机器学习基础概念

公众号:尤而小屋
作者:Peter
编辑:Peter

大家好,我是Peter~

本文主要机器学习的一些基本内容,包含:

  1. 除了分类和回归之外的其他机器学习形式
  2. 评估机器学习模型的规范流程
  3. 为深度学习准备数据
  4. 特征工程
  5. 解决过拟合
  6. 处理机器学习问题的通用流程

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机器学习4个分支

监督学习supervised learning

最常见的机器学习类型。给定一组样本(通常是人工标准),它可以学会将数据映射到已知目标(也叫标注)。监督学习广泛应用到光学字符识别、语音识别、图像分类和语言翻译。

监督学习除了回归和分类,还有其他变体:

  1. 序列生成
  2. 语法树预测
  3. 目标检测
  4. 图像分割

无监督学习

无监督学习是指在没有目标的情况下寻找输入数据的有趣变换,目的是在于数据可视化、数据压缩、数据去噪或者更好地理解数据中的相关性

主要是降维聚类

自监督学习

自监督学习是监督学习的特例。自监督学习可以看做是没有人工标注的标签的监督学习。

标签是仍然存在的,但是他们是从输入数据中生成的,通常是使用启发式算法生成的。

一个常见的例子就是:自编码器autoencoder,其目标就是未经修改的输入。

给定视频中过去的帧来预测下一帧,或者给定文本中前面的词语来预测下一个次,都是属于自监督学习的例子(这两个例子是时序监督学习的例子)

强化学习

强化学习是因为谷歌的DeepMind公司将其成功应用于学习完Atari游戏(还有围棋阿尔法狗)中,才开始被广泛关注。

在强化学习中,智能体agent接收有关其环境的信息,并学会选择使其某种奖励最大化的行动。

分类和回归术语

总结一下回归和分类中常出现的术语:

  1. 样本、输入:进入模型的数据点
  2. 预测、输出:从模型出来的结果
  3. 目标:真实值。对于外部数据源,理想状态下,模型能够预测出真实值
  4. 预测误差、损失值:预测值和真实值之间的距离
  5. 类别:分类问题中供选择的一组标签。比如对猫狗图像进行分类时,猫和狗就是标签
  6. 标签:分类问题中类别标注的具体例子。比如1234号图像被标注为包含类别狗,那么“狗”就是1234号图像的标签
  7. 真实值和标注:数据集的所有目标。通常是人工收集
  8. 二分类:一种分类任务,每个输入样本应该被划分到两个互斥的类别
  9. 多分类:一种分类任务,每个输入样本应该被划分到多个不同的类别中,比如手写数字分类
  10. 多标签分类:一种分类任务,每个输入样本都可以分配多个标签。比如一幅图像中既有猫又有狗,那么应该同时标注猫标签和狗标签。每幅图像的标签个数通常是可变的。
  11. 标量回归:目标是连续标量值的任务。比如预测房价
  12. 向量回归:目标是一组连续值(比如一个连续变量)的任务。如果对多个值进行回归,就是向量回归
  13. 小批量或批量:模型同时处理的一小部分样本,通常是8-128.样本数通常是2的幂,方便CPU上的内存分配。训练时,小批量用来为模型权重计算一次梯度下降更新。

评估机器学习的模型

机器学习的目的是得到可以泛化的模型:在前所未见的数据集上也能够表现的很好,而过拟合则是核心难点。

3大数据集

评估模型的重点是将数据划分为:训练集、验证集和测试集

  • 训练集:训练模型
  • 验证集:评估模型
  • 测试集:最后一次的测试

模型一定不能读取与测试集任何相关的信息,即使是间接读取也不行。3大经典评估方法:

  1. 简单的留出验证
  2. K折验证
  3. 带有打乱数据的重复K折验证

3大评估方法

简单的留出验证(hold-out validation)

留出一定的比例的数据作为测试集,在剩余的数据集上训练数据,然后在测试集上评估模型。

为了防止信息泄露,我们不能基于测试集来调节模型,必须保留一个验证集。

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# 代码实现

num_validation_samples = 10000

# 打乱数据
np.random.shuffle(data)

validation_data = data[:num_validation_samples]  # 验证集

data = data[num_validation_samples:]  
train_data = data   # 训练集

model = get_model()
model.train(train_data)  # 训练集训练模型

validation_score = model.evaluate(validation_data)  # 验证集上评估模型

# 调节模型、重新训练、评估,然后再次调节,最后在测试集上评估
model = get_model()
# 将训练集和验证合并起来进行重新训练
model.train(np.concatenate([train_data,validation_data]))
# 测试集上进行评估
test_score = model.evaluate(test_data)

