机器学习导论
机器学习导论 第1章 机器学习概述

第1章 机器学习概述
1.1 机器学习的概念与基本术语 1.2 人工智能、机器学习、深度学习三者之间的关系 1.3 机器学习的三个基本要素 1.4 机器学习模型的分类 1.5 数据预处理 1.6 模型选择与评估
1.5 数据预处理
数据清洗(Data Cleaning)
缺失数据的处理 离群点数据的处理 冗余、重复数据的处理
1.6 模型选择与评估
数据清洗(Data Cleaning)
缺失数据的处理 离群点数据的处理 冗余、重复数据的处理
数据类型转换 构建新的变量——哑变量(Dummy Variable) 特征数据的归一化
线性归一化或最小-最大归一化(Min-Max Normalization ) 零均值归一化(Z-score Normalization)
1.6 模型选择与评估
1.6.1 数据集的划分
训练集(Training Set) 测试集(Test Set) 验证集(Validation Set)
1.6 模型选择与评估
1.6.2 模型选择与交叉验证法
简单交叉验证 K-折交叉验证 留一交叉验证 留K交叉验证
1.6 模型选择与评估
1.6.2 模型选择与交叉验证法
图1-6 10-折交叉验证示意图
1.6 模型选择与评估
1.6.3 模型的性能度量
分类模型的评价指标
混淆矩阵(Confusion Matrix) 分类准确率(Accuracy) 错误率(Error Rate) 查准率(Precision) 查全率(Recall) P-R曲线 F1-值(F1-Score) 受试者工作特征(Receiver Operating Characteristic,ROC)曲线 ROC 曲线下面积(Area Under the ROC Curve,AUC)
机器学习导论IntroductiontoMachineLearning

聚类(Clustering)
• 聚类是密度估计的一种方法,其目标是发 现输入数据的簇或者分组。
– 公司的客户数据 – 了解客户的分布 – 分组指导公司的决策
生物信息学(Bioinformatics)的应用
• 生物方面
– 基因, DNA是碱基A C G T 的序列,RNA有DNA转录而 来,蛋白质由RNA转录而来。 – DNA是碱基序列,蛋白质是氨基酸序列。
什么是机器学习?
• 机器学习?
– 从历史数据中,发现某些模式或规律(描述) – 利用发现的模式和规律进行预测
• 机器学习的定义
– 基于历史经验的,描述和预测的理论、方法和算法。
• 机器学习可行性的保证
– 将来,至少是不远的将来,情况不会与收集的样本数 据时有很大的不同,因此未来的预测也将有望是正确 的。
• 应用举例
机器学习能做什么?
• 机器学习也是人工智能的组成部分。 • 授予鱼不如授予渔
– 为了智能化,处于变化环境中的系统不需具备 学习能力。如果系统能够学习并且适应这些变 化,那么系统设计者就不必预见所有情况,并 为它们提供解决方案了。
机器学习能做什么?
• 机器学习还可以解决视觉、语音识别以及机器人 方面的许多问题。 • 模式识别
• 我们已经掌握的,就是历史的数据(经 验)。 • 我们期望从数据中提取出这些问题或相似 问题的答案。
Байду номын сангаас
什么是机器学习?
• 已经观测到的数据产生是随机的么?其中 是否隐含一些规律?
– 当你去超市买面包的时候,你是不是同时也会 买点牛奶? – 夏天的时候你是不是经常买雪糕?冬天则很少?
• 数据中存在一些确定的模式或规律!
