小白理解的机器学习
机器学习给大多数人的感觉就是3个字：”高大上”。
我看到的大多数关于机器学习的博客，读起来要么是说了等于没说（太笼统），要么是逼格极高（太细节），始终没有找到高屋建瓴，直击本质的好文章（我个人特别喜欢追求问题本质，即渴望解决20%的核心问题 or 疑惑）。
不过在好奇心的驱动下，我还是找到了做机器学习的同事，以推荐系统为例把我的疑惑问了个遍，答案让我豁然开朗。
在同事推荐下，快速扫完了一本推荐的入门书籍，结合之前我自己对机器学习懵懵懂懂的认识，对机器学习有了更贴近本质的认识，也更容易给大家讲明白。
先搞明白机器学习在干嘛
实际工作中的用到的机器学习，大多都是在做“预测未知”。
我们世界杯赌球买彩票，顶多叫”猜测”，”瞎蒙”，而赌场的精算师则是在做”预测”。
为何精算师预测的准呢？他们会利用大量掌握的数据（控制比赛不算），“分析已知“。
算法
机器学习就是各式各样的算法，这些算法都在做同样的事情：”根据已知，预测未知”。
所以，无论你听到任何高大上的算法缩写（LC、SVC、NBC、KNC、DTC、RFC、LR、SVR、DTR、RFR…），把它们先当作黑盒即可，不会影响我们理解机器学习自身。
输入与输出
机器学习有各式各样开源的算法黑盒，现在问题就是给你这些黑盒，你也不知道怎么拿来”预测”，以及”预测什么”。
问题就是，我们首先要知道机器学习算法的input和output是什么，这样我们才知道怎么应用这些便捷的黑盒。
机器学习要分2个阶段使用，首先是训练阶段。
第1个阶段，机器学习的input是”已知”数据，我们称为”训练数据”：
- （小明，男，学生，每月支出500） -> 单身
- （小红，女，职员，每月支出5000） -> 单身
- （小李，男，职员，每月支出300） -> 已婚
- （小王，男，职员，每月支出4000）-> 单身
左侧称为”特征向量”，右侧称为”目标”。
该阶段的output叫做模型（model)，是算法基于各种复杂数学计算，得到的一个文件，它可以拿来做”预测”。
第2个阶段，我们继续用算法黑盒加载model，对外号称”算命师父”。
只要你告诉我下面3个信息：
- 是男 or 是女？
- 是学生 or 是职员？
- 每月支出？
算法黑盒就能”预测”你是单身狗还是已婚青年，但是一定要注意算法的预测结果并不是说1不2的，即结果是基于概率的判定：
你是”单身”的概率是80%，你是”已婚”的概率是40%，所以判定你是”单身”。
然后呢？
好的，对于小白来说，机器学习就是这样一个黑盒，大概5,6行代码就可以拿来预测了。
但是，即便懂了这么浅显的道理，我们依旧过不好这一生。
所以，下面我需要用稍微专业一些的知识结构和介绍，让大家建立更加具体的认识，并告诉大家推荐系统的实现机制是什么。
复杂算法简单讲
算法模型
大方向上，分为监督学习与非监督学习。
监督就是上面的例子，要提供标注好的训练数据 “特征(是男是女…)+目标（单身，已婚”），是我们工作中常用的一类。
非监督，只需要特征，不需要标注目标，也有自己的应用场景。
监督学习
主要分为2类算法，分类（Classifiers）与回归（Regression)。
分类
之前的例子属于分类算法，我们输入特征向量，模型预测每种分类的概率。
在机器学习中，”目标”和”特征”大多数情况是离散的值，比如：男、女，已婚、单身。
回归
回归呢，用来预测连续值，比如我们把之前例子中的”目标”换成”年收入”：
- （小李，男，职员，每月支出300） -> 10万
- （小王，男，职员，每月支出4000）-> 40万
那么，这时候就选择回归算法，它可以直接预测出某个人的年薪。
非监督学习
主要分2类算法，聚类与特征降维。
聚类
还是以之前的例子来说，我们把目标”已婚”、”单身”删除掉，仅保留”特征矩阵”，作为input直接丢给聚类算法训练，那么会得到什么呢？
