机器学习

缺乏、安全感 2021-10-19 14:58 481阅读 0赞

### 机器学习 ###

*  什么是机器学习？
 *   *  什么是“智能”？
     *  如何让机器具备“智能”？
     *   *  训练阶段
         *  测试阶段
         *  推导阶段

# 什么是机器学习？ #

典型的机器学习问题，如下图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lqbjE5OTU_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
  机器学习模型或算法(Model/Algorithm)会根据观察到的特征值(Feature）进行预测，给出预测结果 或者目标(Prediction/Target)。这就像是一个函数计算过程，对于特定X值(Feature)，算法模型就 像是函数，最终的预测结果是Y值。不难理解，机器学习的核心问题就是如何得到预测函数。

机器学习的最重要本质是从数据中学习，得到预测函数。人类的思考过程以及判断能力本质上也是一种函 数处理。从数据或者经验中学习，对于人类来说是一件再平常不过的事情了。例如人们通过观察太阳照射 物体影子的长短而发明了日晷，从而具备了计时和制定节气的能力。古埃及人通过尼罗河水的涨落发明了 古埃及历法。

如果机器能够像人一样具备从数据中学习的能力，从某种意义上讲，就具备了一定的“智能”。现在需要 回答的两个问题就是： 到底什么是“智能”？ 如何让机器具备智能？

*  什么是“智能”？
 *  如何让机器具备“智能”？

## 什么是“智能”？ ##

在回答这个问题之前，我们先看看传统的编程模式为什么不能称之为“智能”。传统的编程模式如下图所示，它一般要经历如下几个阶段：

*  人类通过观察数据（Data）总结经验，转化成知识（Knowledge）。
 *  人类将知识转化成规则（Rule）。
 *  工程师将规则转化成计算机程序（Program）。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lqbjE5OTU_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
      在这种编程模式下，如果一个问题被规则覆盖，那么计算机程序就能处理。对于规则不能覆盖的问题，只 能由人类来重新思考，制定新规则来解决。所以在这里“智能”角色主要由人类来承担。人类负责解决新问题，所以传统的程序本身不能称之为“智能”。 所以，“智能”的一个核心要素就是“举一反三。

## 如何让机器具备“智能”？ ##

在讨论这个问题之前，可以先回顾一下人类是怎么掌握“举一反三”的能力的？基本流程如下：

*  老师给学生一些题目，指导学生如何解题。学生努力掌握解题思路，尽可能让自己的答案和老师给出的答案一致。
 *  学生需要通过一些考试来证明自己具备“举一反三”的能力。如果通过了这些考试，学生将获得毕业证书或者资格从业证书。
 *  学生变成一个从业者之后将会面临并且处理很多之前没有碰到过的新问题。

机器学习专家从人类的学习过程中获得灵感，通过三个阶段让机器具备“举一反三”的能力。这三个阶段 是：训练阶段（Training）、测试阶段（Testing）、推导阶段（Inference）。下面逐一进行介绍。

### 训练阶段 ###

训练阶段如下图所示：

*  人类给机器学习模型一些训练样本(X,Y)，X代表特征，Y代表目标值。这就好比老师教学生解题，X代表题目，Y 代表标准答案
 *  机器学习模型尝试想出一种方法解题
 *  在训练阶段，机器学习的目标就是让损失函数值最小。类比学生尝试让自己解题的答案和老师给的标准答案差别最 小，思路如出一辙  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lqbjE5OTU_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

### 测试阶段 ###

测试阶段如下图所示：

*  人类给训练好的模型一批完全不同的测试样本（X，Y）。这就好比学生拿到考试试卷。
 *  模型进行推导。这个过程就像学生正在考试答题。
 *  人类要求测试样本的总损失函数值低于设定的最低目标值。这就像学校要求学生的考试成绩必须及格一样。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lqbjE5OTU_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

### 推导阶段 ###

推导阶段如下图所示：  
  在这个阶段机器学习模型只能拿到特征值X，而没有目标值。这就像工作中，人们只是在解决一个个的问题，但不知道正确的结果到底是什么。 在推导阶段，机器学习的目标就是预测，给出目标值  
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