近年来,人工智能 (AI) 取得了显著的进步,彻底改变了各行各业,重塑了我们与技术的互动方式。这些发展的核心是监督学习,这是机器学习的一个基本概念。
在这本综合指南中,我们将深入研究监督学习的世界,探索其重要性、过程和各个方面,如其重要性、在标记数据上训练模型、输入特征和输出标签之间的关系、概括知识并做出准确的预测。
在本文结束时,您将牢牢掌握什么是监督学习以及如何将其应用于解决现实世界的问题。
监督学习是一种机器学习,算法从标记数据中学习以进行预测。简单来说,这就像教机器根据您提供的示例识别数据中的模式或关系。这些示例(也称为训练数据)由输入特征及其相应的目标标签组成。目标是构建一个模型来从这些训练数据中学习,以便对新的、看不见的数据进行准确的预测或分类。
在机器学习中,通常有四种主要的学习范式:监督学习、自我监督学习、无监督学习和强化学习。与监督学习相反,无监督学习处理数据集中未标记的数据;自监督学习是指模型在没有明确监督或标记的情况下从数据中学习;在强化学习中,智能体通过与环境互动并以奖励或惩罚的形式接收反馈来学习决策。
监督学习是许多影响我们日常生活的人工智能应用程序的基础,从垃圾邮件检测到流媒体平台上的推荐系统。从医学诊断到自动驾驶,监督学习起着举足轻重的作用。它从历史数据中学习和做出预测的能力使其在人工智能方面具有多功能性。
随着人工智能的不断发展,监督学习仍然是不可或缺的一部分。它为自然语言处理、计算机视觉和语音识别方面的应用提供支持,使其成为开发智能系统的关键。了解监督学习的工作原理对于任何对人工智能和机器学习感兴趣的人来说都是必不可少的。
这篇文章可以被证明是监督学习的初学者指南,在这里我们将采用结构化的方法来理解监督学习:
现在,让我们踏上了解监督学习的旅程。
监督学习是一种机器学习,其中算法从标记的数据集中学习以做出预测或决策。它涉及在包含输入特征和相应输出标签的数据集上训练模型,使模型能够学习输入和输出之间的关系。
监督学习的运行假设是,数据中隐藏着一种关系或模式,模型可以学习这些关系或模式,然后将其应用于新的、看不见的数据。在这种情况下,“监督”是指为算法提供指导或监督。把它想象成老师指导学生阅读教科书。教师知道正确答案(目标标签),学生通过将他们的答案(预测)与教师的答案进行比较来学习。
要充分理解监督学习,掌握所涉及的主要组成部分和过程至关重要。在监督学习中,标记数据用于训练模型,其中每个数据点都与相应的目标或输出值相关联。
该模型从这些标记数据中学习,以做出预测或准确地对新的、看不见的数据进行分类。此外,监督学习需要选择适当的算法,并使用准确度或精确度等指标评估模型的性能。掌握两个主要组成部分至关重要:
输入要素:这些是描述数据的变量或属性。例如,在垃圾邮件检测系统中,输入功能可能包括发件人的电子邮件地址、主题行和电子邮件内容。该算法使用这些特征进行预测。
目标标签:目标标签是我们希望算法预测或分类的值。在垃圾邮件检测的情况下,目标标签将是二进制的:“垃圾邮件”(1)或“非垃圾邮件”(0)。这些标签作为训练数据的一部分提供。
训练监督学习模型涉及迭代调整其参数,以最小化其预测值与标记数据中目标值之间的差异。此过程通常称为优化。在训练过程中,模型会学习数据中的潜在模式和关系,使其能够对看不见的数据进行概括和准确预测。但是,需要注意的是,监督学习模型的性能取决于用于训练的标记数据的质量和代表性。
训练监督学习模型涉及几个关键步骤:
训练模型:这一步骤包括将训练数据输入所选算法,让模型学习数据中的模式和关系。训练会反复调整参数,通过学习技术将预测误差降到最低。
既然我们已经介绍了有监督学习的基础知识,那就让我们来探索一下不同类型的有监督学习算法吧。
监督学习的类型 算法包括线性回归、逻辑回归、决策树、随机森林、支持向量机和神经网络。每种算法都有其优缺点,算法的选择取决于具体问题和手头的数据。在选择监督学习算法时,还必须考虑可解释性、计算效率和可扩展性等因素。此外,bagging 和 boosting 等集合方法可以结合多个模型来提高预测准确性。监督学习可分为两大类:
每种类型都有自己的特点,适合特定的使用情况。
分类是一种有监督的学习,其目标是将数据点分配到预定义的类别或类别中。在分类任务中,目标标签是离散的,代表不同的类或组。Naive Bayes 是一种常用于监督学习的分类算法。它特别适用于解决分类问题、垃圾邮件检测和情感分析,可根据输入特征学习不同类别的概率。
以下是有关分类的一些要点:
