七步从入门到精通Python机器学习

本文旨在通过七个步骤，使用全部免费的线上资料，帮助新人获取最基本的Python机器学习知识，直至成为博学的机器学习实践者。这篇概述的主要目的是带领读者接触众多免费的学习资源。这些资源有很多，但哪些是最好的？哪些相互补充？怎样的学习顺序才最好？

我假定本文的读者不是以下任何领域的专家：

▪  机器学习 

▪  Python 

▪  任何Python的机器学习、科学计算、数据分析库 

如果你有前两个领域其一或全部的基础知识，可能会很有帮助，但这些也不是必需的。在下面几个步骤中的前几项多花点时间就可以弥补。

第一步：基本 Python 技能 

如果要使用 Python 进行机器学习，拥有对 Python 有基础的理解非常关键。幸运的是，Python 是当前普遍使用的流行语言，并纳入了科学计算和机器学习的内容，所以找到入门教程并不困难。在选择起点时，很大程度上要取决于你之前的 Python 经验和编程经验。 

首先要安装 Python 。由于我们要使用机器学习和科学计算的 packages ，这里建议安装  Anaconda。Anaconda 是一个可在 Linux , OSX , Windows 上运行的 Python 实现工具，拥有所需的机器学习 packages ，包括 numpy，scikit-learn，matplotlib。它还包含iPython Notebook ，一个带有许多教程的交互式环境。这里推荐使用 Python 2.7 ，不是因为特殊原因，只是因为它是目前安装版本中的主流。

如果你之前没有编程知识，建议你阅读这本免费电子书，然后再接触其他学习材料：

▪  Python The Hard Way 作者Zed A. Shaw  

如果你之前有编程知识，但不是Python的，又或者你的Python水平很基础，推荐下列一种或几种教程：

▪  Google Developers Python Course（(强烈推荐给视觉型学习者）

▪  An Introduction to Python for Scientific Computing (from UCSB Engineering) 作者 M. Scott Shell (一个很好的 Python 科学计算简介，60 页) 

对于想要速成课程的人，这里有：

▪  Learn X in Y Minutes (X = Python) 

当然，如果你是个经验丰富的Python程序员，可以跳过这一步。尽管如此，还是建议你把通俗易懂的 Python documentation  放在手边。 

第二步：机器学习基础技能

KDnuggets 的 Zachary Lipton 指出，人们对于“数据科学家”的认知千差万别。这实际上是对机器学习领域的反映。数据科学家在不同程度上使用计算学习算法。要建立和使用支持向量机模型，熟知核函数方法是否是必需的？答案当然不是。就像现实生活中的许多事情一样，所需要的理论深入程度与具体的实际应用有关。获取对机器学习算法的深入理解不是本文的讨论范围， 而且这通常需要在学术领域投入大量时间，或者至少要通过密集的自学才能达到。 

好消息是，你不必拥有博士级别的机器学习理论能力才能进行实践，就如同不是所有程序员都必须接受计算机理论教育才能写好代码。 

吴恩达在 Coursera 的课程饱受赞誉。但我的建议是去看看一名以前的学生做的笔记。略过那些针对 Octave（一个与 Python 无关的，类 Matlab 语言）的内容。需要注意，这些不是“官方”的笔记，虽然看起来的确抓住了吴恩达课程材料的相关内容。如果你有时间，可以自己去 Coursera 完成这个课程 ：Andrew Ng's Machine Learning course 。 

▪  非官方课程笔记链接 

除了吴恩达的课程以外，还有很多其他视频教程。我是Tom Mitchell的粉丝，下面是他（与Maria-Florina Balcan共同完成的）最新的课程视频，对学习者非常友好：

▪  Tom Mitchell Machine Learning Lectures 

你不需要现在看完全部的笔记和视频。比较好的策略是向前推进，去做下面的练习，需要的时候再查阅笔记和视频。比如，你要做一个回归模型，就可以去查阅吴恩达课程有关回归的笔记以及/或者Mitchell的视频。 

第三步：科学计算 Python packages 一览 

好了。现在我们有了 Python 编程经验，并对机器学习有所了解。Python 有很多为机器学习提供便利的开源库。通常它们被称为Python科学库（scientific Python libraries），用以执行基本的数据科学任务（这里有一点程度主观色彩）： 

▪  numpy - 主要用于N维数组

▪  pandas - Python数据分析库，包含dataframe等结构

▪  matplotlib - 2D绘图库，产出质量足以进行印刷的图

▪  scikit-learn - 数据分析、数据挖掘任务使用的机器学习算法

学习以上这些内容可以使用：

▪  Scipy Lecture Notes 作者 Gaël Varoquaux， Emmanuelle Gouillart， Olav Vahtras 

下面这个pandas教程也不错，贴近主题：

▪  10 Minutes to Pandas 

在后面的教程中你会看到其他一些packages，比如包括Seaborn，一个基于matplotlib的可视化库。前面提到的packages （再次承认具有一定主观色彩）是许多Python机器学习任务的核心工具。不过，理解它们也可以让你在之后的教程中更好理解其他相关packages。

好了，现在到了有意思的部分..... 