会发现特征相似的人，会被算法聚簇到一起，最终会得到几个簇，每一簇内有一些人，它们是类似的人，这就是聚类算法的功能，很容易拿来分析人群的相似性，相同簇内的用户可能兴趣爱好相近，貌似可以拿来用到推荐场景~
特征降维
特征降维是什么意思呢？意思就是，假设我们的业务很复杂，描述一个用户的特征有很多很多，这就导致算法计算会比较慢，其实很多特征是用户区分度不大的，有点浪费。
降维就是用一个前置的黑盒算法，帮我们在训练数据里进行一波分析与运算，把一个列数很多的特征矩阵，转换为一个列数很少的特征矩阵。
特征降维算法的厉害之处在于，经过转换后并不会对后续的机器学习算法产生太多影响，”预测”依旧相当准确。
算法工程化
特征抽取
我常听见”特征工程”这个词，可能差不多吧。
业务数据一般都是原始日志或者业务表里的各种字段，我们需要转换成”特征矩阵”。
特征矩阵的每一列代表什么含义，都需要我们自己定义，因为它们与业务以及我们应用机器学习的目标直接相关。
因为机器学习算法是根据特征矩阵的各个列综合计算的，所以但凡我们觉得对预测有用的信息，都应该放到特征矩阵里。
但是大多数业务字段又不能直接放进特征矩阵，因为机器学习是数学运算，大多数机器学习算法需要的都是数字，而不是文本。
下面举3个例子，都是特征抽取的典型场景。
- 用户最近对某个品类的热爱程度，是需要你基于用户的访问历史进行挖掘计算的。
- 用户的收入有年薪10万的、500万的、1000万的，如果直接把收入数字当作特征的一列，对于统计数学角度来说，500万和1000万在数字上差别很大，但是在业务角度他俩都是土豪用户，因此应该做离散化（比如>100万的是土豪，<100万的是中产），或者归一化（对收入取对数，缩小到一个很小的数字区间）处理。
- 基于文本的机器学习，比如做垃圾邮件识别常用的贝叶斯机器学习算法，input就是一大堆标记过的邮件文本，该怎么转换成特征向量？一般就是每个邮件先做分词，得到所有词组后作为特征矩阵的维度，之后对每一封邮件计算特征向量，通常就是统计邮件中对应词组出现的次数作为列值，高级的还有用TF/IDF作为列值。
可见，根据业务需要，确定特征矩阵有哪些特征，以及每个特征的值怎么计算而来，是首先要做的事情。
特征筛选
当然，特征不是越多越好，因为特征越多计算量越大。
除了人工来精简特征外，机器学习也有黑盒算法，帮我们分析哪些特征区分效果好，哪些特征垃圾会干扰算法准确度。
最终，特征筛选黑盒会帮我们删掉很多无用的特征（我们天真的觉得有用，实际没用），保留重要的特征，让我们的特征工程更科学。
注意，这和特征降维是两码事，特征降维不仅仅是减少特征个数，而且是对特征做了组合计算，降维后的矩阵已经没有了原先的特征对应关系。
缺省值
若特征矩阵缺少某列，可以利用样本均值或者默认值的方式填坑，即缺省特征值。
欠拟合与过拟合
拟合是指基于训练集学习的模型，对训练集自身的预测准确率。
当我们选择一个复杂度一般的算法黑盒时，可能模型对训练集的准确度一般，称为欠拟合。
当我们换一个复杂度更高的算法黑盒时，会得到更准确的拟合，也就是基本可以正确预测训练集自身。但是注意，对训练集准确，不意味着对未知的输入预测准确，这种反例就叫做过拟合。
过拟合的模型，对未知数据的预测准确度低，也称为泛化能力差。
正则化
因为我们追求更好的拟合，但是又容易过拟合，所以需要平衡。
复杂模型能够支持”范数正则化”，可以理解成优化过的复杂算法黑盒，可以打压过拟合问题，既可以得到更好的预测准确率，又不会导致模型泛化差。
模型校验
为了验证模型的准确性，需要科学验证。
方法就是把标注过的训练数据，切一部分出来作为训练集，剩余的作为验证集。
算法基于训练集计算模型，然后将验证集的特征作为模型输入预测结果，与验证集的目标比对。
标注过的数据可以按多种方式切分成2份，每种切分方式都可以执行一轮训练与验证，这个称为交叉验证，可以更客观的评估模型效果。