回归(Regression)
机器学习教案

机器学习教案一、教案概述机器学习是近年来兴起的一门重要学科,它探索如何使计算机系统能够从数据中学习并自动改进性能。
本教案旨在引导学生系统地学习机器学习的基本概念、算法和应用,并培养学生的创新思维和问题解决能力。
二、教学目标1. 理解机器学习的基本概念和原理;2. 掌握机器学习中常用的算法和技术;3. 能够应用机器学习算法解决实际问题;4. 培养学生的数据分析和模型构建能力;5. 培养学生的团队合作和创新精神。
三、教学内容1. 机器学习导论1.1 机器学习的定义和分类1.2 机器学习的发展历程1.3 机器学习的应用领域2. 监督学习和无监督学习2.1 监督学习的原理和方法2.2 无监督学习的原理和方法2.3 监督学习与无监督学习的比较3. 常用机器学习算法3.1 决策树算法3.2 朴素贝叶斯算法3.3 支持向量机算法3.4 神经网络算法3.5 集成学习算法4. 机器学习模型评估与优化4.1 模型评估指标4.2 过拟合与欠拟合4.3 模型优化技术5. 深度学习与人工智能5.1 深度学习的概念和应用5.2 卷积神经网络与图像识别5.3 递归神经网络与自然语言处理5.4 强化学习与智能决策6. 机器学习实践案例6.1 电商推荐系统6.2 医疗诊断辅助6.3 金融风控与欺诈检测6.4 智能交通与无人驾驶四、教学方法1. 理论讲解与案例分析相结合,激发学生的兴趣和思考;2. 实践操作与项目实战相结合,培养学生的实际应用能力;3. 学生个人学习与团队合作相结合,提升学生的综合能力;4. 提供开放式的学习资源和平台,鼓励学生的创新实践。
五、教学评估1. 平时作业:对学生的学习情况进行跟踪和检查;2. 课堂讨论:组织学生进行主题讨论和思考;3. 实验报告:要求学生完成机器学习实践案例并撰写实验报告;4. 期末考试:考核学生对机器学习理论和应用的理解和掌握程度。
六、教学资源1. 教材:《机器学习导论》;2. 参考书:《机器学习实战》、《Python机器学习基础教程》等;3. 网络资源:机器学习相关的开放教育资源和学术论文。
周志华 机器学习 Chap01绪论

例如:古文献修复 (文化)
以色列特拉维夫大学的学者将机器学习用于自动的书页拼接
已确定 相邻
已确定 不相邻
分类模型
判断 是否相邻
相邻 专家确认
在Cairo Genizah测试数据上,系统的自动判断精度超过 93% 新完成约 1,000 篇Cairo Genizah文章的拼接 (对比:过去整个世纪,数百人类专家只完成了几千篇文章拼接)
自动鉴定
分类模型 待鉴定画作
特有“笔迹”
真迹 + 赝品
Kröller Müller美术馆与Cornell等大学的学者对82幅梵高真迹和6幅赝品进
行分析,自动鉴别精度达 95%
[C. Johnson et al., IEEE-SP, 2008]
Dartmouth学院、巴黎高师的学者对8幅勃鲁盖尔真迹和5幅赝品进行分析,
查询 PubMed 以获取 候选摘要
人工找出值得全文审读 的文章
[C. Brodley et al., AI Magazine 2012]
“文献筛选”的故事
在一项关于婴儿和儿童残疾的研 究中,美国Tufts医学中心筛选 了约 33,000 篇摘要
尽 管 Tufts医 学 中 心 的 专 家 效 率
Cairo Genizah - 19世纪末被发现 - 超过300,000个片段 - 散布于全球多家博物馆
高水平专家的大量精力 被用于古文献修复
[L. Wolf et al., IJCV 2011]
例如:古文献修复 (文化) 一个重要问题:
原书籍已经变成分散且混杂的多个书页,如何拼接相邻的书页?
周志华 机器学习ppt Chap01绪论

该工作对专业知识要求极高
- 具有较高的绘画艺术修养 - 掌握画家的特定绘画习惯
只有少数专家花费很大精力 才能完成分析工作!
很难同时掌握不同时期、不同流派多位画家的绘画风格!
[C. Johnson et al., IEEE-SP, 2008]
例如:画作鉴别 (艺术)
为了降低分析成本, 机器学习技术被引入
很高,对每篇摘要只需 30 秒钟,
但该工作仍花费了 250 小时
每项新的研究都要重复
这个麻烦的过程!
需筛选的文章数在不断显著增长!
