机器学习笔记——监督学习，无监督学习，半监督学习

这个问题可以回答得很简单：是否有监督（supervised），就看输入数据是否有标签（label）。输入数据有标签，则为有监督学习，没标签则为无监督学习。

什么是学习（learning）？

学习：一个成语就可概括：举一反三。此处以高考为例，高考的题目在上考场前我们未必做过，但在高中三年我们做过很多很多题目，懂解题方法，因此考场上面对陌生问题也可以算出答案。机器学习的思路也类似：我们能不能利用一些训练数据（已经做过的题），使机器能够利用它们（解题方法）分析未知数据（高考的题目）？

 

什么是监督学习?

监督学习（supervised learning）：通过已有的训练样本（即已知数据以及其对应的输出）来训练，从而得到一个最优模型，再利用这个模型将所有新的数据样本映射为相应的输出结果，对输出结果进行简单的判断从而实现分类的目的，那么这个最优模型也就具有了对未知数据进行分类的能力。

监督学习中只要输入样本集,机器就可以从中推演出制定目标变量的可能结果.如协同过滤推荐算法,通过对训练集进行监督学习,并对测试集进行预测,从而达到预测的目的。监督学习里典型的例子就是KNN、SVM，决策树、神经网络以及疾病监测。

目前分类算法的效果还是不错的，但相对来讲，聚类算法就有些惨不忍睹了。确实，无监督学习本身的特点使其难以得到如分类一样近乎完美的结果。这也正如我们在高中做题，答案（标签）是非常重要的，假设两个完全相同的人进入高中，一个正常学习，另一人做的所有题目都没有答案，那么想必第一个人高考会发挥更好，第二个人会发疯。

 

什么是无监督学习?

无监督学习（unsupervised learning）：我们事先没有任何训练数据样本，需要直接对数据进行建模。比如我们去参观一个画展，我们对艺术一无所知，但是欣赏完很多幅作品之后，我们面对一幅新的作品之后，至少可以知道这幅作品是什么派别的吧，比如更抽象一些还是更写实一点，虽然不能很清楚的了解这幅画的含义，但是至少我们可以把它分为哪一类。

再给大家举一个无监督学习的例子。远古时期，我们的祖先打猎吃肉，他们本身之前是没有经验而言的，当有人用很粗的石头去割动物的皮的时候，发现很难把皮隔开，但是又有人用很薄的石头去割，发现比别人更加容易的隔开动物的毛皮，于是，第二天、第三天、……，他们就知道了需要寻找比较薄的石头片来割。这些就是无监督学习的思想，外界没有经验和训练数据样本提供给它们，完全靠自己摸索。

无监督学习里典型的例子就是聚类了。聚类的目的在于把相似的东西聚在一起，而我们并不关心这一类是什么。因此，一个聚类算法通常只需要知道如何计算相似度就可以开始工作了。

 

什么是半监督学习？

半监督学习（unsupervised learning）：

这时有人可能会想，难道有监督学习和无监督学习就是非黑即白的关系吗？有没有灰呢？Good idea。灰是存在的。二者的中间带就是半监督学习（semi-supervised learning）。对于半监督学习，其训练数据的一部分是有标签的，另一部分没有标签，而没标签数据的数量常常极大于有标签数据数量（这也是符合现实情况的）。隐藏在半监督学习下的基本规律在于：数据的分布必然不是完全随机的，通过一些有标签数据的局部特征，以及更多没标签数据的整体分布，就可以得到可以接受甚至是非常好的分类结果。（此处大量忽略细节）

总结

因此，learning家族的整体构造是这样的：

有监督学习（分类，回归）

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半监督学习（分类，回归），transductive learning（分类，回归）

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半监督聚类（有标签数据的标签不是确定的，类似于：肯定不是xxx，很可能是yyy）

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无监督学习（聚类）

 

那么，什么时候应该采用监督学习，什么时候应该采用非监督学习呢？一种非常简单的回答就是从定义入手，如果我们在分类的过程中有训练样本(training data)，则可以考虑用监督学习的方法；如果没有训练样本，则不可能用监督学习的方法。但是事实上，我们在针对一个现实问题进行解答的过程中，即使我们没有现成的训练样本，我们也能够凭借自己的双眼，从待分类的数据中人工标注一些样本，并把他们作为训练样本，这样的话就可以把条件改善，用监督学习的方法来做。