从软件工程的角度写机器学习1——机器学习的思想

机器学习的思想

序

提到机器学习，圈内人首先想到的是神经网络、SVM、梯度下降、逻辑回归等具体的算法，而对圈外人而言，机器学习就等同于机器人、无人驾驶等具体的应用场景。
看了不少机器学习相关的文章，有描述知识点的：讲解算法非常详细，并且给出实现的程序demo。也有描述覆盖面的：泛泛而谈机器学习的典型应用场景，力图使大众易于理解。
但在一个软件工程中，机器学习如何应用，各算法如何衔接，怎么系统地去解决问题，也即怎么把机器学习的一个个知识点连成线，扩展成面，解决实际的一大片问题，鲜有提及。
这一系列的文章力图从软件工程师的视角出发，描述机器学习是什么，各种算法处于一个什么样的位置，指引如何构建一个算法框架，去系统性地用机器学习解决实际的问题。

机器学习的概念

关于机器学习的定义，以下这段英文被广泛的引用：

A computer program is said to learn from experience E with respect to some class of tasks T and performance measure P, if its performance at tasks in T, as measured by P, improves with experience E

http://www.csdn.net/article/2015-09-08/2825647 给出的翻译如下：
“对于某类任务T和性能度量P，如果一个计算机程序在T上以P衡量的性能随着经验E而自我完善，那么我们称这个计算机程序在从经验E学习。”

这段话非常正确并且普适，但没有实践过的人绝逼看不懂。

平易近人的机器学习

通常我们所看到的介绍机器学习的文章，举例子时，都是必须要机器学习才能解决的例子，如手写数字识别、人脸检测、欺诈分析、商品推荐等等。它们虽然确实是机器学习的典型应用范例，但容易 让读者将机器学习的应用场景想窄了。
这里举一些有其他解决方案，但也可以用机器学习的例子：

数学

解反函数

如下函数：
y=x3+7x
求其反函数（不考虑复数解）。
解决方案：
一元三次方程的解法是卡尔丹公式。
http://baike.baidu.com/link?url=3vlaDPYokr9bYtH1NTmcujC3lp7MAbLy19e8YJnYmC6tuXARgZ9KIhVfQjaJk2EbQ1NXS_zKFi350x4zk68muK
经过一番推导之后，得出反函数为：
x=y2+y24+7333‾‾‾‾‾‾‾‾√‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾√3+y2−y24+7333‾‾‾‾‾‾‾‾√‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾√3

一种机器学习的方案：
解此方程的任务就是T
1.采样计算，创造样本数据
在x∈[−50,50]的区间内，以0.1的间隔采一次样，按 y=x3+7x 计算出y的值。
这组数据便是上面所提到的经验E。

2.根据这组数据值，使用机器学习算法反推 x=f(y)：
（1）分划这组数据为测试集α和训练集β（随机抽出100个做个测试用）。
（2）设定评价函数为∑x,y∈α|y−g′(x)|，其中g’为机器学习算法在α上训练出的函数。这个公式就是P
为得到g’，可以用遗传规划(Genetic-Programming)，也可以分段做线性回归，还可以用BP神经网络。

3.当采样密度提高/采样区间扩大时，相应的数据量增多，机器学习出来的效果也将更好。

摇一摇

很多应用都有摇一摇的功能，即摇一下手机，触发某种功能，它的实现是基于手机的加速度传感器数据，如此文所示：
http://blog.csdn.net/xn4545945/article/details/9001097
这篇文章用了一个阈值去判断是否触发摇一摇状态，这个阈值是所谓的经验值，怎么得来的呢：
1.设一个初始阈值 V。
2.对手头上Android手机测试，看是否能正常触发摇一摇，是否过于灵敏。
3.过于灵敏V往上调，难以触发V往下调。
4.最终调节好阈值V。

