作者 | 小小挖掘機(jī)

來(lái)源 | SIGAI

數(shù)學(xué)

1.列舉常用的最優(yōu)化方法

梯度下降法

牛頓法，

擬牛頓法

坐標(biāo)下降法

梯度下降法的改進(jìn)型如AdaDelta，AdaGrad，Adam，NAG等。

2.梯度下降法的關(guān)鍵點(diǎn)

梯度下降法沿著梯度的反方向進(jìn)行搜索，利用了函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)信息。梯度下降法的迭代公式為：

根據(jù)函數(shù)的一階泰勒展開(kāi)，在負(fù)梯度方向，函數(shù)值是下降的。只要學(xué)習(xí)率設(shè)置的足夠小，并且沒(méi)有到達(dá)梯度為0的點(diǎn)處，每次迭代時(shí)函數(shù)值一定會(huì)下降。需要設(shè)置學(xué)習(xí)率為一個(gè)非常小的正數(shù)的原因是要保證迭代之后的xk+1位于迭代之前的值xk的鄰域內(nèi)，從而可以忽略泰勒展開(kāi)中的高次項(xiàng)，保證迭代時(shí)函數(shù)值下降。

梯度下降法只能保證找到梯度為0的點(diǎn)，不能保證找到極小值點(diǎn)。迭代終止的判定依據(jù)是梯度值充分接近于0，或者達(dá)到最大指定迭代次數(shù)。

梯度下降法在機(jī)器學(xué)習(xí)中應(yīng)用廣泛，尤其是在深度學(xué)習(xí)中。AdaDelta，AdaGrad，Adam，NAG等改進(jìn)的梯度下降法都是用梯度構(gòu)造更新項(xiàng)，區(qū)別在于更新項(xiàng)的構(gòu)造方式不同。

3.牛頓法的關(guān)鍵點(diǎn)

牛頓法利用了函數(shù)的一階和二階導(dǎo)數(shù)信息，直接尋找梯度為0的點(diǎn)。牛頓法的迭代公式為：

其中H為Hessian矩陣，g為梯度向量。牛頓法不能保證每次迭代時(shí)函數(shù)值下降，也不能保證收斂到極小值點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，也需要設(shè)置學(xué)習(xí)率，原因和梯度下降法相同，是為了能夠忽略泰勒展開(kāi)中的高階項(xiàng)。學(xué)習(xí)率的設(shè)置通常采用直線(xiàn)搜索（line search）技術(shù)。

在實(shí)現(xiàn)時(shí)，一般不直接求Hessian矩陣的逆矩陣，而是求解下面的線(xiàn)性方程組：

其解d稱(chēng)為牛頓方向。迭代終止的判定依據(jù)是梯度值充分接近于0，或者達(dá)到最大指定迭代次數(shù)。

牛頓法比梯度下降法有更快的收斂速度，但每次迭代時(shí)需要計(jì)算Hessian矩陣，并求解一個(gè)線(xiàn)性方程組，運(yùn)算量大。另外，如果Hessian矩陣不可逆，則這種方法失效。

4.拉格朗日乘數(shù)法

拉格朗日乘數(shù)法是一個(gè)理論結(jié)果，用于求解帶有等式約束的函數(shù)極值。對(duì)于如下問(wèn)題：

構(gòu)造拉格朗日乘子函數(shù)：

在最優(yōu)點(diǎn)處對(duì)x和乘子變量的導(dǎo)數(shù)都必須為0：

解這個(gè)方程即可得到最優(yōu)解。對(duì)拉格朗日乘數(shù)法更詳細(xì)的講解可以閱讀任何一本高等數(shù)學(xué)教材。機(jī)器學(xué)習(xí)中用到拉格朗日乘數(shù)法的地方有：

主成分分析

線(xiàn)性判別分析

流形學(xué)習(xí)中的拉普拉斯特征映射

隱馬爾科夫模型

5.凸優(yōu)化

數(shù)值優(yōu)化算法面臨兩個(gè)方面的問(wèn)題：局部極值，鞍點(diǎn)。前者是梯度為0的點(diǎn)，也是極值點(diǎn)，但不是全局極小值；后者連局部極值都不是，在鞍點(diǎn)處Hessian矩陣不定，即既非正定，也非負(fù)定。