验证函数会输出算法的得分，召回率，准确率等统计信息，具体怎么算的就不说了，总之就是说明这个算法预测到底有多准，也间接反馈了你的特征准备的到底好不好。
超参数搜索
OK，如果我们决定了特征，决定了算法，并且模型验证准确率还行。
那么接下来，我们就得来一波调参了，碰碰运气能不能提升模型的预测准确率。
算法一般都可以调好几个参数，那么多参数值互相组合，我们手动去试就太困难了。
好在黑盒会提供给我们自动化的调参能力，我们只需要给出标注好的数据、算法、每一种参数的枚举值，那么黑盒就会帮我们组合各种参数的枚举值，完成多次的模型训练和验证，最后告诉我们哪一种参数组合是最有效的。
这里面常见的是网格搜索，也就是黑盒帮我们枚举各种参数组合，真正的去跑，去验证。
最近都在谈这些
XGboost集成学习模型
2015年某大神发明，对我们而言仍旧是一个黑盒，但是内部实现是创新过的，是一个预测准确率很高的模型。
Tensorflow框架
2015年谷歌发明，是一个给机器学习做的分布式计算框架。
里面提供了很多机器学习的算法黑盒，开发者像写单机机器学习一样开发代码，但是计算被调度在tensorflow集群里进行，有点类似于spark的开发感觉。
python最著名的单机机器学习黑盒scikit-learn库在tensorflow上也有对应实现，开发起来没有太大区别，但是计算已经分布式完成。
tensorflow最著名的是深度学习等高级算法，本质做的事情还是训练模型。
推荐算法
推荐算法这里特指”千人千面”，类似于淘宝首页给用户推荐商品，今日头条给用户推荐文章，不是指猜你喜欢等基于协同过滤的场景。
下面记录一下基本实现思路。
用户画像
我们经常听到用户画像，基本上就是给每个用户打标签：
男，帅，有钱，爱体育，爱音乐。
用户对各个品类的爱好作为多个特征存在，随着用户使用网站逐渐积累行为日志，通过离线计算挖掘出用户对不同品类的喜好程度，作为特征值存储到用户画像里。
推荐算法选取哪些画像属性作为特征参与到推荐模型的训练中，还需要我们根据具体业务需求决定。
商品画像
商品也需要画像，一般就是商品的一些自身属性居多。
比如：耐克品牌、体育分类、价格中等，点赞100次，评论50次。
其实商品的特征就可以定为：品牌，分类，价格，点赞次数，评论次数。
对于点赞次数和评论次数等，因为不同文章差距比较大，不同特征之间的量级不同，应该做归一化处理（比如取对数）。
总之，特征工程在预处理特征时有很多技巧，包括归一化、离散化、缺省值（比如没有点赞过就记为0），对于预测效果和模型训练速度都有影响。
怎么推荐
假设A用户访问网站，我们先获取A的画像，组成用户特征矩阵（性别、长相、收入、爱好体育、爱好音乐…）。
为了推荐商品，我们最简单粗暴的就是遍历所有商品（或者近期商品），计算一下用户与每一个商品之间的关联程度。
但是怎么算呢？用户特征矩阵和商品特征都不同，直接计算余弦距离等方法是无法使用的。
训练推荐模型
按照机器学习的套路，我们需要先训练模型，才能完成预测。
假设A用户曾经访问过B商品，我们可以取A的特征矩阵与B的特征矩阵，首尾拼接得到特征矩阵C。
我们将（C，感兴趣）加入到待训练数据集合中。
当我们收集了大量训练数据后，直接丢给算法黑盒算模型，作为线上推荐算法的依据。
完成推荐
现在有了模型，该怎么使用呢？
我们拿着用户A的特征矩阵，遍历每个商品，将商品的特征矩阵拼接到A之后得到特征矩阵D。
将D作为模型的输入，就可以预测出A用户对该商品的感兴趣概率。
我们计算完所有商品的感兴趣概率后，就可以返回概率最高的TOP N个商品。
实际工程中，需要考虑先在海量候选池里按照业务规则召回1000或者10000级别的商品，即先缩小计算规模，然后再做模型预测，大概思路就是这样的。
如何实现类似今日头条的推荐去重，其原理又是什么？麻烦懂的同学留言指点，多谢。