什么是機(jī)器學(xué)習(xí)？為什么使用機(jī)器學(xué)習(xí)？

Sklearn 與 TensorFlow 機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)用指南 —— Chapter 0.前言

大多數(shù)人聽(tīng)到“機(jī)器學(xué)習(xí)”，往往會(huì)在腦海中勾勒出一個(gè)機(jī)器人：一個(gè)可靠的管家，或是一個(gè)可怕的終結(jié)者，這取決于你問(wèn)的是誰(shuí)。但是機(jī)器學(xué)習(xí)并不是未來(lái)的幻想，它已經(jīng)來(lái)到我們身邊了。事實(shí)上，一些特定領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)幾十年了，比如光學(xué)字符識(shí)別 （Optical Character Recognition，OCR）。但是直到 1990 年代，第一個(gè)影響了數(shù)億人的機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用才真正成熟，它就是垃圾郵件過(guò)濾器（spam filter）。雖然并不是一個(gè)有自我意識(shí)的天網(wǎng)系統(tǒng)（Skynet），垃圾郵件過(guò)濾器從技術(shù)上是符合機(jī)器學(xué)習(xí)的（它可以很好地進(jìn)行學(xué)習(xí)，用戶(hù)幾乎不用再標(biāo)記某個(gè)郵件為垃圾郵件）。后來(lái)出現(xiàn)了更多的數(shù)以百計(jì)的機(jī)器學(xué)習(xí)產(chǎn)品，支撐了更多你經(jīng)常使用的產(chǎn)品和功能，從推薦系統(tǒng)到語(yǔ)音識(shí)別。

機(jī)器學(xué)習(xí)的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別是什么呢？確切的講，機(jī)器進(jìn)行學(xué)習(xí)是什么意思？如果我下載了一份維基百科的拷貝，我的電腦就真的學(xué)會(huì)了什么嗎？它馬上就變聰明了嗎？在本章中，我們首先會(huì)澄清機(jī)器學(xué)習(xí)到底是什么，以及為什么你要使用它。

然后，在我們出發(fā)去探索機(jī)器學(xué)習(xí)新大陸之前，我們要觀(guān)察下地圖，以便知道這片大陸上的主要地區(qū)和最明顯的地標(biāo)：監(jiān)督學(xué)習(xí)vs非監(jiān)督學(xué)習(xí)，在線(xiàn)學(xué)習(xí)vs批量學(xué)習(xí)，基于實(shí)例vs基于模型學(xué)習(xí)。然后，我們會(huì)學(xué)習(xí)一個(gè)典型的機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目的工作流程，討論可能碰到的難點(diǎn)，以及如何評(píng)估和微調(diào)一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

這一章介紹了大量每個(gè)數(shù)據(jù)科學(xué)家需要牢記在心的基礎(chǔ)概念（和習(xí)語(yǔ)）。第一章只是概覽（唯一不含有代碼的一章），相當(dāng)簡(jiǎn)單，但你要確保每一點(diǎn)都搞明白了，再繼續(xù)進(jìn)行學(xué)習(xí)本書(shū)其余章節(jié)。端起一杯咖啡，開(kāi)始學(xué)習(xí)吧！

提示：如果你已經(jīng)知道了機(jī)器學(xué)習(xí)的所有基礎(chǔ)概念，可以直接翻到第2章。如果你不確認(rèn)，可以嘗試回答本章末尾列出的問(wèn)題，然后再繼續(xù)。

什么是機(jī)器學(xué)習(xí)？

機(jī)器學(xué)習(xí)是通過(guò)編程讓計(jì)算機(jī)從數(shù)據(jù)中進(jìn)行學(xué)習(xí)的科學(xué)（和藝術(shù)）。

下面是一個(gè)更廣義的概念：

機(jī)器學(xué)習(xí)是讓計(jì)算機(jī)具有學(xué)習(xí)的能力，無(wú)需進(jìn)行明確編程。 —— 亞瑟·薩繆爾，1959

和一個(gè)工程性的概念：

計(jì)算機(jī)程序利用經(jīng)驗(yàn) E 學(xué)習(xí)任務(wù) T，性能是 P，如果針對(duì)任務(wù) T 的性能 P 隨著經(jīng)驗(yàn) E 不斷增長(zhǎng)，則稱(chēng)為機(jī)器學(xué)習(xí)。 —— 湯姆·米切爾，1997

