型的不同，對(duì)一個(gè)問(wèn)題的建模有不同的方式。

在機(jī)器學(xué)習(xí)或者人工智能領(lǐng)域，人們首先會(huì)考慮算法的學(xué)習(xí)方式。

在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，有幾種主要的學(xué)習(xí)方式。將算法按照學(xué)習(xí)方式分類(lèi)是一個(gè)不錯(cuò)的想法，這樣可以讓人們?cè)诮：退惴ㄟx擇的時(shí)候考慮能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)來(lái)選擇最合適的算法來(lái)獲得最好的結(jié)果。

監(jiān)督式學(xué)習(xí)：

在監(jiān)督式學(xué)習(xí)下，輸入數(shù)據(jù)被稱(chēng)為“訓(xùn)練數(shù)據(jù)”，每組訓(xùn)練數(shù)據(jù)有一個(gè)明確的標(biāo)識(shí)或結(jié)果，如對(duì)防垃圾郵件系統(tǒng)中“垃圾郵件”“非垃圾郵件”，對(duì)手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別中的“1“，”2“，”3“，”4“等。在建立預(yù)測(cè)模型的時(shí)候，監(jiān)督式學(xué)習(xí)建立一個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程，將預(yù)測(cè)結(jié)果與“訓(xùn)練數(shù)據(jù)”的實(shí)際結(jié)果進(jìn)行比較，不斷的調(diào)整預(yù)測(cè)模型，直到模型的預(yù)測(cè)結(jié)果達(dá)到一個(gè)預(yù)期的準(zhǔn)確率。監(jiān)督式學(xué)習(xí)的常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)景如分類(lèi)問(wèn)題和回歸問(wèn)題。常見(jiàn)算法有邏輯回歸（Logistic Regression）和反向傳遞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back PropagaTIon Neural Network）

非監(jiān)督式學(xué)習(xí)：

在非監(jiān)督式學(xué)習(xí)中，數(shù)據(jù)并不被特別標(biāo)識(shí)，學(xué)習(xí)模型是為了推斷出數(shù)據(jù)的一些內(nèi)在結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景包括關(guān)聯(lián)規(guī)則的學(xué)習(xí)以及聚類(lèi)等。常見(jiàn)算法包括Apriori算法以及k-Means算法。

半監(jiān)督式學(xué)習(xí)：

在此學(xué)習(xí)方式下，輸入數(shù)據(jù)部分被標(biāo)識(shí)，部分沒(méi)有被標(biāo)識(shí)，這種學(xué)習(xí)模型可以用來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)，但是模型首先需要學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)以便合理的組織數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。應(yīng)用場(chǎng)景包括分類(lèi)和回歸，算法包括一些對(duì)常用監(jiān)督式學(xué)習(xí)算法的延伸，這些算法首先試圖對(duì)未標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，在此基礎(chǔ)上再對(duì)標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。如圖論推理算法（Graph Inference）或者拉普拉斯支持向量機(jī)（Laplacian SVM.）等。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)：

在這種學(xué)習(xí)模式下，輸入數(shù)據(jù)作為對(duì)模型的反饋，不像監(jiān)督模型那樣，輸入數(shù)據(jù)僅僅是作為一個(gè)檢查模型對(duì)錯(cuò)的方式，在強(qiáng)化學(xué)習(xí)下，輸入數(shù)據(jù)直接反饋到模型，模型必須對(duì)此立刻作出調(diào)整。常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景包括動(dòng)態(tài)系統(tǒng)以及機(jī)器人控制等。常見(jiàn)算法包括Q-Learning以及時(shí)間差學(xué)習(xí)（Temporal difference learning）

在企業(yè)數(shù)據(jù)應(yīng)用的場(chǎng)景下， 人們最常用的可能就是監(jiān)督式學(xué)習(xí)和非監(jiān)督式學(xué)習(xí)的模型。

在圖像識(shí)別等領(lǐng)域，由于存在大量的非標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)和少量的可標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)， 目前半監(jiān)督式學(xué)習(xí)是一個(gè)很熱的話題。

