算法工程师面试准备——数学

泰勒公式

牛顿法

牛顿迭代法公式

在实数域和复数域上近似求解方程的方法
该方法使用函数f(x)的泰勒级数的前面几项来寻找方程f(x)=0的根

收敛性

牛顿迭代法具有较高的收敛速度，它的收敛阶数p=2,因为是平方收敛所以速度很快
牛顿迭代法的局部收敛性较强，只有初值充分地接近ξ，才能确保迭代序列的收敛性

改进

用牛顿法解方程，虽然在单根附近具有较快的收敛速度，但它有个明显的缺点，就是每次都要计算导数，当导数比较复杂时，计算可能很困难

• 从计算导数困难方面，改进的算法有：简化牛顿法
  为了避免频繁地计算导数值，可将它取为固定值，即在迭代过程中始终保持分母不变，则有简化牛顿迭代公式
  
• 从初值选择方面，改进的算法有：牛顿下山法
  由牛顿法的收敛性定理知，牛顿法对初始值的选取要求是很高的。一般地说，牛顿法只有局部收敛性。当初始值取得离根太远时，迭代将不收敛，而一旦初始值进入收敛域内，牛顿法就有平方收敛的速度，为了扬长避短，扩大初始值选取的范围。这就是牛顿下山法的思想。

牛顿法与梯度下降法的区别

1. 牛顿法优点：最优化问题中，牛顿法比梯度下降法求解需要的迭代次数更少
   原因：牛顿法是二阶收敛，梯度下降是一阶收敛，所以牛顿法就更快。从几何上说，牛顿法就是用一个二次曲面去拟合你当前所处位置的局部曲面，而梯度下降法是用一个平面去拟合当前的局部曲面，通常情况下，二次曲面的拟合会比平面更好，所以牛顿法选择的下降路径会更符合真实的最优下降路径。
2. 牛顿法缺点：
   （1） 对目标函数有严格的要求，必须有连续的一、二阶偏导数，海森矩阵必须是正定的。
   （2） 计算量大，除计算梯度外，还需要计算二阶偏导矩阵及其逆矩阵

为啥牛顿法是二阶的

牛顿迭代法的基本公式Xn+1=Xn－f(X)/f’(X) ，这是迭代公式是为了求f(x)=0的时候，x的值。但是在最优化问题中迭代收敛时候，我们不用这个公式。
最优化问题时，一般是为了求minf(x)，即f’(X)＝0,极值点X，也就是实际迭代我们用的是这个公式:Xn＋1＝Xn－f’(X)/f’’(X)。这样就对二阶收敛比较直观啦

海森矩阵如何应用的

对于高维函数，用牛顿法求极值也是（2）式这个形式，只不过这里的f’(x)和f’’(x)都变成了向量和矩阵

矩阵分解

矩阵分解的作用

• 矩阵填充(通过矩阵分解来填充原有矩阵，例如协同过滤的ALS算法就是填充原有矩阵)
• 清理异常值与离群点
• 降维、压缩
• 个性化推荐
• 间接的特征组合(计算特征间相似度)

矩阵分解的方法

• 特征值分解。
• PCA(Principal Component Analysis)分解，作用：降维、压缩。
• SVD(Singular Value Decomposition)分解，也叫奇异值分解。
• LSI(Latent Semantic Indexing)或者叫LSA(Latent Semantic Analysis)，隐语义分析分解。
• PLSA(Probabilistic Latent Semantic Analysis)，概率潜在语义分析。PLSA和LDA都是主题模型，PLSA是判别式模型。
• NMF(Non-negative Matrix Factorization)，非负矩阵分解。非负矩阵分解能够广泛应用于图像分析、文本挖掘和语言处理等领域。
• LDA(Latent Dirichlet Allocation)模型，潜在狄利克雷分配模型。LDA是一种主题模型，将文档集中每篇文档的主题以概率的形式给出，可以用于主题聚类或者文本分类，是生成式模型。LDA作为主题模型可以应用到很多领域，比如：文本情感分析、文本分类、个性化推荐、社交网络、广告预测等方面。
• MF(Matrix Factorization)模型，矩阵分解模型。矩阵分解其实可以分为很多种：
• 基本矩阵分解(Basic Matrix Factorization)，basic MF分解。
• PMF(Probabilistic Matrix Factorization)，概率矩阵分解，主要应用到推荐系统中，在大规模的稀疏不平衡Netflix数据集上取得了较好的结果
• SVD++
  