另一方面,回归是一种监督学习,其目标是预测连续值或数值。在回归任务中,目标标签是实数,模型学习将输入特征映射到连续输出。
以下是有关回归的一些关键点:
一些数据科学家使用 K 最近邻 (KNN) 和 K-Means 算法进行数据分类和回归。这些算法支持垃圾邮件检测和销售预测等应用程序。KNN 通常与无监督学习相关,但也可用于监督学习。另一种用于回归和分类问题的算法是支持向量机 (SVM)。SVM 旨在创建最佳线或决策边界,以将 n 维空间划分为类。
现在我们已经探索了监督学习算法的类型,让我们进入工作流程的另一个阶段——数据准备。
数据预处理是监督学习中必不可少的一步。它涉及清理原始数据并将其转换为适合训练模型的格式。数据预处理中使用的常用技术包括处理缺失值、对分类变量进行编码和缩放数值特征。此外,您可以执行特征选择或提取,以降低数据集的维数,并可能提高模型性能。
数据清理是数据预处理的关键部分。它涉及删除或更正数据集中的任何错误、不一致或异常值。数据清理技术包括删除重复条目、更正拼写错误或拼写错误,以及处理嘈杂或不相关的数据。
数据集中缺少数据是一个常见问题,可以通过删除缺失行、插补值或使用高级插补方法等技术来解决,但最合适的方法取决于数据集和研究目标。
包含测量、数据输入或传输中的错误或不一致的噪声数据可以通过平滑、滤波、异常值检测和删除方法等技术来解决。
数据清理也称为数据清理或数据预处理。通过我们的详细指南了解有关数据清理和预处理的更多信息。
数据转换是另一种通常用于处理嘈杂数据的技术。这涉及将数据转换为不同的形式或比例,例如对数或指数变换,以使其更适合分析。另一种方法是使用统计方法插补缺失值,这有助于填补数据中的空白并减少缺失信息对分析的影响。
数据约简是数据分析中的一项关键技术,通过变换变量、简化分析过程、提高计算效率、去除冗余或不相关的变量来降低数据集的复杂度。
数据多维数据集聚合可跨多个维度汇总数据,从而提供更高级别的分析视图。该技术通过分析大量数据来帮助快速有效地做出决策。
属性子集选择可减小数据大小,使您能够专注于影响模式和见解的关键因素,从而获得更准确、更高效的分析结果。使用四种方法通过评估其重要性和对整体模式的贡献来确定最相关的分析属性。他们是:
Numerosity Reduction 在不丢失基本信息的情况下减小了数据大小,提高了计算效率并加快了分析过程,尤其是对于大型数据集。
降维减少变量,同时保留相关信息。它对高维数据特别有用,可消除噪声和冗余,从而更好地进行分析。
特征工程在机器学习中既是一门艺术,也是一门科学。它涉及从现有特征创建新特征或转换特征以更好地表示数据中的基础模式。有效的特征工程可以显著提高模型的性能,而糟糕的特征工程可能会阻碍模型的性能。
特征工程是一个创造性的过程,需要对数据和问题有深刻的理解。它涉及实验和迭代,以找到模型最有用的特征。准备好数据并训练模型后,下一个关键步骤是评估和验证监督学习模型。
模型评估和验证可帮助您评估模型的性能,并确保它能够很好地泛化到看不见的数据。适当的评估和验证可帮助您识别模型的任何问题,例如欠拟合或过拟合,并进行必要的调整以提高其性能。
评估和验证监督学习模型对于确保它们在实际场景中按预期执行至关重要。如果没有适当的评估,模型可能无法有效地泛化到看不见的数据,从而导致不准确的预测和潜在的代价高昂的错误。
这就是为什么模型评估和验证是必不可少的:
监督学习中使用了多种评估指标,每种指标都适合不同类型的问题。以下是一些最常见的评估指标:
为了有效地评估和验证监督学习模型,您可以采用各种技术:
交叉验证:交叉验证涉及将数据拆分为多个子集,并在不同子集上训练和测试模型。这有助于评估模型推广到其他数据分区的效果。
学习曲线:学习曲线可视化模型的性能如何随着训练数据大小的增加而变化。他们可以揭示模型是否欠拟合或过拟合。
ROC 曲线和 AUC:受试者工作特征 (ROC) 曲线显示不同分类阈值下真阳性率和假阳性率之间的权衡。曲线下面积 (AUC) 量化二元分类模型的整体性能。
验证集:除了训练集和测试集之外,验证集通常用于微调模型并避免过度拟合。验证集有助于做出有关超参数和模型选择的决策。
通过努力应用这些评估技术和指标,您可以确保您的监督学习模型稳健、准确,并准备好在现实场景中部署。
通过预测分析和预测建模,监督学习使团队能够通过从历史数据中学习来做出数据驱动的决策。
尽管监督学习在各个领域取得了显着的成功,但它也面临着挑战。监督学习的一些关键挑战包括:
展望未来,监督学习领域将继续发展。一些有希望的方向包括: