《动手学深度学习》笔记一 ------机器学习中的基础概念
写在前面：本文按照书中的脉络做的笔记，包含概念的定义、自己的理解以及阅读时的小思考。感受：深度学习很奥妙，很有趣！
1.2机器学习中的关键组件
- 可以⽤来学习的数据（data）；
- 如何转换数据的模型（model）；
- ⼀个⽬标函数（objective function），⽤来量化模型的有效性；
当任务在试图预测数值时，最常⻅的损失函数是平⽅误差（squared error），即预测值与实际值之差的平⽅。 当试图解决分类问题时，最常⻅的⽬标函数是最⼩化错误率，即预测与实际情况不符的样本⽐例。
。有些⽬标 函数（如平⽅误差）很容易被优化，有些⽬标（如错误率）由于不可微性或其他复杂性难以直接优化。在这 些情况下，通常会优化替代⽬标。
可⽤数据集通常可以分成两部分：训练数据集⽤于拟合模型参数，测试数据集⽤于评估拟合的模型。
- 调整模型参数以优化⽬标函数的算法（algorithm）。
深度学习中，⼤多流⾏的优化算法通常基于⼀种基本⽅法‒梯度下降（gradient descent）。简⽽⾔之，在每个步骤中，梯度下降法都会检查每个参数，看看如果仅对该参数进⾏少量变动，训 练集损失会朝哪个⽅向移动。然后，它在可以减少损失的⽅向上优化参数。
1.3各种机器学习问题
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监督学习
擅长在“给定输入特征”的情况下预测标签，相当于，在给定一组特定的可用数据（相当于特征）的情况下，估计未知事物的概率（事情的结果，相当于是标签）。
（我的理解：监督学习就是，根据给出的特征和标签，学会二者之间如何从特征映射到标签）
监督学习的学习过程一般可以分为三大步骤：
1、从已知大量数据样本中随机选取一个子集，为每个样本获取真实标签。有时，这些样本已有标签（例如，患者是否在下一年内康复？）；有时，这些样本可能需要被人工标记（例如，图像分类）。这些输入和相应的标签一起构成了训练数据集；
2、选择有监督的学习算法，它将训练数据集作为输入，并输出一个“已完成学习的模型”；
3、将之前没有见过的样本特征放到这个“已完成学习的模型”中，使用模型的输出作为相应标签的预测。
（1）回归
回归问题的模型，由输出决定。当标签取任意数值时，我们称之为回归问题，此时的目标是生成一个模型，使它的预测非常接近实际标签值。总而言之，判断回归问题的一个很好的经验法则是，任何有关“有多少”的问题很可能就是回归问题。eg:这个手术需要多少小时.
(我的理解：相当于是y=k x+b中，已知x,y,求解k,b。就是在几个变量的已知函数关系的情况下求解变量，这个变量不一定是系数k,b，也可能是x或者y。)、
（2）分类
1）区别：回归是训练一个回归函数来输出一个数值； 分类是训练一个分类器来输出预测的类别。
2）分类问题的常见损失函数被称为交叉熵（cross-entropy）（后面会讲）
3）分类包括：二项分类、多项分类、层次分类（eg:动物的科目类别（猫科、犬科），可能存在相关性，这种不同类的结构叫层析结构）
层次结构相关性可能取决于模型的使用者计划如何使用模型。 例如，响尾蛇和乌梢蛇血缘上可能很接近，但如果把响尾蛇误认为是乌梢蛇可能会是致命的。 因为响尾蛇是有毒的，而乌梢蛇是无毒的。
4）标记问题
给问题贴标签
学习预测不相互排斥的类别的问题称为多标签分类（比如，在一张动物图片中识别出所有的动物）
5）搜索
最重要的是，将搜索的结果根据问题的相关性进行排序
6）推荐系统（recommender system）
它的目标是向特定用户进行“个性化”推荐
7）序列学习
就是根据连续的一段信息，通过学习，获得可能的后续信息。
序列学习需要摄取输入序列或预测输出序列，或两者兼而有之。
应用：机器翻译（eg:根据输入的顺序得到合理的翻译语句）
2、无监督学习
数据中不含有“目标”的机器学习问题通常被为无监督学习（unsupervised learning）
可解决的问题：
A.聚类问题（没有标签的情况下，将有相似特征的东西归为一类）
B.主成分分析（eg：裁缝通过确定人的某些参数来裁定衣服的大小(比如人的臂长，身高等)）
C.因果关系和概率图模型（根据经验数据发现给出数据之间的关系）
D.生成对抗网络（提供一种合成数据的方法，潜在的统计机制是检查真实和虚假数据是否相同的测试）
3、环境交互
上述的两种学习方式，是事先取数据，启动模型后就不在与环境交互，是离线学习。
4、强化学习
即智能体（agent）在一系列的时间步骤上与环境交互。
在每个特定时间点，智能体从环境接收一些观察（observation），并且必须选择一个动作（action），然后通过某种机制（有时称为执行器）将其传输回环境，最后智能体从环境中获得奖励（reward）
（我的理解：在已有模型的基础上，执行自己的动作后，将观测到的环境变化与内部的“激励”传回到智能体中进行下一步的动作）
假设我们有一个分类问题，可以创建一个强化学习智能体，每个分类对应一个“动作”。 然后，我们可以创建一个环境，该环境给予智能体的奖励。 这个奖励与原始监督学习问题的损失函数是一致的。
（插个题外话，这句话我有点喜欢，有种内心被点化的感觉。强化学习智能体必须不断地做出选择：是应该利用当前最好的策略，还是探索新的策略空间（放弃一些短期回报来换取知识）。）
当环境可被完全观察到时，强化学习问题被称为马尔可夫决策过程（markov decision process）。 当状态不依赖于之前的操作时，我们称该问题为上下文赌博机（contextual bandit problem）。 当没有状态，只有一组最初未知回报的可用动作时，这个问题就是经典的多臂赌博机（multi-armed bandit problem）
（机器能思考吗？我觉得按照深度强化学习的思路看，机器可以通过观察和模仿，无限接近人的行为，几乎是有思想的模样。因为我觉得人从受精卵开始，虽然开始有生命，但是有自己的意识也是通过模仿外界，和机器的学习似乎没区别。或者说，刚出生的婴儿就像是机器已经通过类似深度强化学习学习了十个月，从而有人们看到的与生俱来的脾气秉性、自己的各种反应。以上纯属我的猜测。）