“文献筛选”的故事
为了降低昂贵的成本, Tufts医学中心引入了机器学习技术
邀请专家阅读少量摘要, 标记为“有关”或 “无关”
对是否“有关” 进行预测
分类模型
人类专家只需阅读 50 篇摘要,系统的自动筛选精度就达到 93% 人类专家阅读 1,000 篇摘要,则系统的自动筛选敏感度达到 95% (人类专家以前需阅读 33,000 篇摘要才能获得此效果)
自动鉴定
分类模型 待鉴定画作
特有“笔迹”
真迹 + 赝品
Kröller Müller美术馆与Cornell等大学的学者对82幅梵高真迹和6幅赝品进
行分析,自动鉴别精度达 95%
[C. Johnson et al., IEEE-SP, 2008]
Dartmouth学院、巴黎高师的学者对8幅勃鲁盖尔真迹和5幅赝品进行分析,
浊响
浊响
应该采用哪一个 模型(假设)?
归纳偏好 (inductive bias)
机器学习算法在学习过程中对某种类型假设的偏好
A更好? B更好?
一般原则: 奥卡姆剃刀
(Ocam’s razor)
机器学习导论 第4章 支持向量机

4.1 统计学习理论基础
学习过程的数学研究 F. Rosenblatt于1958,1962年把感知器作为一个学习 机器模型
统计学习理论的开始 Novikoff适定问题的正则化原则的发现 Tikhonov(1963), Ivanov(1962), Phillips(1962)
4.1 统计学习理论基础
机器学习 主要研究从采集样本出发得出目前尚不能通过原理分 析得到的规律,并利用这些规律对未来数据或无法观 测的数据进行预测。
模式识别 对表征事务或现象的各种形式(数值、文字及逻辑关系 等)信息进行处理和分析,以对事务或现象进行描述、 辨认、分类和解释的过程。
4.1 统计学习理论基础
第4章 支持向量机
本章学习目标
了解经验风险最小化和结构风险最小化的含义以及它们之间 的区别。
理解“支持向量”的概念以及最大化间隔的基本思想。 掌握支持向量机(SVM)的基本原理。 熟悉核函数的作用以及核方法的原理。 熟悉支持向量机(SVM)的特点及应用场合。
第4章 支持向量机
4.1 统计学习理论基础 4.2 支持向量机的基本原理和特点 4.3 线性SVM 4.4 基于核函数的非线性SVM 4.5 多分类SVM 4.6 支持向量机的训练
传统的机器学习理论基础——统计学
缺点:统计学研究的是样本数目趋于无穷大时的渐近理论 实际问题:样本有限(小样本)
统计学习理论
对小样本统计估计和预测学习的最佳理论
【注意】:这里所说的“小样本”是相对于无穷样本而言的,故 只要样本数不是无穷,都可称为小样本,更严格地说,应该称为 “有限样本”。
密度估计是统计学中的一个全能问题,即知道了密度就可以解决 各 种 问 题 。 一 般 地 , 估 计 密 度 是 一 个 不 适 定 问 题 ( ill-posed problem),需要大量观测才能较好地解决。
机器学习导论

机器学习导论•目录:•第1章机器学习概述••1.1什么是机器学习••1.2机器学习的分类••1.2.1基本分类••1.2.2监督学习及其功能分类••1.3构建机器学习系统••1.3.1机器学习的基本元素••1.3.2机器学习的一些基本概念••1.3.3机器学习模型的性能评估••1.4通过简单示例理解机器学习••1.4.1一个简单的回归示例••1.4.2一个简单的分类示例••1.5训练、验证与测试••1.6深度学习简介•1.7本章小结••习题••第2章统计与优化基础••2.1概率基础••2.1.1离散随机变量••2.1.2连续随机变量••2.1.3随机变量的基本特征••2.1.4随机特征的蒙特卡洛逼近••2.2概率实例••2.2.1离散随机变量示例••2.2.2高斯分布••2.2.3指数族••2.2.4混合高斯过程••2.2.5马尔可夫过程••2.3似然估计•2.4贝叶斯估计——后验估计••2.5随机变量的熵特征••2.5.1熵的定义和基本性质••2.5.2KL散度、互信息和负熵••2.6非参数方法••2.7优化技术概述••2.7.1基本优化算法••2.7.2拉格朗日方法••2.8本章小结••习题••第3章贝叶斯决策••3.1机器学习中的决策••3.2分类的决策••3.2.1加权错误率准则••3.2.2拒绝判决•3.3回归的决策••3.4高斯情况下的分类决策••3.4.1相同协方差矩阵情况的二分类••3.4.2不同协方差矩阵情况的二分类••3.4.3多分类情况••3.5KNN方法••*3.6概率图模型概述••3.6.1贝叶斯网络••3.6.2无向图模型••3.6.3图模型的学习与推断••3.7本章小结••习题••第4章基本回归算法••4.1线性回归••4.1.1基本线性回归•4.1.2线性回归的递推学习••4.1.3正则化线性回归••4.1.4多输出线性回归••*4.2稀疏线性回归Lasso••4.2.1Lasso的循环坐标下降算法••4.2.2Lasso的LAR算法••4.3线性基函数回归••*4.4奇异值分解••4.5回归学习的误差分解••4.6本章小结••习题••第5章基本分类学习••5.1基本分类问题••5.2线性判别函数模型••5.2.1Fisher线性判别分析•*5.2.2感知机••5.3逻辑回归••5.3.1二分类问题的逻辑回归••5.3.2多分类问题的逻辑回归••5.4朴素贝叶斯方法••*5.5机器学习理论简介••5.5.1假设空间有限时的泛化误差界••5.5.2假设空间无限时的泛化误差界••5.6本章小结••习题••第6章支持向量机与核函数方法••6.1线性支持向量机••6.1.1不等式约束的优化••6.1.2线性可分情况的SVM••6.1.3不可分情况的SVM•6.1.4合页损失函数••6.1.5SVM用于多分类问题••6.2非线性支持向量机••6.2.1SVM分类算法小结••*6.2.2SMO算法••6.3支持向量回归••*6.4核函数方法••6.5本章小结••习题••第7章决策树••7.1基本决策树算法••7.1.1决策树的基本结构••7.1.2信息增益和ID3算法••7.1.3信息增益率和C4.5算法••7.2CART算法•7.2.1分类树••7.2.2回归树••7.3决策树的一些实际问题••7.3.1连续数值变量••7.3.2正则化和剪枝技术••7.3.3缺失属性的训练样本问题••7.4本章小结••习题••第8章集成学习••8.1Bagging和随机森林••8.1.1自助采样和Bagging算法••8.1.2随机森林算法••8.2提升和AdaBoost算法••8.2.1AdaBoost算法介绍••*8.2.2AdaBoost算法分析•8.3提升树算法••8.3.1加法模型和提升树••8.3.2梯度提升树••8.4本章小结••习题••第9章神经网络与深度学习之一:基础••9.1神经网络的基本结构••9.1.1神经元结构••9.1.2多层神经网络解决异或问题••9.1.3多层感知机••9.1.4神经网络的逼近定理••9.2神经网络的目标函数和优化••9.2.1神经网络的目标函数••9.2.2神经网络的优化••9.3误差反向传播算法•9.3.1反向传播算法的推导••9.3.2反向传播算法的向量形式••9.3.3反向传播算法的扩展••9.4神经网络学习中的一些问题••9.4.1初始化••9.4.2正则化••9.4.3几类等价正则化技术••9.5本章小结••习题••第10章神经网络与深度学习之二:结构••10.1卷积神经网络••10.1.1卷积运算及其物理意义••10.1.2基本CNN的结构••10.1.3CNN的参数学习••*10.1.4卷积的一些扩展结构•*10.1.5CNN示例介绍••10.2循环神经网络••10.2.1基本RNN••10.2.2RNN的计算和训练••*10.2.3长短期记忆模型••*10.2.4门控循环单元••10.3本章小结••习题••第11章神经网络与深度学习之三:技术和应用••11.1深度学习中的优化算法••11.1.1小批量SGD算法••11.1.2动量SGD算法••11.1.3自适应学习率算法••11.2深度学习训练的正则化技术••11.2.1Dropout技术•11.2.2批归一化••*11.2.3层归一化••*11.3对抗训练••*11.4自编码器••11.4.1自编码器的基本结构••11.4.2自编码器的一些扩展••*11.5生成对抗网络••*11.6注意力机制和Transformer ••11.6.1注意力机制••11.6.2序列到序列模型••11.6.3Transformer••11.7本章小结••第12章聚类和EM算法••12.1聚类算法••12.1.1K均值聚类算法•12.1.2DBSCAN聚类算法••12.1.3其他度量和聚类算法••12.2EM算法••12.2.1EM算法的隐变量形式••12.2.2独立同分布情况••*12.2.3EM算法扩展到MAP估计••*12.2.4通过KL散度对EM算法的解释••12.3基于EM算法的高斯混合模型参数估计••12.3.1GMM参数估计••12.3.2GMM的软聚类••12.4本章小结••习题••第13章降维和连续隐变量学习••13.1主分量分析••13.1.1主分量分析原理•13.1.2广义Hebb算法••*13.2样本向量的白化和正交化••13.2.1样本向量的白化••13.2.2向量集的正交化••*13.3独立分量分析••13.3.1独立分量分析的原理和目标函数••13.3.2不动点算法Fast ICA••13.3.3自然梯度算法••13.3.4仿真实验举例••13.4本章小结••习题••第14章强化学习之一:经典方法••14.1强化学习的基本问题••14.2马尔可夫决策过程••14.2.1MDP的定义•14.2.2贝尔曼方程••14.2.3策略••14.2.4强化学习的类型••14.2.5探索与利用••14.3动态规划••14.3.1策略迭代方法••14.3.2值函数迭代方法••14.4强化学习的蒙特卡洛方法••14.4.1MC部分策略评估••14.4.2MC策略改进••14.4.3在轨策略和离轨策略••14.5强化学习的时序差分方法••14.5.1基本时序差分学习和Sarsa算法••14.5.2离轨策略和Q学习••14.5.3DP、MC和TD算法的简单比较•*14.5.4多步时序差分学习和资格迹算法••*14.6多臂赌博机••14.7本章小结••习题••第15章强化学习之二:深度强化学习••15.1强化学习的值函数逼近••15.1.1基本线性值函数逼近••*15.1.2线性值函数逼近的小二乘策略迭代算法••15.1.3深度Q网络••15.2策略梯度方法••15.2.1MC策略梯度算法Reinforce••15.2.2行动器评判器方法••*15.3连续动作确定性策略梯度方法••15.3.1DPG算法••15.3.2DDPG算法•15.3.3连续动作DRL的一些进展概述••15.4本章小结••习题••附录A课程的实践型作业实例••A.1第1次实践作业••A.2第2次实践作业••A.3第3次实践作业••附录B函数对向量和矩阵的求导••术语表••参考文献。
机器学习算法导论期末考试题

机器学习算法导论期末考试题
1、给人脸打上标签再让模型进行学习训练的方法,属于( )
A.强化学习
B.半监督学习
C.监督学习
D.无监督学习
正确答案: C
2.机器学习进行的第一步是( )
A.数据收集
B.特征提取
C.交叉验证
D.模型训练
正确答案: B
3、一般来说,在机器学习中,用计算机处理一幅的图像,维度是( )
A.上万维
B.二维
C.三维
D.一维
正确答案: A
4、在讲解“没有免费午餐定理”的时候,我们假设以上每一种情况出现的概率相同,请问这样的假设是基于如”下哪种经验?( )
A.实践经验
B.无经验
C.常识经验
D.学习经验
正确答案: B
二、多选题
1、在本课程中,我们把机器学习分成了哪几类?( )
A.自监督学习
B.传统监督学习
C.无监督学习
D.半监督学习
正确答案:B、C、D
2、以下哪些算法是非显著式编程?( )
A.编程实现扫地机器人的路径规划
B.编程判断医疗CT片中的病变区域
C.编程统计一个地区的GDP
D.编程求解棋盘上的八皇后问题
正确答案:A. B
3、下面哪几种机器学习的分类,完全不需要人工标注数据?( )
A.半监督学习
B.强化学习
C.无监督学习
D.监督学习
正确答案:B. C。
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the prediction of a new sample x by D, i.e., y (x|D) or P (x|D)
Mingmin Chi (Fudan Univ.)