而強(qiáng)化學(xué)習(xí)更多的應(yīng)用在機(jī)器人控制及其他需要進(jìn)行系統(tǒng)控制的領(lǐng)域。

二、算法類(lèi)似性

根據(jù)算法的功能和形式的類(lèi)似性，我們可以把算法分類(lèi)，比如說(shuō)基于樹(shù)的算法，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法等等。當(dāng)然，機(jī)器學(xué)習(xí)的范圍非常龐大，有些算法很難明確歸類(lèi)到某一類(lèi)。而對(duì)于有些分類(lèi)來(lái)說(shuō)，同一分類(lèi)的算法可以針對(duì)不同類(lèi)型的問(wèn)題。這里，我們盡量把常用的算法按照最容易理解的方式進(jìn)行分類(lèi)。

回歸算法：

回歸算法是試圖采用對(duì)誤差的衡量來(lái)探索變量之間的關(guān)系的一類(lèi)算法?；貧w算法是統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)的利器。在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，人們說(shuō)起回歸，有時(shí)候是指一類(lèi)問(wèn)題，有時(shí)候是指一類(lèi)算法，這一點(diǎn)常常會(huì)使初學(xué)者有所困惑。常見(jiàn)的回歸算法包括：最小二乘法（Ordinary Least Square），邏輯回歸（LogisTIc Regression），逐步式回歸（Stepwise Regression），多元自適應(yīng)回歸樣條（MulTIvariate AdapTIve Regression Splines）以及本地散點(diǎn)平滑估計(jì)（Locally Estimated Scatterplot Smoothing）

基于實(shí)例的算法

基于實(shí)例的算法常常用來(lái)對(duì)決策問(wèn)題建立模型，這樣的模型常常先選取一批樣本數(shù)據(jù)，然后根據(jù)某些近似性把新數(shù)據(jù)與樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。通過(guò)這種方式來(lái)尋找最佳的匹配。因此，基于實(shí)例的算法常常也被稱(chēng)為“贏家通吃”學(xué)習(xí)或者“基于記憶的學(xué)習(xí)”。常見(jiàn)的算法包括 k-Nearest Neighbor（KNN）， 學(xué)習(xí)矢量量化（Learning Vector Quantization， LVQ），以及自組織映射算法（Self-Organizing Map ， SOM）

正則化方法

正則化方法是其他算法（通常是回歸算法）的延伸，根據(jù)算法的復(fù)雜度對(duì)算法進(jìn)行調(diào)整。正則化方法通常對(duì)簡(jiǎn)單模型予以獎(jiǎng)勵(lì)而對(duì)復(fù)雜算法予以懲罰。常見(jiàn)的算法包括：Ridge Regression， Least Absolute Shrinkage and Selection Operator（LASSO），以及彈性網(wǎng)絡(luò)（Elastic Net）。

決策樹(shù)學(xué)習(xí)

決策樹(shù)算法根據(jù)數(shù)據(jù)的屬性采用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)建立決策模型， 決策樹(shù)模型常常用來(lái)解決分類(lèi)和回歸問(wèn)題。常見(jiàn)的算法包括：分類(lèi)及回歸樹(shù)（Classification And Regression Tree， CART）， ID3 （Iterative Dichotomiser 3）， C4.5， Chi-squared Automatic Interaction Detection（CHAID）， Decision Stump， 隨機(jī)森林（Random Forest）， 多元自適應(yīng)回歸樣條（MARS）以及梯度推進(jìn)機(jī)（Gradient Boosting Machine， GBM）

貝葉斯方法

貝葉斯方法算法是基于貝葉斯定理的一類(lèi)算法，主要用來(lái)解決分類(lèi)和回歸問(wèn)題。常見(jiàn)算法包括：樸素貝葉斯算法，平均單依賴估計(jì)（Averaged One-Dependence Estimators， AODE），以及Bayesian Belief Network（BBN）。

基于核的算法

基于核的算法中最著名的莫過(guò)于支持向量機(jī)（SVM）了。 基于核的算法把輸入數(shù)據(jù)映射到一個(gè)高階的向量空間， 在這些高階向量空間里， 有些分類(lèi)或者回歸問(wèn)題能夠更容易的解決。 常見(jiàn)的基于核的算法包括：支持向量機(jī)（Support Vector Machine， SVM）， 徑向基函數(shù)（Radial Basis Function ，RBF）， 以及線性判別分析（Linear Discriminate Analysis ，LDA）等

