對機(jī)器學(xué)習(xí)的理解和用Python實(shí)現(xiàn)的機(jī)器學(xué)習(xí)樣例分析

本書節(jié)選自圖書，Python本身帶有許多機(jī)器學(xué)習(xí)的第三方庫，但本書在絕大多數(shù)情況下只會(huì)用到Numpy這個(gè)基礎(chǔ)的科學(xué)計(jì)算庫來進(jìn)行算法代碼的實(shí)現(xiàn)。這樣做的目的是希望讀者能夠從實(shí)現(xiàn)的過程中更好地理解機(jī)器學(xué)習(xí)算法的細(xì)節(jié)，以及了解Numpy的各種應(yīng)用。不過作為補(bǔ)充，本書會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候應(yīng)用scikit-learn這個(gè)成熟的第三方庫中的模型。

“機(jī)器學(xué)習(xí)”在最近雖可能不至于到人盡皆知的程度，卻也是非?；馃岬脑~匯。機(jī)器學(xué)習(xí)是英文單詞“Machine Learning”（簡稱ML）的直譯，從字面上便說明了這門技術(shù)是讓機(jī)器進(jìn)行“學(xué)習(xí)”的技術(shù)。然而我們知道機(jī)器終究是死的，所謂的“學(xué)習(xí)”歸根結(jié)底亦只是人類“賦予”機(jī)器的一系列運(yùn)算。這個(gè)“賦予”的過程可以有很多種實(shí)現(xiàn)，而Python正是其中相對容易上手、同時(shí)性能又相當(dāng)不錯(cuò)的一門語言。本文打算先談?wù)剻C(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)的一些比較寬泛的知識，再介紹并說明為何要使用Python來作為機(jī)器學(xué)習(xí)的工具。最后，我們會(huì)提供一個(gè)簡短易懂的、具有實(shí)際意義的例子來給大家提供一個(gè)直觀的感受。

具體而言，本章主要涉及的知識點(diǎn)有：

機(jī)器學(xué)習(xí)的定義及重要性；

Python在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的優(yōu)異性；

如何在電腦上配置Python機(jī)器學(xué)習(xí)的環(huán)境；

機(jī)器學(xué)習(xí)一般性的步驟。

機(jī)器學(xué)習(xí)緒論
正如前言所說，由于近期的各種最新成果，使得“機(jī)器學(xué)習(xí)”成為了非常熱門的詞匯。機(jī)器學(xué)習(xí)在各種領(lǐng)域的優(yōu)異表現(xiàn)（圍棋界的Master是其中最具代表性的存在），使得各行各業(yè)的人們都或多或少地對機(jī)器學(xué)習(xí)產(chǎn)生了興趣與敬畏。然而與此同時(shí)，對機(jī)器學(xué)習(xí)有所誤解的群體也日益壯大；他們或?qū)C(jī)器學(xué)習(xí)想得過于神秘，或?qū)⑺氲眠^于萬能。本節(jié)擬對機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行一般性的介紹，同時(shí)會(huì)說明機(jī)器學(xué)習(xí)中一些常見的術(shù)語以方便之后章節(jié)的敘述。

什么是機(jī)器學(xué)習(xí)

清晨的一句“今天天氣真好”、朋友之間的寒暄“你剛剛是去吃飯了吧”、考試過后的感嘆“復(fù)習(xí)了那么久終有收獲”……這些日常生活中隨處可見的話語，其背后卻已蘊(yùn)含了“學(xué)習(xí)”的思想—它們都是利用以往的經(jīng)驗(yàn)、對未知的新情況作出的有效的決策。而把這個(gè)決策的過程交給計(jì)算機(jī)來做，可以說就是“機(jī)器學(xué)習(xí)”的一個(gè)最淺白的定義。

我們或許可以先說說機(jī)器學(xué)習(xí)與以往的計(jì)算機(jī)工作樣式有什么不同。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)如果想要得到某個(gè)結(jié)果，需要人類賦予它一串實(shí)打?qū)嵉闹噶睿缓笥?jì)算機(jī)就根據(jù)這串指令一步步地執(zhí)行下去。這個(gè)過程中的因果關(guān)系非常明確，只要人類的理解不出偏差，運(yùn)行結(jié)果是可以準(zhǔn)確預(yù)測的。但是在機(jī)器學(xué)習(xí)中，這一傳統(tǒng)樣式被打破了：計(jì)算機(jī)確實(shí)仍然需要人類賦予它一串指令，但這串指令往往不能直接得到結(jié)果；相反，它是一串賦予了機(jī)器“學(xué)習(xí)能力”的指令。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算機(jī)需要進(jìn)一步地接受“數(shù)據(jù)”，并根據(jù)之前人類賦予它的“學(xué)習(xí)能力”，從中“學(xué)習(xí)”出最終的結(jié)果。這個(gè)結(jié)果往往是無法僅僅通過直接編程得出的。因此這里就導(dǎo)出了稍微深一點(diǎn)的機(jī)器學(xué)習(xí)的定義：它是一種讓計(jì)算機(jī)利用數(shù)據(jù)而非指令來進(jìn)行各種工作的方法。在這背后，最關(guān)鍵的就是“統(tǒng)計(jì)”的思想，它所推崇的“相關(guān)而非因果”的概念是機(jī)器學(xué)習(xí)的理論根基。在此基礎(chǔ)上，機(jī)器學(xué)習(xí)可以說是計(jì)算機(jī)使用輸入給它的數(shù)據(jù)，利用人類賦予它的算法得到某種模型的過程，其最終的目的則是使用該模型，預(yù)測未來未知數(shù)據(jù)的信息。

既然提到了統(tǒng)計(jì)，那么一定的數(shù)學(xué)理論就不可或缺。相關(guān)的、比較簡短的定義會(huì)在第4章給出（PAC框架），這里我們就先只敘述機(jī)器學(xué)習(xí)在統(tǒng)計(jì)理論下的、比較深刻的本質(zhì)：它追求的是合理的假設(shè)空間（Hypothesis Space）的選取和模型的泛化（Generalization）能力。該句中出現(xiàn)了一些專用術(shù)語，詳細(xì)的定義會(huì)在介紹術(shù)語時(shí)提及，這里我們提供一個(gè)直觀的理解：

所謂的假設(shè)空間，就是我們的模型在數(shù)學(xué)上的“適用場合”。

所謂的泛化能力，就是我們的模型在未知數(shù)據(jù)上的表現(xiàn)。

注意：上述本質(zhì)上嚴(yán)格來說，應(yīng)該是PAC Learning的本質(zhì)；在其余的理論框架下，機(jī)器學(xué)習(xí)是可以具有不同的內(nèi)核的。

從上面的討論可以看出，機(jī)器學(xué)習(xí)和人類思考的過程有或多或少的類似。事實(shí)上，我們在第6、第7章講的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Neural Network，NN）和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network，CNN）背后確實(shí)有著相應(yīng)的神經(jīng)科學(xué)的理論背景。然而與此同時(shí)需要知道的是，機(jī)器學(xué)習(xí)并非是一個(gè)“會(huì)學(xué)習(xí)的機(jī)器人”和“具有學(xué)習(xí)能力的人造人”之類的，這一點(diǎn)從上面諸多討論也可以明晰（慚愧的是，筆者在第一次聽到“機(jī)器學(xué)習(xí)”四個(gè)字時(shí)，腦海中浮現(xiàn)的正是一個(gè)“聰明的機(jī)器人”的圖像，甚至還幻想過它和人類一起生活的場景）。相反的，它是被人類利用的、用于發(fā)掘數(shù)據(jù)背后信息的工具。