Intro to ML
Lecture for ML
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Learning Machine
Function Approximation
If exists a mapping between inputs x and outputs y , the prediction can be obtained by function approximation, i.e., y := f (x, w) What’s the form of f ? How to estimate w?
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Lecture for ML
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Learning Machine
Definition
Machine Learning: is the field of study that gives computers the ability to learn without being explicitly programmed. [Samuel, 1959] is a science of the artificial. The field’s main objects of study are artifacts, specifically algorithms that improve their performance with experience. [Langley, 1996] is the study of computer algorithms that improve automatically through experience. [Mitchell, 1997] is programming computers to optimize a performance criterion using example data or past experience. [Alpaydin, 2004] is a scientific discipline that is concerned with the design and development of algorithms that allow computers to evolve behaviors based on empirical data, such as from sensor data or databases. [Wikipedia, 2010]
Introduction
Mingmin Chi
Fudan University, Shanghai, China
Mingmin Chi (Fudan Univ.)
Intro to ML
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Outline
1
Learning Machine Setting of Learning Problem Decision Theory Other related issue
Mingmin Chi (Fudan Univ.)
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Lecture for ML
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Learning Machine
Learning ... What?
rules functions behaviors abilities knowledge ...
Mingmin Chi (Fudan Univ.)
- One standard formulation of the supervised learning task is the classification problem: the learner is required to learn (to approximate) the behavior of a function which maps a vector xi ∈ RD into one of several classes by looking at several input-output examples of the function
Learning Types
Imagine a machine which experiences a series of sensory inputs: xi , i = 1, · · · , n Supervised learning: in which the algorithm generates a function that maps inputs xi to desired outputs yi .
Mingmin Chi (Fudan Univ.)
Intro to ML
Lecture for ML
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Learning Machine
Typical Learning Diagram
Mingmin Chi (Fudan Univ.)
Intro to ML
Lecture for ML
13 / 35
Mingmin Chi (Fudan Univ.)
Intro to ML
Lecture for ML
6 / 35
Learning Machine
Examples?
Mingmin Chi (Fudan Univ.)
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Lecture for ML
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Learning Machine
Mingmin Chi (Fudan Univ.) Intro to ML Lecture for ML 14 / 35
Learning Machine
Inference Types
Inductive Learning (specific-to-general): Learning is a problem of function estimation on the basis of empirical data. [Vapnik pp. 291]
Learning Machine
Learning Types (cont’d)
Imagine a machine which experiences a series of sensory inputs: xi , i = 1, · · · , n Unsupervised learning: is to build a model of xi that can be used for reasoning, decision making, predicting things, communicating etc. Labeled examples are not available. Semi-supervised learning: which combines both labeled and unlabeled examples to generate an appropriate function or classifier Reinforcement learning: in which the algorithm learns a policy of how to act given an observation of the world. Every action ai has some impact in the environment, and the environment provides feedback (rewards or punishments) that guides the learning algorithm. Its goal is to learn to act in a way that maximizes rewards in the long term
Mingmin Chi (Fudan Univ.)
Intro to ML
Lecture for ML
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Learning Machine
Supervised Learning
Components for learning in common a set of variables –> inputs x, which are measured or preset one or more outputs (responses) y the goal is to use the inputs to predict the values of the outputs x−> y Supervised learning
Mingmin Chi (Fudan Univ.)
Intro to ML
Lecture for ML
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Learning Machine
Inference Types
Inductive Learning (specific-to-general): Learning is a problem of function estimation on the basis of empirical data. [Vapnik pp. 291] Transductive Learning (specific-to-specific): To estimate the values of the function for a given finite number of samples of interest. [Vapnik pp. 292]
2
3
4
Mingmin Chi (Fudan Univ.)
Intro to ML