让我们换一种方法实现：
1.对每台手机，收集两组加速度传感器的数据：
（1）缓慢移动手机，采集加速度传感器在x,y,z三轴方向的数据，这组数据全部保留，作为负样本。
（2）各个方向摇动手机，采集数据，这组数据过滤掉加速度的绝对值较小的50%，作为正样本。
具体采集数据时，可以在应用中打log，然后写个脚本提取日志文件。
2.这样，我们得到了一个数据集（E），基于此，使用C4.5决策树算法，建一个决策树。目标函数设为准确率（P）。
3.在App中，使用该决策树去判断是否触发即可。

当然，需要更准确的话，可以把加速度当一个时间序列，用时间序列预测的方式去分析，不过上面这种方案已经够用了。

睡眠状态检测

有些音乐播放软件会有一个“睡觉时自动关闭”的功能。这个是通过定时检测睡眠状态而实现的。
判定为睡眠的条件如下：
1.夜间（即时间为12:00-5:00）
2.非唤醒状态（即用户不在操作手机）
3.手机不在动
前两个条件非常明确，写代码上if-else就行了，第三个就不那么容易了。简单来做，可以用加速度变化值小于一个阈值，作为手机不动的判断条件，但这样做不太准。

基于机器学习的解决方案和上面一例是类似的，分别在手机静止和运动时收集加速度传感器三方向数据，有所不同的是要建一个时间序列模型。

出行信息

比如华为P8可以智能识别出出行类的短信，并添加提醒。
http://mobile.zol.com.cn/519/5192018.html

以火车出行的提醒为例，一种实现方案如下：
1.使用一组正则表达式去匹配短信，全部匹配存在，则判断它是一条火车出行的提醒短信。如果不是，直接跳过。
2.采用另一组正则表达式，提取短信中的时间/地点/始终站。
3.根据上面提取出来的信息，生成一个闹钟。

上面的这些正则表达式是程序员去看短信样本，慢慢试出来的。
这个实现方案并不怎么好，下面做一下小许改进：
在第一步中，由于不同类型的车票提醒短信模板不太一样，不一定能找到这样一组正则表达式。需要考虑优化一下判断的方案。
新的方案如下：
1.收集一批火车出行的提醒短信样本和另一批普通的短信样本，打上正负标志。
2.观察正负样本，取一组正则表达式，这些表达式应当尽量不均衡地匹配两类样本（正样本匹配中的多，则负样本匹配中的少，反之亦然）。
3.生成数据集，每条样本，对每个正则表达式，匹配为1，不匹配为0，形成一个向量，所有样本生成的向量合起来就是一个数据矩阵。
4.用SVM算法训练，得到一个SVM模型。
5.套用该模型去预测，用以解决是和否的问题。

上面所举的这些例子，机器学习并不是惟一的解法，有些例子中只是解决方案中的一环。但从机器学习的解法与其他解法的对比中，才能更好地理解机器学习的思想是什么，和我们传统的解决问题的方法有什么不同。

机器学习的思想与其局限

我们传统的解决问题方法，是针对问题发现规律，然后根据规律设计解决方案。在发现规律的过程中，我们不断地尝试，总结一些经验公式。

而机器学习，就是将发现规律这一步移交给计算机，为了能让计算机去发现规律，我们需要给计算机提供经验E和评价准则P。
因此，用机器学习解决问题，就是根据问题，先设计解决问题的评价标准，基于此采集足够的参考样本，然后，使用学习算法得出解决问题的方案，最后，使用该方案去解决问题。

得到解决方案的过程是机器学习的训练过程，而应用解决方案的过程就是预测过程。
值得注意的是，训练过程是模拟人的思维，去探索解决方案，它可以是离线并且不限设备进行的，类似于代码的编译。而预测过程则类似于代码的执行，需要应用到具体的平台设备，考虑稳定/性能等因素。

机器学习适用于规律不容易得到或常变，而样本容易采集的情景，如果本身就是简单或有成熟解法的问题，使用机器学习没有什么优势。