机器学习知识与心得

机器学习实践

机器学习基础理论和概念

机器学习基本方法

1.线性回归（回归算法）

训练集（Training Set）

测试集（Test Set）

交叉验证

正则化

特点

2.logistic回归（分类算法）

特点

3.决策树

ID3与C4.5算法

梯度提升

GBDT模型与xgboost

决策树总结

4.朴素贝叶斯算法（文本分类模型）

贝叶斯公式

语言模型

马尔科夫假设

特点

机器学习实践

机器学习基础理论和概念

机器学习主要是研究如何使计算机从给定数据中学习规律，并利用学习到的规律(模型)来对未知或无法观测的数据进行预测。

机器学习基本方法

1.线性回归（回归算法）

线性回归（Linear Regression）是一种统计学上分析变量之间关系的预测模型，它试图建立一个因变量（目标变量）与一个或多个自变量（特征变量）之间的线性关系。这种关系的形式是通过拟合一个最佳直线（在只有一个自变量时）或超平面（在有多个自变量时）来建立的，使得预测值与实际观测值之间的残差平方和最小。

线性回归模型的基本形式为：
(Y = \beta_0 + \beta_1X_1 + \beta_2X_2 + \ldots + \beta_pX_p + \epsilon)
其中：

(Y) 是因变量（响应变量）。
(X_1, X_2, \ldots, X_p) 是自变量（预测变量或特征）。
(\beta_0, \beta_1, \ldots, \beta_p) 是回归系数，其中 (\beta_0) 是截距，(\beta_1, \ldots, \beta_p) 是斜率。
(\epsilon) 是误差项，表示模型未能解释的变异。

线性回归的主要目的是估计回归系数 (\beta_0, \beta_1, \ldots, \beta_p)，这通常通过最小二乘法来实现，即最小化残差平方和。一旦得到了这些系数的估计值，模型就可以用来预测新的观测值的因变量值。

线性回归在数据分析、机器学习、经济学、社会科学和自然科学等领域都有广泛的应用。它可以帮助人们理解变量之间的关系，进行预测和推断，并作出基于数据的决策。然而，值得注意的是，线性回归模型假设因变量和自变量之间存在线性关系，并且误差项满足一定的条件（如正态性、独立性和同方差性）。在实际应用中，需要检验这些假设是否成立，并根据具体情况对模型进行调整或选择其他更合适的模型。

在机器学习，特别是线性回归中，我们通常将数据集分为训练集（Training Set）和测试集（Test Set）以评估模型的性能。这种划分有助于我们了解模型在未见过的数据上的表现。

训练集（Training Set）

训练集用于训练模型，即确定线性回归模型的参数（斜率和截距）。在训练过程中，模型会尝试找到最佳拟合训练数据的参数，以最小化预测误差。

测试集（Test Set）

测试集用于评估训练好的模型的性能。它包含模型在训练过程中未见过的数据。通过将模型应用于测试集，我们可以得到模型在未知数据上的预测结果，并与实际结果进行比较，从而计算模型的性能指标（如均方误差MSE、R平方值等）。

为什么要划分训练集和测试集？

防止过拟合：如果只使用整个数据集进行训练和评估，模型可能会过度拟合训练数据，导致在未见过的数据上表现不佳。通过划分训练集和测试集，我们可以确保模型在未见过的数据上进行评估，从而更准确地评估其性能。
模型选择：在多个候选模型中选择最佳模型时，我们可以使用训练集进行训练，并使用测试集的性能指标进行比较。这样可以确保我们选择的模型不仅在训练数据上表现良好，而且在未见过的数据上也具有良好的泛化能力。

如何划分？

通常，训练集和测试集的划分比例可以是70%-30%、80%-20%等，具体取决于数据集的大小和问题的复杂性。在某些情况下，还可以使用交叉验证（Cross-Validation）等技术来进一步评估模型的性能。

总之，通过合理划分训练集和测试集，我们可以更好地训练和评估线性回归模型，从而得到更准确、更可靠的预测结果。

交叉验证

交叉验证（Cross-Validation，简称CV）是一种统计学方法，主要用于评估机器学习模型的性能。它的主要目的是确保模型在新的、未见过的数据上也能表现得很好，从而避免过拟合。

在交叉验证中，数据通常被分为训练集和测试集（有时还包括验证集）。模型在训练集上进行训练，并在测试集上进行评估。通过多次评估模型的性能，交叉验证提供了对模型在未见过的数据上表现的更稳健的估计。

交叉验证有多种形式，其中较为常见的是k折交叉验证（如10折交叉验证）。在k折交叉验证中，数据集被分为k个子集。然后，轮流将k-1个子集用作训练数据，剩下的一个子集用作测试数据。这个过程重复k次，每次使用不同的子集作为测试数据。最后，对k次的结果进行平均，以得到一个对模型性能的总体估计。

通过交叉验证，我们可以得到可靠稳定的模型，特别是在数据量有限或模型选择和调整的情况下。这种方法在建模应用中，如PCR、PLS回归建模中，被广泛使用。

需要注意的是，虽然交叉验证是一种强大的工具，但它也有其局限性。例如，它可能会增加计算成本，特别是当数据集很大或模型很复杂时。因此，在实际应用中，需要根据具体情况权衡其利弊。

Precision与Accuracy（准确度）是不同的概念。Accuracy是描述每一次独立的测量之间，其平均值与已知的数据真值之间的差距，而Precision则更侧重于实验数据的一致性或再现性2。

正则化

特点

线性回归本身并不能直接用于解决分类问题。线性回归是一种基本的回归分析方法，主要用于探索自变量与因变量之间的线性关系，并预测连续型的因变量。其原理是通过拟合一条（或多条）直线（或平面）来最小化预测值和观测值之间的差异，从而得到最佳的截距和系数。

然而，通过对线性回归做出简单的变换，如逻辑斯蒂回归（logistic regression），可以用于解决二分类问题。逻辑斯蒂回归是在线性回归的基础上，通过应用一个逻辑函数（通常是sigmoid函数）将线性预测值转换为概率值，从而实现对分类问题的建模。对于多分类问题，可以通过将多分类问题分解成多个二分类问题来解决，进而应用逻辑斯蒂回归或其他多分类算法。

因此，虽然线性回归本身不直接适用于分类问题，但通过一些变换和扩展，可以间接地用于分类任务。但需要注意的是，选择适合问题特性的模型和算法至关重要，线性回归及其变换形式可能并不适用于所有类型的分类问题。在实际应用中，应根据问题的具体需求和数据的特性来选择合适的模型和方法。

2.logistic回归（分类算法）

Logistic回归，又称为逻辑斯蒂回归分析，是一种广义的线性回归分析模型。它常用于数据挖掘、疾病自动诊断、经济预测等领域。Logistic回归根据给定的自变量数据集来估计事件的发生概率，由于结果是一个概率，因此因变量的范围在0和1之间。

在实际应用中，Logistic回归经常用于研究某些因素条件下某个结果是否发生。比如，在医学领域，可以根据病人的症状来判断其是否患有某种疾病。

Logistic回归可以分为二分类和多分类，其中二分类的Logistic回归更为常用且易于解释。对于多分类问题，可以使用softmax方法进行处理。

特点