SVD

1. 特征值、特征向量
   如果一个向量v是矩阵A的特征向量，将一定可以表示成下面的形式
   
   矩阵A与向量v相乘，本质上是对向量v进行了一次线性变换（旋转或拉伸），当我们求特征值与特征向量的时候，就是为了求矩阵A能使哪些向量（特征向量）只发生伸缩变换，而变换的程度可以用特征值λ表示
2. 特征值分解
   
   其中，Q是矩阵A的特征向量组成的矩阵，中间的矩阵则是一个对角阵，对角线上的元素就是特征值。
   特征值分解可以得到特征值与特征向量，特征值表示的是这个特征到底有多么重要，而特征向量表示这个特征是什么。
   特征值分解也有很多的局限，比如说变换的矩阵必须是方阵。
3. 奇异值分解
   奇异值分解是一个能适用于任意矩阵的一种分解的方法
   
   
   
   就是我们要求的右奇异向量
   
   就是左奇异向量
   
4. 工程上如何加速
   两个矩阵A:mn，B:np相乘，时间复杂度(O(nmp))，如果按照上面的步骤，复杂度太高了。
   在奇异值分解矩阵中Σ里面的奇异值按从大到小的顺序排列，奇异值从大到小的顺序减小的特别快。在很多情况下，前10%甚至1%的奇异值的和就占了全部的奇异值之和的99%以上。也就是说，剩下的90%甚至99%的奇异值几乎没有什么作用。因此，我们可以用前面r个大的奇异值来近似描述矩阵，于是奇异值分解公式可以写成如下：
   
   在奇异值分解中r的取值很重要，就是在计算精度和时间空间之间做选择。

PCA

PCA算法有两种实现方法：基于特征值分解协方差矩阵实现PCA算法、基于SVD分解协方差矩阵实现PCA算法

1. 协方差
   样本X和样本Y的协方差
   
   协方差为正时，说明X和Y是正相关关系；协方差为负时，说明X和Y是负相关关系；协方差为0时，说明X和Y是相互独立，当样本是n维数据时，它们的协方差实际上是协方差矩阵(对称方阵)
   
   对于数据X的散度矩阵为$X{X}^T$。其实协方差矩阵和散度矩阵关系密切，散度矩阵就是协方差矩阵乘以（总数据量-1）。因此它们的特征值和特征向量是一样的。这里值得注意的是，散度矩阵是SVD奇异值分解的一步，因此PCA和SVD是有很大联系
2. 基于特征值分解协方差矩阵实现PCA算法
   
   注意：如果我们通过特征值分解协方差矩阵，那么我们只能得到一个方向的PCA降维。这个方向就是对数据矩阵X从行(或列)方向上压缩降维
3. 基于SVD分解协方差矩阵实现PCA算法
   
   当我们用到SVD分解协方差矩阵的时候，SVD有两个好处：
   （1) 有一些SVD的实现算法可以先不求出协方差矩阵也能求出我们的右奇异矩阵V。也就是说，我们的PCA算法可以不用做特征分解而是通过SVD来完成，这个方法在样本量很大的时候很有效。实际上，scikit-learn的PCA算法的背后真正的实现就是用的SVD，而不是特征值分解。
   （2)注意到PCA仅仅使用了我们SVD的左奇异矩阵，没有使用到右奇异值矩阵，那么右奇异值矩阵有什么用呢？
   

贝叶斯概率

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