一个缺点:如果可用的数据很少,可能验证集和测试集包含的样本很少,从而无法从统计学上代表数据。

因此就有了K折验证和重复的K折验证来解决这个问题。

K折验证

使用K折交叉验证的基本原来:

  • 将数据划分为K个分区,通常是4或者5
  • 实例化K个模型,将模型在K-1个分区上训练,剩下的一个区上进行评估
  • 模型的验证分数等于K个验证分数的均值。

如何K折交叉验证:以3折交叉验证为例

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# 代码实现

k = 4

num_validation_samples = len(data) // k
# 随机打乱数据
np.random.shuffle(data)

validation_scores = []

for fold in range(k):
    # 验证集
    validation_data = data[fold * num_validation_samples: (fold + 1) * num_validation_samples]
    # 训练集
    train_data = data[: fold * num_validation_samples] + data[(fold + 1) * num_validation_samples:]

    model = get_model()
    model.train(train_data)

    validation_score = model.evaluate(validation_data)  # 每个验证集上的得分
    validation_scores.append(validation_score)  # 放到列表中

validation_score = np.average(validation_scores)  # K折验证的均值

model = get_model()
model.train(data)  # data = train_data + validation_data  所有非测试集上进行训练
test_score = model.evaluate(test_data)  #  测试集上进行评估

带有打乱数据的K折验证

如果数据很少,又想精确地评估模型,可以使用打乱数据的K折交叉验证:iterated K-fold validation with shuffling。

具体做法:在每次将数据划分为k个分区之前,先将数据打乱,最终分数是每个K折验证分数的均值

注意:这个做法一共要训练和评估P*K个模型,P是重复次数,计算代价很大。

评估模型的注意事项

  1. 数据代表性:随机打乱数据
  2. 时间箭头:如果想根据过去预测未来,即针对所谓的时间序列的数据,则不应该随机打乱数据,这样会造成时间泄露
  3. 数据冗余:确保训练集和验证集之间没有交集

数据预处理、特征工程和特征学习

预处理

预处理的主要步骤:

  • 向量化
  • 标准化
  • 处理缺失值
  • 特征提取

向量化

神经网络的所有输入和输出都必须是浮点张量。都必须转成张量,这一步叫做向量化data vectorization

值标准化

数据输入网络前,对每个特征分别做标准化,使其均值为0,标准差为1。

输入神经网络的数据应该具有以下特征:

  • 取值较小:大部分取值在0-1范围内
  • 同质性(homogenous):所有特征的取值范围都在大致相同的范围内

Numpy实现的标准化过程:

X -= X.mean(axis=0)  # 假定X是个二维矩阵
X -= X.std(axis=0)

缺失值处理

在神经网络中,一般将缺失值用0填充。

特征工程

根据已有的知识对数据进行编码的转换,以改善模型的效果。

特征工程的本质:用更简单的方式表述问题,从而使得问题变得更容易。

现在大部分的深度学习是不需要特征工程的,因为神经网络能够从原始数据中自动提取有用的特征。

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解决过拟合

什么是过拟合和欠拟合

机器学习的根本问题是优化和泛化的对立。

优化:调节模型以在训练集上得到最佳性能;泛化:训练好的模型在未知数据上的性能好坏。

  • 过拟合overfit:模型在训练集上表现良好,但是在测试集上表现不好。过拟合存在所有的机器学习问题中。
  • 欠拟合underfit:训练数据上的损失越小,测试数据上的数据损失也越小。

过拟合和欠拟合的产生

1、欠拟合问题,根本的原因是特征维度过少,导致拟合的函数无法满足训练集,误差较大。

解决方法:欠拟合问题可以通过增加特征维度来解决。

2、过拟合问题,根本的原因则是特征维度过多,导致拟合的函数完美的经过训练集,但是对新数据的预测结果则较差。解决过拟合问题,则有2个途径:

  • 减少特征维度;可以人工选择保留的特征,或者模型选择算法
  • 正则化;保留所有的特征,通过降低参数θ的值,来影响模型

3招解决过拟合

减小网络大小

防止过拟合最简单的方案:减小模型大小,即减少模型中学习参数的个数(层数和每层的单元个数决定)。

容量:在深度学习中,模型中可学习参数的个数称之为容量。

使用的模型必须具有足够多的参数,以防止过拟合,即模型应该避免记忆资源不足。

# 电影评论分类的原网络

import tensorflow as tf  # add
import keras as models
import keras as layers

model = models.Sequential()
model.add(tf.keras.Dense(16, activation="relu",input_shape=(10000, )))
model.add(tf.keras.Dense(16, activation="relu"))
model.add(tf.keras.Dense(1, activation="sigmoid"))