第四步：开始用Python进行机器学习

Python。搞定。

机器学习基础。搞定。

Numpy。搞定。

Pandas。搞定。

Matplotlib。搞定。 

是时候用Python的标准机器学习库，scikit-learn，实现机器学习算法了。

scikit-learn 算法选择图

下面许多教程和练习都基于交互式环境iPython (Jupyter) Notebook。这些iPython Notebooks有些可以在网上观看，有些可以下载到本地电脑。

▪  iPython Notebook概览 斯坦福大学 

也请注意下面的资源来自网络。所有资源属于作者。如果出于某种原因，你发现有作者没有被提及，请告知我，我会尽快改正。在此特别要向Jake VanderPlas，Randal Olson，Donne Martin，Kevin Markham，Colin Raffel致敬，感谢他们提供的优秀免费资源。

下面是scikit-learn的入门教程。在进行下一个步骤之前，推荐做完下列全部教程。

对于scikit-learn的整体介绍，它是Python最常用的通用机器学习库，包含knn最近邻算法：

▪  An Introduction to scikit-learn 作者 Jake VanderPlas 

更深入更宽泛的介绍，包含一个新手项目，从头到尾使用一个著名的数据集：

▪  Example Machine Learning Notebook 作者Randal Olson 

专注于scikit-learn中评估不同模型的策略，涉及训练集/测试集拆分：

▪  Model Evaluation 作者 Kevin Markham 

 

第五步：Python机器学习主题

在scikit-learn打下基础以后，我们可以探索更多有用的常见算法。让我们从最知名的机器学习算法之一，k-means聚类开始。对于无监督学习问题，k-means通常简单有效：

▪  k-means Clustering 作者Jake VanderPlas 

接下来是分类，让我们看看史上最流行的分类方法之一，决策树：

▪  Decision Trees via The Grimm Scientist 

分类之后，是连续数字变量的预测：

▪  Linear Regression 作者 Jake VanderPlas 

通过逻辑斯蒂回归，我们可以用回归解决分类问题：

▪  Logistic Regression 作者Kevin Markham 

第六步：Python高级机器学习

接触过scikit-learn，现在让我们把注意力转向更高级的内容。首先是支持向量机，一个无需线性的分类器，它依赖复杂的数据转换，把数据投向高维空间。

▪  Support Vector Machines 作者 Jake VanderPlas 

接下来是随机森林，一种集成分类器。下面的教程通过 Kaggle Titanic Competition讲解。 

▪  Kaggle Titanic Competition (with Random Forests) 作者 Donne Martin 

降维是一种减少问题涉及的变量数目的方法。PCA主成分分析是一种无监督学习降维的特殊形式：

▪  Dimensionality Reduction 作者 Jake VanderPlas 

在开始下一步之前，可以暂停一下，回想我们在短短的时间已经走了多远。

通过使用Python和它的机器学习库，我们涵盖了一些最常用最知名的机器学习算法（knn最近邻，k-means聚类，支持向量机），了解了一种强有力的集成方法（随机森林），涉及了一些其他机器学习支持方案（降维，模型验证技巧）。在一些基础机器学习的技巧的帮助下，我们开始有了一个渐渐丰富的工具箱。

在结束以前，让我们给工具箱增加一个需求很大的工具：

 

第七步 ：Python深度学习

到处都在深度学习！深度学习基于过去几十年的神经网络研究，但最近几年的发展大大增加了深度神经网络的能力和对于它的兴趣。如果你不熟悉深度学习，KDnuggets 有许多文章 ，详细介绍最近的进展、成果，以及对这项技术的赞誉。 

本文的最后一部分并不想成为某种深度学习示范教程。我们会关注基于两个Python深度学习库的简单应用。对于想了解更多的读者，我推荐下面这本免费在线书：

▪  Neural Networks and Deep Learning 作者 Michael Nielsen 

Theano 

Theano是我们关注的第一个Python深度学习库。根据作者所说：

作为一个Python库，Theano让你可以有效定义、优化、评估包含多维数组的数学表达式。

下面的Theano深度学习教程很长，但非常不错，描述详细，有大量评论：

▪  Theano Deep Learning Tutorial 作者 Colin Raffel 

Caffe 

我们关注的另一个库是Caffe。根据它的作者所说：

Caffe是一个深度学习框架。开发过程中时刻考虑着表达式、速度、模型。 它是由Berkeley Vision and Learning Center (BVLC) 和社区贡献者共同开发的。

这个教程是本文的压轴。尽管上面列举了一些有趣的案例，没有那个比得上下面这个：用Caffe实现Google的#DeepDream。希望你喜欢！理解这个教程以后，尽情玩乐，让你的处理器开始自己做梦吧。 

▪  Dreaming Deep with Caffe via Google's GitHub  

我不敢保证Python机器学习是速成的或简单的。但只要投入时间，遵循这七个步骤，你无疑会对于这个领域拥有足够的熟练度和理解，会使用流行的Python库实现许多机器学习算法，甚至当今深度学习领域的前沿内容。