凸優(yōu)化通過(guò)對(duì)目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化變量的可行域進(jìn)行限定，可以保證不會(huì)遇到上面兩個(gè)問(wèn)題。凸優(yōu)化是一類(lèi)特殊的優(yōu)化問(wèn)題，它要求：

優(yōu)化變量的可行域是一個(gè)凸集

目標(biāo)函數(shù)是一個(gè)凸函數(shù)

凸優(yōu)化最好的一個(gè)性質(zhì)是：所有局部最優(yōu)解一定是全局最優(yōu)解。機(jī)器學(xué)習(xí)中典型的凸優(yōu)化問(wèn)題有：

線(xiàn)性回歸

嶺回歸

LASSO回歸

Logistic回歸

支持向量機(jī)

Softamx回歸

6.拉格朗日對(duì)偶

對(duì)偶是最優(yōu)化方法里的一種方法，它將一個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)換成另外一個(gè)問(wèn)題，二者是等價(jià)的。拉格朗日對(duì)偶是其中的典型例子。對(duì)于如下帶等式約束和不等式約束的優(yōu)化問(wèn)題：

與拉格朗日乘數(shù)法類(lèi)似，構(gòu)造廣義拉格朗日函數(shù)：

必須滿(mǎn)足

的約束。原問(wèn)題為：

即先固定住x，調(diào)整拉格朗日乘子變量，讓函數(shù)L取極大值；然后控制變量x，讓目標(biāo)函數(shù)取極小值。原問(wèn)題與我們要優(yōu)化的原始問(wèn)題是等價(jià)的。

對(duì)偶問(wèn)題為：

和原問(wèn)題相反，這里是先控制變量x，讓函數(shù)L取極小值；然后控制拉格朗日乘子變量，讓函數(shù)取極大值。

一般情況下，原問(wèn)題的最優(yōu)解大于等于對(duì)偶問(wèn)題的最優(yōu)解，這稱(chēng)為弱對(duì)偶。在某些情況下，原問(wèn)題的最優(yōu)解和對(duì)偶問(wèn)題的最優(yōu)解相等，這稱(chēng)為強(qiáng)對(duì)偶。

強(qiáng)對(duì)偶成立的一種條件是Slater條件：一個(gè)凸優(yōu)化問(wèn)題如果存在一個(gè)候選x使得所有不等式約束都是嚴(yán)格滿(mǎn)足的，即對(duì)于所有的i都有gi (x)<0，不等式不取等號(hào)，則強(qiáng)對(duì)偶成立，原問(wèn)題與對(duì)偶問(wèn)題等價(jià)。注意，Slater條件是強(qiáng)對(duì)偶成立的充分條件而非必要條件。

拉格朗日對(duì)偶在機(jī)器學(xué)習(xí)中的典型應(yīng)用是支持向量機(jī)。

7.KKT條件

KKT條件是拉格朗日乘數(shù)法的推廣，用于求解既帶有等式約束，又帶有不等式約束的函數(shù)極值。對(duì)于如下優(yōu)化問(wèn)題：

和拉格朗日對(duì)偶的做法類(lèi)似，KKT條件構(gòu)如下乘子函數(shù)：

λ和μ稱(chēng)為KKT乘子。在最優(yōu)解處

應(yīng)該滿(mǎn)足如下條件：

等式約束

和不等式約束

是本身應(yīng)該滿(mǎn)足的約束，

和之前的拉格朗日乘數(shù)法一樣。唯一多了關(guān)于gi (x)的條件：

KKT條件只是取得極值的必要條件而不是充分條件。

8.特征值與特征向量

對(duì)于一個(gè)n階矩陣A，如果存在一個(gè)數(shù)λ和一個(gè)非0向量X，滿(mǎn)足：

則稱(chēng)λ為矩陣A的特征值，X為該特征值對(duì)應(yīng)的特征向量。根據(jù)上面的定義有下面線(xiàn)性方程組成立：

根據(jù)線(xiàn)性方程組的理論，要讓齊次方程有非0解，系數(shù)矩陣的行列式必須為0，即：

上式左邊的多項(xiàng)式稱(chēng)為矩陣的特征多項(xiàng)式。矩陣的跡定義為主對(duì)角線(xiàn)元素之和：

根據(jù)韋達(dá)定理，矩陣所有特征值的和為矩陣的跡：

同樣可以證明，矩陣所有特征值的積為矩陣的行列式：

利用特征值和特征向量，可以將矩陣對(duì)角化，即用正交變換將矩陣化為對(duì)角陣。實(shí)對(duì)稱(chēng)矩陣一定可以對(duì)角化，半正定矩陣的特征值都大于等于0，在機(jī)器學(xué)習(xí)中，很多矩陣都滿(mǎn)足這些條件。特征值和特征向量在機(jī)器學(xué)習(xí)中的應(yīng)用包括：正態(tài)貝葉斯分類(lèi)器、主成分分析，流形學(xué)習(xí)，線(xiàn)性判別分析，譜聚類(lèi)等。