聚類(lèi)算法

聚類(lèi)，就像回歸一樣，有時(shí)候人們描述的是一類(lèi)問(wèn)題，有時(shí)候描述的是一類(lèi)算法。聚類(lèi)算法通常按照中心點(diǎn)或者分層的方式對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行歸并。所以的聚類(lèi)算法都試圖找到數(shù)據(jù)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，以便按照最大的共同點(diǎn)將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類(lèi)。常見(jiàn)的聚類(lèi)算法包括 k-Means算法以及期望最大化算法（Expectation Maximization， EM）。

關(guān)聯(lián)規(guī)則學(xué)習(xí)

關(guān)聯(lián)規(guī)則學(xué)習(xí)通過(guò)尋找最能夠解釋數(shù)據(jù)變量之間關(guān)系的規(guī)則，來(lái)找出大量多元數(shù)據(jù)集中有用的關(guān)聯(lián)規(guī)則。常見(jiàn)算法包括 Apriori算法和Eclat算法等。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是一類(lèi)模式匹配算法。通常用于解決分類(lèi)和回歸問(wèn)題。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)龐大的分支，有幾百種不同的算法。（其中深度學(xué)習(xí)就是其中的一類(lèi)算法，我們會(huì)單獨(dú)討論），重要的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法包括：感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Perceptron Neural Network）， 反向傳遞（Back Propagation）， Hopfield網(wǎng)絡(luò)，自組織映射（Self-Organizing Map， SOM）。學(xué)習(xí)矢量量化（Learning Vector Quantization， LVQ）

深度學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)算法是對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。 在近期贏得了很多關(guān)注， 特別是百度也開(kāi)始發(fā)力深度學(xué)習(xí)后， 更是在國(guó)內(nèi)引起了很多關(guān)注。 在計(jì)算能力變得日益廉價(jià)的今天，深度學(xué)習(xí)試圖建立大得多也復(fù)雜得多的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。很多深度學(xué)習(xí)的算法是半監(jiān)督式學(xué)習(xí)算法，用來(lái)處理存在少量未標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)集。常見(jiàn)的深度學(xué)習(xí)算法包括：受限波爾茲曼機(jī)（Restricted Boltzmann Machine， RBN）， Deep Belief Networks（DBN），卷積網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Network）， 堆棧式自動(dòng)編碼器（Stacked Auto-encoders）。

降低維度算法

像聚類(lèi)算法一樣，降低維度算法試圖分析數(shù)據(jù)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，不過(guò)降低維度算法是以非監(jiān)督學(xué)習(xí)的方式試圖利用較少的信息來(lái)歸納或者解釋數(shù)據(jù)。這類(lèi)算法可以用于高維數(shù)據(jù)的可視化或者用來(lái)簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)以便監(jiān)督式學(xué)習(xí)使用。常見(jiàn)的算法包括：主成份分析（Principle Component Analysis， PCA），偏最小二乘回歸（Partial Least Square Regression，PLS）， Sammon映射，多維尺度（Multi-Dimensional Scaling， MDS）， 投影追蹤（Projection Pursuit）等。

集成算法：

集成算法用一些相對(duì)較弱的學(xué)習(xí)模型獨(dú)立地就同樣的樣本進(jìn)行訓(xùn)練，然后把結(jié)果整合起來(lái)進(jìn)行整體預(yù)測(cè)。集成算法的主要難點(diǎn)在于究竟集成哪些獨(dú)立的較弱的學(xué)習(xí)模型以及如何把學(xué)習(xí)結(jié)果整合起來(lái)。這是一類(lèi)非常強(qiáng)大的算法，同時(shí)也非常流行。常見(jiàn)的算法包括：Boosting， Bootstrapped Aggregation（Bagging）， AdaBoost，堆疊泛化（Stacked Generalization， Blending），梯度推進(jìn)機(jī)（Gradient Boosting Machine， GBM），隨機(jī)森林（Random Forest）。