《机器学习》周志华学习笔记——第一章 绪论

1）回归与分类：利用机器学习对离散值进行预测时，称为“分类”，而对连续值进行预测时，称为“回归”。
2）监督学习与无监督学习：根据训练数据是否有标记信息，学习任务可大致分为两大类，“监督学习”与“无监督学习”，分类和回归是前者的代表，聚类则是后者的代表。
机器学习的常用方法，主要分为有监督学习(supervised learning)和无监督学习(unsupervised learning)。监督学习，就是人们常说的分类，通过已有的训练样本（即已知数据以及其对应的输出）去训练得到一个最优模型（这个模型属于某个函数的集合，最优则表示在某个评价准则下是最佳的），再利用这个模型将所有的输入映射为相应的输出，对输出进行简单的判断从而实现分类的目的，也就具有了对未知数据进行分类的能力。在人对事物的认识中，我们从孩子开始就被大人们教授这是鸟啊、那是猪啊、那是房子啊，等等。我们所见到的景物就是输入数据，而大人们对这些景物的判断结果（是房子还是鸟啊）就是相应的输出。当我们见识多了以后，脑子里就慢慢地得到了一些泛化的模型，这就是训练得到的那个（或者那些）函数，从而不需要大人在旁边指点的时候，我们也能分辨的出来哪些是房子，哪些是鸟。监督学习里典型的例子就是KNN、SVM。无监督学习（也有人叫非监督学习，反正都差不多）则是另一种研究的比较多的学习方法，它与监督学习的不同之处，在于我们事先没有任何训练样本，而需要直接对数据进行建模。这听起来似乎有点不可思议，但是在我们自身认识世界的过程中很多处都用到了无监督学习。比如我们去参观一个画展，我们完全对艺术一无所知，但是欣赏完多幅作品之后，我们也能把它们分成不同的派别（比如哪些更朦胧一点，哪些更写实一些，即使我们不知道什么叫做朦胧派，什么叫做写实派，但是至少我们能把他们分为两个类）。无监督学习里典型的例子就是聚类了。聚类的目的在于把相似的东西聚在一起，而我们并不关心这一类是什么。因此，一个聚类算法通常只需要知道如何计算相似度就可以开始工作了。
那么，什么时候应该采用监督学习，什么时候应该采用非监督学习呢？我也是从一次面试的过程中被问到这个问题以后才开始认真地考虑答案。一种非常简单的回答就是从定义入手，如果我们在分类的过程中有训练样本(training data)，则可以考虑用监督学习的方法；如果没有训练样本，则不可能用监督学习的方法。但是事实上，我们在针对一个现实问题进行解答的过程中，即使我们没有现成的训练样本，我们也能够凭借自己的双眼，从待分类的数据中人工标注一些样本，并把他们作为训练样本，这样的话就可以把条件改善，用监督学习的方法来做。当然不得不说的是有时候数据表达的会非常隐蔽，也就是说我们手头的信息不是抽象的形式，而是具体的一大堆数字，这样我们很难凭借人本身对它们简单地进行分类。这个说的好像有点不大明白，举个例子说就是在bag-of-words模型的时候，我们利用k-means的方法聚类从而对数据投影，这时候用k-means就是因为我们当前到手的只有一大堆数据，而且是很高维的，当我们想把他们分为50个类的时候，我们已经无力将每个数据标记说这个数应该是哪个类，那个数又应该是哪个类了。所以说遇到这种情况也只有无监督学习能够帮助我们了。那么这么说来，能不能再深入地问下去，如果有训练样本（或者说如果我们可以获得到一些训练数据的话），监督学习就会比无监督学习更合适呢？（照我们单纯地想，有高人教总比自己领悟来的准，来的快吧！）我觉得一般来说，是这样的，但是这要具体看看训练数据的获取。本人在最近课题的研究中，手动标注了大量的训练样本（当然这些样本基本准确了），而且把样本画在特征空间中发现线性可分性非常好，只是在分类面附近总有一些混淆的数据样本，从而用线性分类器进行分类之后这样样本会被误判。然而，如果用混合高斯模型(GMM)来分的话，这些易混淆的点被正确分类的更多了。对这个现象的一个解释，就是不管是训练样本，还是待聚类的数据，并不是所有数据都是相互独立同分布的。换句话说，数据与数据的分布之间存在联系。在我阅读监督学习的大量材料中，大家都没有对训练数据的这一假设（独立同分布）进行说明，直到我阅读到一本书的提示后才恍然大悟。对于不同的场景，正负样本的分布如果会存在偏移（可能是大的偏移，也可能偏移比较小），这样的话用监督学习的效果可能就不如用非监督学习了。
3）归纳与演绎：前者是从特殊到一般的泛化，后者是从一般到特殊的特化。
4）概念学习：广义的归纳学习大体相当于从样例中学习，而狭义的归纳学习则要求从训练数据中学得概念，因此亦称为“概念学习”或“概念形成”，概念学习中最基本的是布尔概念学习，即对“是”与“不是”这样的可表示为0/1布尔值的目标概念的学习。
5）死记硬背式学习：“记住”训练样本，就是所谓的“机械学习”。
6）版本空间：现实问题中我们常面临很大的假设空间，但学习过程是基于有限样本训练集进行的，因此，可能有多个假设与训练集一致，即存在着一个与训练集一致的“假设集合”，我们称之为“版本空间”。
7）归纳偏好：归纳偏好可看做学习算法自身在一个可能很庞大的假设空间中对假设进行选择的启发式或“价值观”。“Occam’s razor”是一种常用的，自然科学研究中最基本的原则，即“若有多个假设与观察一致，则选最简单的那个”。如果采用这个原则，并且假设我们认为“更平滑”意味着“更简单”，归纳偏好是否与问题本身匹配，大多数时候直接决定了算法能否取得好的性能。
8）没有免费的午餐定理（No Free Lunch Theorem）：无论学习算法 $\sigma 1$ 多聪明，学习算法 $\sigma 2$多笨拙，它们的期望性能竟然相同！
NFL定理有一个重要前提：所有“问题”出现的机会相同，或所有的问题同等重要，实际并非如此
NFL定理也简短论述过程中 $f$ 的均匀分布，而实际情形并非如此。
NFL定理让我们清楚认识到，脱离具体问题，空谈“什么算法更好”毫无意义
9）统计学习：它的代表技术是支持向量机
10）深度学习在思想上并未超越二十世纪八十年代中后期神经网络学习的研究
11）趋势：强化学习，迁移学习