9.奇異值分解

矩陣對(duì)角化只適用于方陣，如果不是方陣也可以進(jìn)行類(lèi)似的分解，這就是奇異值分解，簡(jiǎn)稱(chēng)SVD。假設(shè)A是一個(gè)m x n的矩陣，則存在如下分解：

其中U為m x m的正交矩陣，其列稱(chēng)為矩陣A的左奇異向量；

為m x n的對(duì)角矩陣，除了主對(duì)角線(xiàn)

以外，其他元素都是0；V為n x n的正交矩陣，其行稱(chēng)為矩陣A的右奇異向量。U的列為AAT的特征向量，V的列為AT A的特征向量。

10.最大似然估計(jì)

有些應(yīng)用中已知樣本服從的概率分布，但是要估計(jì)分布函數(shù)的參數(shù)

，確定這些參數(shù)常用的一種方法是最大似然估計(jì)。

最大似然估計(jì)構(gòu)造一個(gè)似然函數(shù)，通過(guò)讓似然函數(shù)最大化，求解出θ。最大似然估計(jì)的直觀解釋是，尋求一組參數(shù)，使得給定的樣本集出現(xiàn)的概率最大。

假設(shè)樣本服從的概率密度函數(shù)為

，其中X為隨機(jī)變量，θ為要估計(jì)的參數(shù)。給定一組樣本xi,i =1,...,l，它們都服從這種分布，并且相互獨(dú)立。最大似然估計(jì)構(gòu)造如下似然函數(shù)：

其中xi是已知量，這是一個(gè)關(guān)于θ的函數(shù)，我們要讓該函數(shù)的值最大化，這樣做的依據(jù)是這組樣本發(fā)生了，因此應(yīng)該最大化它們發(fā)生的概率，即似然函數(shù)。這就是求解如下最優(yōu)化問(wèn)題：

乘積求導(dǎo)不易處理，因此我們對(duì)該函數(shù)取對(duì)數(shù)，得到對(duì)數(shù)似然函數(shù)：

最后要求解的問(wèn)題為：

最大似然估計(jì)在機(jī)器學(xué)習(xí)中的典型應(yīng)用包括logistic回歸，貝葉斯分類(lèi)器，隱馬爾科夫模型等。

基本概念

1.有監(jiān)督學(xué)習(xí)與無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)

根據(jù)樣本數(shù)據(jù)是否帶有標(biāo)簽值，可以將機(jī)器學(xué)習(xí)算法分成有監(jiān)督學(xué)習(xí)和無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)兩類(lèi)。有監(jiān)督學(xué)習(xí)的樣本數(shù)據(jù)帶有標(biāo)簽值，它從訓(xùn)練樣本中學(xué)習(xí)得到一個(gè)模型，然后用這個(gè)模型對(duì)新的樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)推斷。有監(jiān)督學(xué)習(xí)的典型代表是分類(lèi)問(wèn)題和回歸問(wèn)題。

無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)對(duì)沒(méi)有標(biāo)簽的樣本進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)樣本集的結(jié)構(gòu)或者分布規(guī)律。無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)的典型代表是聚類(lèi)，表示學(xué)習(xí)，和數(shù)據(jù)降維，它們處理的樣本都不帶有標(biāo)簽值。

2.分類(lèi)問(wèn)題與回歸問(wèn)題

在有監(jiān)督學(xué)習(xí)中，如果樣本的標(biāo)簽是整數(shù)，則預(yù)測(cè)函數(shù)是一個(gè)向量到整數(shù)的映射，這稱(chēng)為分類(lèi)問(wèn)題。如果標(biāo)簽值是連續(xù)實(shí)數(shù)，則稱(chēng)為回歸問(wèn)題，此時(shí)預(yù)測(cè)函數(shù)是向量到實(shí)數(shù)的映射。