用一个更小的网络来替代:

model = models.Sequential()
model.add(tf.keras.Dense(4, activation="relu",input_shape=(10000, )))
model.add(tf.keras.Dense(4, activation="relu"))
model.add(tf.keras.Dense(1, activation="sigmoid"))

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我们发现:更小的网络开始过拟合的时间要晚于之前的网络;而且小网络的性能变差的速度也更慢。

换成更大的模型:

model = models.Sequential()
model.add(tf.keras.Dense(512, activation="relu",input_shape=(10000, )))
model.add(tf.keras.Dense(512, activation="relu"))
model.add(tf.keras.Dense(1, activation="sigmoid"))

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网络的容量越大,拟合训练数据的速度也越快,更容易过拟合。

添加权重正则化(最佳)

奥卡姆剃刀(Occams razor) 原理:如果一件事有两种解释,那么最可能正确的就是最简单的那个,即假设更少的那个。

权重正则化:强制让模型权重只能取较小的值,从而限制模型的复杂度,使得权重的分布更加规则regular。其实现方法:向网络损失函数中添加与较大权重值相关的成本。

具体两种方式:

  • L1正则化:权重系数的绝对值;L1范数
  • L2正则化:权重系数的平方;L2范数

神经网络中的L2正则化也叫做权重衰减weight decay。

Keras中添加权重正则化的方法是向层传递:权重正则化实例 作为关键字参数,以添加L2权重正则化为例:

from keras import regularizers

model = models.Sequential()
model.add(tf.keras.layers.Dense(16,kernel_regularizer=regularizers.l2(0.001),
                               activation="relu",
                               input_shape=(10000,)))
model.add(tf.keras.layers.Dense(16,kernel_regularizer=regularizers.l2(0.001),
                               activation="relu"))
model.add(tf.keras.layers.Dense(1,activation="sigmoid"))

l2(0.001)的意思是该层权重矩阵的每个系数都会使网络总损失增加0.001*weight_coeffient_value

由于这个惩罚项只在训练时添加,所以网络的训练损失会比测试损失大的多

添加L2正则项前后对比:

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其他权重正则化的添加方式:

from keras import regularizers

regularizers.l1(0.001)  # l1正则化
regularizers.l1_l2(l1=0.001, l2=0.001)  # 同时添加

添加dropout正则化

dropout是神经网络中最有效也是最常用的正则化方式之一,做法:在训练过程中随机将该层的一些输入特征舍弃(设置为0)

dropout的比例就是被设置为0的特征所占的比例,通常在0.2-0.5之间。添加dropout的具体过程:

model.add(tf.keras.layers.Dropout(0.5))

要应用在前面一层的输出

model = models.Sequential()
model.add(tf.keras.layers.Dense(16,activation="relu",input_shape=(10000,)))
model.add(tf.keras.layers.Dropout(0.5))  # 添加
model.add(tf.keras.layers.Dense(16,activation="relu"))
model.add(tf.keras.layers.Dropout(0.5))  # 添加
model.add(tf.keras.layers.Dense(1,activation="sigmoid"))

总结

防止神经网络过拟合的方法:

  1. 获取更多的训练数据
  2. 减小网络容量
  3. 添加权重正则化
  4. 添加dropout

机器学习的通用工作流程

  1. 问题定义、收集数据
  2. 选择衡量成功的标准
    • 平衡分类问题:精度和接受者操作特征曲线下面积-ROC/AUC
    • 分类不平衡问题:准确率和召回率
  3. 确定评估方法
    • 留出验证集
    • K折交叉验证
    • 重复的K折交叉验证
  4. 准备数据
    • 数据转成张量
    • 取值缩放到0-1之间
    • 数据标准化
    • 特征工程
  5. 开发比基准更好的模型

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  1. 扩发模型规模:开发过拟合的模型

机器学习中无处不在的对立是优化和泛化的对立,理想的模型是刚好在欠拟合和过拟合的边界上,在容量不足和容量过大的边界上。

为了弄清楚我们需要多大的模型,就必须开发一个过拟合的模型:

  • 添加更多的层
  • 让每一层变的更大
  • 训练更多的轮次

在训练的过程中始终监控训练损失和验证损失,以及我们关心的指标。

  1. 模型正则化和调节参数
  • 添加dropout
  • 尝试增加或者减少层数
  • 添加L1或者L2正则化项
  • 尝试不同的超参数
  • 反复做特征工程

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