笔记|李宏毅老师机器学习课程，视频3回归案例研究
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2021-03-27 05:51
《学习笔记》专栏·第3篇
文 | MLer
1922字 | 5分钟阅读
【数据科学与人工智能】开通了机器学习群，大家可以相互学习和交流。请扫描下方二维码，备注：姓名-ML，添加我为好友，诚邀你入群，一起进步。
感谢李宏毅老师的分享，他的课程帮助我更好地学习、理解和应用机器学习。李老师的网站：http://speech.ee.ntu.edu.tw/~tlkagk/index.html。这个学习笔记是根据李老师2017年秋季机器学习课程的视频和讲义做的记录和总结。因为这个视频是在Youtube上面，有些朋友可能无法观看，我把它搬运下来放在云盘上面，大家点击阅读原文，就可以直接在手机随时随地观看了。再次，感谢李老师的付出和贡献。
这门课，共有36个视频，每个视频播放的时间不一。我按着视频播放的顺序，观看，聆听和学习，并结合讲义，做学习笔记。我做学习笔记目的有三：
1 帮助自己学习和理解机器学习
2 记录机器学习的重要知识、方法、原理和思想
3 为传播机器学习做点事情
视频3：回归案例研究
一、回归的应用
李老师在视频1介绍回归任务时，举了一个预测PM2.5值的例子。回归有着广泛地应用，比方说，金融市场的股票价格预估系统、无人驾驶领域的方向盘偏转角度系统、电商领域的用户和商品最佳连接的推荐系统等。
二、回归任务：案例研究
李老师以预测宝可梦进化后的CP（Combat Power）值为例来介绍回归任务，非常地有趣味。
2.1 问题定义
它是一个机器学习问题，属于有监督学习范式场景下的回归任务。
找到一个最佳的function，让它满足下图这个关系。
2.2 问题求解
按着机器学习框架三步骤做解答。
第一步：Model（设计和定义function set）,如下图：
第二步：Goodness of function (定义和度量function的好坏）
采用了损失函数，用于量化函数的好坏程度，它是第一步所设计的函数的函数，即一个复合函数。我们这里采用常用预估误差平方和函数来表示损失函数。大家，可以想一想，为什么使用预估误差平方和函数做损失函数呢？
如下图：
第三步：Best Function (找到适合具体问题的最佳函数)，这是个优化问题，如何解决这个问题？我们可以想到穷举法，但是不现实；若是满足数值优化，我们可以采用数值优化的方法，利用线性代数和微积分的里面知识求解；若是不满足数值优化的方法，我们可以采用逼近的方式解决这个优化问题。不管是数值优化，还是非数值优化，梯度下降算法，都可以用来解决这个优化问题。它的弊端，只能找到局部优化的解，而不能找到全局优化的解。但是，在回归任务中，因为损失函数满足凸函数性质，利用梯度下降法，就是找到全局优化的解。
如下图：
梯度下降算法
帮助我们找到Best Function（参数w和b）
1）随机初始化参数值（思考：如何做初始化，除了随机初始化，还有别的方法吗?）
2) 计算损失函数与参数的梯度，数学里面的偏导，表示陡峭程度，值越大，越陡峭
3）参数的更新逻辑，我们发现梯度为负时，需要增加w的值；反之，需要减少w的值，只有这样，损失函数L才会不断趋向于极小值。w更新时有个超参数：学习速率，大家也可以思考一下，学习速率要怎么设定，有哪些方法可以来做这个事情。
我们可以发现，w的更新与梯度的值和学习速率紧密相关。
例子1：一个参数w的梯度下降算法
例子2：两个参数w和b的梯度下降算法
梯度是什么呢？就是损失函数L对个参数的偏导数值，如下图：
两个参数做梯度下降算法的等高线的可视化
梯度下降算法的局限性
非凸函数，局部优化值
我们利用梯度下降法找到一个最佳的function后，我们会关心和在意它的泛化能力，在测试集（没有参与模型训练的数据集或者新的数据集）上面的表现。根据训练误差和测试误差，redesign一系列模型，并进行对比分析，以找到最好的模型，这个属于模型选择所研究的问题。如下图：
模型在设计和重设计的过程中，会遇到欠拟合和过拟合的现象。前者表示，模型在训练集上表现效果不理想，后者表示模型在训练集上表现效果可以，但是在测试集上面表现效果不佳的现象。
如何解决过拟合问题呢？李老师介绍了正则化技术。
不同正则化系数（惩罚系数）下的模型的训练误差和测试误差，对比分析，以确定最佳的模型。如下图：
李老师，在介绍模型重新设计的时候，谈到了这些做法，总结如下：
1）多项式模型的应用
2）分层构建模型的思想，引入信号处理的标识函数，如下图：
3）多变量模型的应用，探索和挖掘更多的变量。
鉴于这些思想，重构新的模型，如下图：
思考题:
1) 梯度下降算法，初始化问题怎么解决？学习速率怎么设置？梯度下降算法的变体有哪些？
2）如何重新设计模型，有哪些方法？面对多个模型，如何做做选择？
3）过拟合问题如何解决？
4）正则化技术为什么可以缓解过拟合问题？
朋友们，在学习中有什么问题或者想法，请加入机器学习群，大家一起讨论，共同进步。
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