3.生成模型與判別模型

分類(lèi)算法可以分成判別模型和生成模型。給定特征向量x與標(biāo)簽值y，生成模型對(duì)聯(lián)合概率p(x,y)建模，判別模型對(duì)條件概率p(y|x)進(jìn)行建模。另外，不使用概率模型的分類(lèi)器也被歸類(lèi)為判別模型，它直接得到預(yù)測(cè)函數(shù)而不關(guān)心樣本的概率分布：

判別模型直接得到預(yù)測(cè)函數(shù)f(x)，或者直接計(jì)算概率值p(y|x)，比如SVM和logistic回歸，softmax回歸，判別模型只關(guān)心決策面，而不管樣本的概率分布的密度。

生成模型計(jì)算p(x, y)或者p(x|y) ，通俗來(lái)說(shuō)，生成模型假設(shè)每個(gè)類(lèi)的樣本服從某種概率分布，對(duì)這個(gè)概率分布進(jìn)行建模。

機(jī)器學(xué)習(xí)中常見(jiàn)的生成模型有貝葉斯分類(lèi)器，高斯混合模型，隱馬爾可夫模型，受限玻爾茲曼機(jī)，生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)等。典型的判別模型有決策樹(shù)，kNN算法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，支持向量機(jī)，logistic回歸，AdaBoost算法等。

4.交叉驗(yàn)證

交叉驗(yàn)證（cross validation）是一種統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確率的技術(shù)。k折交叉驗(yàn)證將樣本隨機(jī)、均勻的分成k份，輪流用其中的k-1份訓(xùn)練模型，1份用于測(cè)試模型的準(zhǔn)確率，用k個(gè)準(zhǔn)確率的均值作為最終的準(zhǔn)確率。

5.過(guò)擬合與欠擬合

欠擬合也稱(chēng)為欠學(xué)習(xí)，直觀表現(xiàn)是訓(xùn)練得到的模型在訓(xùn)練集上表現(xiàn)差，沒(méi)有學(xué)到數(shù)據(jù)的規(guī)律。引起欠擬合的原因有模型本身過(guò)于簡(jiǎn)單，例如數(shù)據(jù)本身是非線(xiàn)性的但使用了線(xiàn)性模型；特征數(shù)太少無(wú)法正確的建立映射關(guān)系。

過(guò)擬合也稱(chēng)為過(guò)學(xué)習(xí)，直觀表現(xiàn)是在訓(xùn)練集上表現(xiàn)好，但在測(cè)試集上表現(xiàn)不好，推廣泛化性能差。過(guò)擬合產(chǎn)生的根本原因是訓(xùn)練數(shù)據(jù)包含抽樣誤差，在訓(xùn)練時(shí)模型將抽樣誤差也進(jìn)行了擬合。所謂抽樣誤差，是指抽樣得到的樣本集和整體數(shù)據(jù)集之間的偏差。引起過(guò)擬合的可能原因有：

模型本身過(guò)于復(fù)雜，擬合了訓(xùn)練樣本集中的噪聲。此時(shí)需要選用更簡(jiǎn)單的模型，或者對(duì)模型進(jìn)行裁剪。訓(xùn)練樣本太少或者缺乏代表性。此時(shí)需要增加樣本數(shù)，或者增加樣本的多樣性。訓(xùn)練樣本噪聲的干擾，導(dǎo)致模型擬合了這些噪聲，這時(shí)需要剔除噪聲數(shù)據(jù)或者改用對(duì)噪聲不敏感的模型。

6.偏差與方差分解

模型的泛化誤差可以分解成偏差和方差。偏差是模型本身導(dǎo)致的誤差，即錯(cuò)誤的模型假設(shè)所導(dǎo)致的誤差，它是模型的預(yù)測(cè)值的數(shù)學(xué)期望和真實(shí)值之間的差距。

方差是由于對(duì)訓(xùn)練樣本集的小波動(dòng)敏感而導(dǎo)致的誤差。它可以理解為模型預(yù)測(cè)值的變化范圍，即模型預(yù)測(cè)值的波動(dòng)程度。

模型的總體誤差可以分解為偏差的平方與方差之和：

如果模型過(guò)于簡(jiǎn)單，一般會(huì)有大的偏差和小的方差；反之如果模型復(fù)雜則會(huì)有大的方差但偏差很小。

7.正則化

為了防止過(guò)擬合，可以為損失函數(shù)加上一個(gè)懲罰項(xiàng)，對(duì)復(fù)雜的模型進(jìn)行懲罰，強(qiáng)制讓模型的參數(shù)值盡可能小以使得模型更簡(jiǎn)單，加入懲罰項(xiàng)之后損失函數(shù)為：

