有监督学习、无监督学习以及半监督学习详解

      相信大家在开始学习机器学习的入门时，首先接触的概念就是监督学习、无监督学习以及半监督学习。在我们开始讲解之前，我们先回顾一下什么是机器学习（ML）？

百度百科给出的定义是，机器学习是一门多学科交叉专业，涵盖概率论知识，统计学知识，近似理论知识和复杂算法知识，使用计算机作为工具并致力于真实实时的模拟人类学习方式， 并将现有内容进行知识结构划分来有效提高学习效率。

从定义中，我们可以发现：

(1) 机器学习是一门人工智能的科学,该领域的主要研究对象是人工智能，特别是如何在经验学习中改善具体算法的性能。

(2) 机器学习是对能通过经验自动改进的计算机算法的研究。

(3) 机器学习是用数据或以往的经验,以此优化计算机程序的性能标准。

 

重温了机器学习的基础概念之后，我们正式进入我们的正文部分。

 

监督学习

 

监督学习是从标记的训练数据来推断一个功能的机器学习任务。利用一组已知类别的样本调整分类器的参数，使其达到所要求性能的 过程，也称为监督训练或有教师学习。

根据已有的数据集，知道输入和输出结果之间的关系。根据这种已知的关系，训练得到一个最优的模型。也就是说，在监督学习中训练数据既有特征(feature)又有标签(label)，通过训练，让机器可以自己找到特征和标签之间的联系，在面对只有特征没有标签的数据时，可以判断出标签。

 

监督学习有一种应用场景：回归和分类。

回归(Regression）

回归问题是针对于连续型变量的。

 

举个栗子：预测房屋价格

假设想要预测房屋价格，绘制了下面这样的数据集。水平轴上，不同房屋的尺寸是平方英尺，在竖直轴上，是不同房子的价格，单位时（千万$）。给定数据，假设一个人有一栋房子，750平方英尺，他要卖掉这栋房子，想知道能卖多少钱。

这个时候，监督学习中的回归算法就能派上用场了，我们可以根据数据集来画直线或者二阶函数等来拟合数据。

 通过图像，我们可以看出直线拟合出来的150k,曲线拟合出来是200k,所以要不断训练学习，找到最合适的模型得到拟合数据（房价）。

回归通俗一点就是，对已经存在的点（训练数据）进行分析，拟合出适当的函数模型y=f(x)，这里y就是数据的标签，而对于一个新的自变量x，通过这个函数模型得到标签y。 

分类（Classification)  

和回归最大的区别在于，分类是针对离散型的，输出的结果是有限的。

举个栗子：估计肿瘤性质

假设某人发现了一个乳腺瘤，在乳腺上有个z肿块，恶性瘤是危险的、有害的；良性瘤是无害的。

假设在数据集中，水平轴是瘤的尺寸，竖直轴是1或0，也可以是Y或N。在已知肿瘤样例中，恶性的标为1，良性的标为0。那么，如下，蓝色的样例便是良性的，红色的是恶性的。

 这个时候，机器学习的任务就是估计该肿瘤的性质，是恶性的还是良性的。

那么分类就派上了用场，在这个例子中就是向模型输入人的各种数据的训练样本（这里是肿瘤的尺寸，当然现实生活里会用更多的数据，如年龄等），产生“输入一个人的数据，判断是否患有癌症”的结果，结果必定是离散的，只有“是”或“否”。

所以简单来说分类就是，要通过分析输入的特征向量，对于一个新的向量得到其标签。

 

无监督学习

定义：我们不知道数据集中数据、特征之间的关系，而是要根据聚类或一定的模型得到数据之间的关系。

可以这么说，比起监督学习，无监督学习更像是自学，让机器学会自己做事情，是没有标签（label）的。

接刚刚上面机器学习解释时用到的例子来更好理解一下二者的区别：

对于平时的考试来说，监督学习相当于我们做了很多题目都知道它的标准答案，所以在学习的过程中，我们可以通过对照答案，来分析问题找出方法，下一次在面对没有答案的问题时，往往也可以正确地解决。 而无监督学习，是我们不知道任何的答案，也不知道自己做得对不对，但是做题的过程中，就算不知道答案，我们还是可以大致的将语文，数学，英语这些题目分开，因为这些问题内在还是具有一定的联系。 

如下图所示，在无监督学习中，我们只是给定了一组数据，我们的目标是发现这组数据中的特殊结构。例如我们使用无监督学习算法会将这组数据分成两个不同的簇,，这样的算法就叫聚类算法。

 

生活中的应用：

1.Google新闻按照内容结构的不同分成财经，娱乐，体育等不同的标签，这就是无监督学习中的聚类。

2.根据给定基因把人群分类。如图是DNA数据，对于一组不同的人我们测量他们DNA中对于一个特定基因的表达程度。然后根据测量结果可以用聚类算法将他们分成不同的类型。这就是一种无监督学习, 因为我们只是给定了一些数据，而并不知道哪些是第一种类型的人，哪些是第二种类型的人等等。

 

半监督学习

半监督学习(Semi-Supervised Learning，SSL)是模式识别和机器学习领域研究的重点问题，是监督学习与无监督学习相结合的一种学习方法。半监督学习使用大量的未标记数据，以及同时使用标记数据，来进行模式识别工作。当使用半监督学习时，将会要求尽量少的人员来从事工作，同时，又能够带来比较高的准确性，因此，半监督学习正越来越受到人们的重视。

至于实例的话，大家可以去自己探讨一下。

 

本文参考：

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链接：https://baike.baidu.com/item/监督学习/9820109?fr=aladdin