正則化被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如嶺回歸，LASSO回歸，logistic回歸，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。除了直接加上正則化項(xiàng)之外，還有其他強(qiáng)制讓模型變簡(jiǎn)單的方法，如決策樹(shù)的剪枝算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中的dropout技術(shù)，提前終止技術(shù)等。

8.維數(shù)災(zāi)難

為了提高算法的精度，會(huì)使用越來(lái)越多的特征。當(dāng)特征向量維數(shù)不高時(shí)，增加特征確實(shí)可以帶來(lái)精度上的提升；但是當(dāng)特征向量的維數(shù)增加到一定值之后，繼續(xù)增加特征反而會(huì)導(dǎo)致精度的下降，這一問(wèn)題稱(chēng)為維數(shù)災(zāi)難。

貝葉斯分類(lèi)器

貝葉斯分類(lèi)器將樣本判定為后驗(yàn)概率最大的類(lèi)，它直接用貝葉斯公式解決分類(lèi)問(wèn)題。假設(shè)樣本的特征向量為x，類(lèi)別標(biāo)簽為y，根據(jù)貝葉斯公式，樣本屬于每個(gè)類(lèi)的條件概率（后驗(yàn)概率）為：

分母p(x)對(duì)所有類(lèi)都是相同的，分類(lèi)的規(guī)則是將樣本歸到后驗(yàn)概率最大的那個(gè)類(lèi)，不需要計(jì)算準(zhǔn)確的概率值，只需要知道屬于哪個(gè)類(lèi)的概率最大即可，這樣可以忽略掉分母。分類(lèi)器的判別函數(shù)為：

在實(shí)現(xiàn)貝葉斯分類(lèi)器時(shí)，需要知道每個(gè)類(lèi)的條件概率分布p(x|y)即先驗(yàn)概率。一般假設(shè)樣本服從正態(tài)分布。訓(xùn)練時(shí)確定先驗(yàn)概率分布的參數(shù)，一般用最大似然估計(jì)，即最大化對(duì)數(shù)似然函數(shù)。

如果假設(shè)特征向量的各個(gè)分量之間相互獨(dú)立，則稱(chēng)為樸素貝葉斯分類(lèi)器，此時(shí)的分類(lèi)判別函數(shù)為：

實(shí)現(xiàn)時(shí)可以分為特征分量是離散變量和連續(xù)變量?jī)煞N情況。貝葉斯分分類(lèi)器是一種生成模型，可以處理多分類(lèi)問(wèn)題，是一種非線(xiàn)性模型。

決策樹(shù)

決策樹(shù)是一種基于規(guī)則的方法，它用一組嵌套的規(guī)則進(jìn)行預(yù)測(cè)。在樹(shù)的每個(gè)決策節(jié)點(diǎn)處，根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)入一個(gè)分支，反復(fù)執(zhí)行這種操作直到到達(dá)葉子節(jié)點(diǎn)，得到預(yù)測(cè)結(jié)果。這些規(guī)則通過(guò)訓(xùn)練得到，而不是人工制定的。

決策樹(shù)既可以用于分類(lèi)問(wèn)題，也可以用于回歸問(wèn)題。分類(lèi)樹(shù)的映射函數(shù)是多維空間的分段線(xiàn)性劃分，用平行于各坐標(biāo)軸的超平面對(duì)空間進(jìn)行切分；回歸樹(shù)的映射函數(shù)是分段常數(shù)函數(shù)。決策樹(shù)是分段線(xiàn)性函數(shù)而不是線(xiàn)性函數(shù)。只要?jiǎng)澐值淖銐蚣?xì)，分段常數(shù)函數(shù)可以逼近閉區(qū)間上任意函數(shù)到任意指定精度，因此決策樹(shù)在理論上可以對(duì)任意復(fù)雜度的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。對(duì)于分類(lèi)問(wèn)題，如果決策樹(shù)深度夠大，它可以將訓(xùn)練樣本集的所有樣本正確分類(lèi)。

決策樹(shù)的訓(xùn)練算法是一個(gè)遞歸的過(guò)程，首先創(chuàng)建根節(jié)點(diǎn)，然后遞歸的建立左子樹(shù)和右子樹(shù)。如果練樣本集為D，訓(xùn)練算法的流程為：

1.用樣本集D建立根節(jié)點(diǎn)，找到一個(gè)判定規(guī)則，將樣本集分裂成D1和D2兩部分，同時(shí)為根節(jié)點(diǎn)設(shè)置判定規(guī)則。

2.用樣本集D1遞歸建立左子樹(shù)。

3.用樣本集D2遞歸建立右子樹(shù)。

4.如果不能再進(jìn)行分裂，則把節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為葉子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)為它賦值。

對(duì)于分類(lèi)樹(shù)，如果采用Gini系數(shù)作為度量準(zhǔn)則，決策樹(shù)在訓(xùn)練時(shí)尋找最佳分裂的依據(jù)為讓Gini不純度最小化，這等價(jià)于讓下面的值最大化：

尋找最佳分裂時(shí)需要計(jì)算用每個(gè)閾值對(duì)樣本集進(jìn)行分裂后的純度值，尋找該值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的分裂，它就是最佳分裂。如果是數(shù)值型特征，對(duì)于每個(gè)特征將l個(gè)訓(xùn)練樣本按照該特征的值從小到大排序，假設(shè)排序后的值為：

接下來(lái)從x1開(kāi)始，依次用每個(gè)xi作為閾值，將樣本分成左右兩部分，計(jì)算上面的純度值，該值最大的那個(gè)分裂閾值就是此特征的最佳分裂閾值。在計(jì)算出每個(gè)特征的最佳分裂閾值和上面的純度值后，比較所有這些分裂的純度值大小，該值最大的分裂為所有特征的最佳分裂。

決策樹(shù)可以處理屬性缺失問(wèn)題，采用的方法是使用替代分裂規(guī)則。為了防止過(guò)擬合，可以對(duì)樹(shù)進(jìn)行剪枝，讓模型變得更簡(jiǎn)單。

決策樹(shù)是一種判別模型，既支持分類(lèi)問(wèn)題，也支持回歸問(wèn)題，是一種非線(xiàn)性模型，它支持多分類(lèi)問(wèn)題。

隨機(jī)森林

隨機(jī)森林是一種集成學(xué)習(xí)算法，是Bagging算法的具體實(shí)現(xiàn)。集成學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)中的一種思想，而不是某一具體算法，它通過(guò)多個(gè)模型的組合形成一個(gè)精度更高的模型，參與組合的模型稱(chēng)為弱學(xué)習(xí)器。在預(yù)測(cè)時(shí)使用這些弱學(xué)習(xí)器模型聯(lián)合進(jìn)行預(yù)測(cè)，訓(xùn)練時(shí)需要依次訓(xùn)練出這些弱學(xué)習(xí)器。

隨機(jī)森林用有放回抽樣（Bootstrap抽樣）構(gòu)成出的樣本集訓(xùn)練多棵決策樹(shù)，訓(xùn)練決策樹(shù)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)只使用了隨機(jī)抽樣的部分特征。預(yù)測(cè)時(shí)，對(duì)于分類(lèi)問(wèn)題，一個(gè)測(cè)試樣本會(huì)送到每一棵決策樹(shù)中進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后投票，得票最多的類(lèi)為最終分類(lèi)結(jié)果。對(duì)于回歸問(wèn)題，隨機(jī)森林的預(yù)測(cè)輸出是所有決策樹(shù)輸出的均值。

假設(shè)有n個(gè)訓(xùn)練樣本。訓(xùn)練每一棵樹(shù)時(shí)，從樣本集中有放回的抽取n個(gè)樣本，每個(gè)樣本可能會(huì)被抽中多次，也可能一次都沒(méi)抽中。如果樣本量很大，在整個(gè)抽樣過(guò)程中每個(gè)樣本有0.368的概率不被抽中。由于樣本集中各個(gè)樣本是相互獨(dú)立的，在整個(gè)抽樣中所有樣本大約有36.8%沒(méi)有被抽中。這部分樣本稱(chēng)為包外（Out Of Bag，簡(jiǎn)稱(chēng)OOB）數(shù)據(jù)。

用這個(gè)抽樣的樣本集訓(xùn)練一棵決策樹(shù)，訓(xùn)練時(shí)，每次尋找最佳分裂時(shí)，還要對(duì)特征向量的分量采樣，即只考慮部分特征分量。由于使用了隨機(jī)抽樣，隨機(jī)森林泛化性能一般比較好，可以有效的降低模型的方差。

如果想更詳細(xì)的了解隨機(jī)森林的原理，請(qǐng)閱讀SIGAI之前的公眾號(hào)文章“隨機(jī)森林概述”。隨機(jī)森林是一種判別模型，既支持分類(lèi)問(wèn)題，也支持回歸問(wèn)題，并且支持多分類(lèi)問(wèn)題，這是一種非線(xiàn)性模型。

AdaBoost算法

AdaBoost算法也是一種集成學(xué)習(xí)算法，用于二分類(lèi)問(wèn)題，是Boosting算法的一種實(shí)現(xiàn)。它用多個(gè)弱分類(lèi)器的線(xiàn)性組合來(lái)預(yù)測(cè)，訓(xùn)練時(shí)重點(diǎn)關(guān)注錯(cuò)分的樣本，準(zhǔn)確率高的弱分類(lèi)器權(quán)重大。AdaBoost算法的全稱(chēng)是自適應(yīng)，它用弱分類(lèi)器的線(xiàn)性組合來(lái)構(gòu)造強(qiáng)分類(lèi)器。弱分類(lèi)器的性能不用太好，僅比隨機(jī)猜測(cè)強(qiáng)，依靠它們可以構(gòu)造出一個(gè)非常準(zhǔn)確的強(qiáng)分類(lèi)器。強(qiáng)分類(lèi)器的計(jì)算公式為：

其中x是輸入向量，F(xiàn)(x)是強(qiáng)分類(lèi)器，ft(x)是弱分類(lèi)器，at是弱分類(lèi)器的權(quán)重，T為弱分類(lèi)器的數(shù)量，弱分類(lèi)器、的輸出值為+1或-1，分別對(duì)應(yīng)正樣本和負(fù)樣本。分類(lèi)時(shí)的判定規(guī)則為：

、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、

強(qiáng)分類(lèi)器的輸出值也為+1或-1，同樣對(duì)應(yīng)于正樣本和負(fù)樣本。

訓(xùn)練時(shí)，依次訓(xùn)練每一個(gè)若分類(lèi)器，并得到它們的權(quán)重值。訓(xùn)練樣本帶有權(quán)重值，初始時(shí)所有樣本的權(quán)重相等，在訓(xùn)練過(guò)程中，被前面的弱分類(lèi)器錯(cuò)分的樣本會(huì)加大權(quán)重，反之會(huì)減小權(quán)重，這樣接下來(lái)的弱分類(lèi)器會(huì)更加關(guān)注這些難分的樣本。弱分類(lèi)器的權(quán)重值根據(jù)它的準(zhǔn)確率構(gòu)造，精度越高的弱分類(lèi)器權(quán)重越大。

給定l個(gè)訓(xùn)練樣本(xi,yi )，其中xi是特征向量，yi為類(lèi)別標(biāo)簽，其值為+1或-1。訓(xùn)練算法的流程為：

根據(jù)計(jì)算公式，錯(cuò)誤率低的弱分類(lèi)器權(quán)重大，它是準(zhǔn)確率的增函數(shù)。AdaBoost算法在訓(xùn)練樣本集上的錯(cuò)誤率會(huì)隨著弱分類(lèi)器數(shù)量的增加而指數(shù)級(jí)降低。它能有效的降低模型的偏差。

AdaBoost算法從廣義加法模型導(dǎo)出，訓(xùn)練時(shí)求解的是指數(shù)損失函數(shù)的極小值：

求解時(shí)采用了分階段優(yōu)化，先得到弱分類(lèi)器，然后確定弱分類(lèi)器的權(quán)重值，這就是弱分類(lèi)器，弱分類(lèi)器權(quán)重的來(lái)歷。除了離散型AdaBoost之外，從廣義加法模型還可以導(dǎo)出其他幾種AdaBoost算法，分別是實(shí)數(shù)型AdaBoost，Gentle型AdaBoost，Logit型AdaBoost，它們使用了不同的損失函數(shù)和最優(yōu)化算法。

標(biāo)準(zhǔn)的AdaBoost算法是一種判別模型，只能支持二分類(lèi)問(wèn)題。它的改進(jìn)型可以處理多分類(lèi)問(wèn)題。