例如，你的垃圾郵件過(guò)濾器就是一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)程序，它可以根據(jù)垃圾郵件（比如，用戶(hù)標(biāo)記的垃圾郵件）和普通郵件（非垃圾郵件，也稱(chēng)作 ham）學(xué)習(xí)標(biāo)記垃圾郵件。用來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)的樣例稱(chēng)作訓(xùn)練集。每個(gè)訓(xùn)練樣例稱(chēng)作訓(xùn)練實(shí)例（或樣本）。在這個(gè)例子中，任務(wù) T 就是標(biāo)記新郵件是否是垃圾郵件，經(jīng)驗(yàn)E是訓(xùn)練數(shù)據(jù)，性能P需要定義：例如，可以使用正確分類(lèi)的比例。這個(gè)性能指標(biāo)稱(chēng)為準(zhǔn)確率，通常用在分類(lèi)任務(wù)中。

如果你下載了一份維基百科的拷貝，你的電腦雖然有了很多數(shù)據(jù)，但不會(huì)馬上變得聰明起來(lái)。因此，這不是機(jī)器學(xué)習(xí)。

為什么使用機(jī)器學(xué)習(xí)？

思考一下，你會(huì)如何使用傳統(tǒng)的編程技術(shù)寫(xiě)一個(gè)垃圾郵件過(guò)濾器（圖 1-1）：

你先觀(guān)察下垃圾郵件一般都是什么樣子。你可能注意到一些詞或短語(yǔ)（比如 4U、credit card、free、amazing）在郵件主題中頻繁出現(xiàn)，也許還注意到發(fā)件人名字、郵件正文的格式，等等。

你為觀(guān)察到的規(guī)律寫(xiě)了一個(gè)檢測(cè)算法，如果檢測(cè)到了這些規(guī)律，程序就會(huì)標(biāo)記郵件為垃圾郵件。

測(cè)試程序，重復(fù)第1步和第2步，直到滿(mǎn)足要求。

圖 1-1 傳統(tǒng)方法

這個(gè)問(wèn)題并不簡(jiǎn)單，你的程序很可能會(huì)變成一長(zhǎng)串復(fù)雜的規(guī)則—— 這樣就會(huì)很難維護(hù)。

相反的，基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的垃圾郵件過(guò)濾器會(huì)自動(dòng)學(xué)習(xí)哪個(gè)詞和短語(yǔ)是垃圾郵件的預(yù)測(cè)值，通過(guò)與普通郵件比較，檢測(cè)垃圾郵件中反常頻次的詞語(yǔ)格式（圖 1-2）。這個(gè)程序短得多，更易維護(hù)，也更精確。

圖 1-2 機(jī)器學(xué)習(xí)方法

進(jìn)而，如果發(fā)送垃圾郵件的人發(fā)現(xiàn)所有包含“4U”的郵件都被屏蔽了，可能會(huì)轉(zhuǎn)而使用“For U”。使用傳統(tǒng)方法的垃圾郵件過(guò)濾器需要更新以標(biāo)記“For U”。如果發(fā)送垃圾郵件的人持續(xù)更改，你就需要被動(dòng)地不停地寫(xiě)入新規(guī)則。

相反的，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的垃圾郵件過(guò)濾器會(huì)自動(dòng)注意到“For U”在用戶(hù)手動(dòng)標(biāo)記垃圾郵件中的反常頻繁性，然后就能自動(dòng)標(biāo)記垃圾郵件而無(wú)需干預(yù)了（圖1-3）。

圖 1-3 自動(dòng)適應(yīng)改變

機(jī)器學(xué)習(xí)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是善于處理對(duì)于傳統(tǒng)方法太復(fù)雜或是沒(méi)有已知算法的問(wèn)題。例如，對(duì)于語(yǔ)言識(shí)別：假如想寫(xiě)一個(gè)可以識(shí)別“one”和“two”的簡(jiǎn)單程序。你可能注意到“two”起始是一個(gè)高音（“T”），所以可以寫(xiě)一個(gè)可以測(cè)量高音強(qiáng)度的算法，用它區(qū)分 one 和 two。很明顯，這個(gè)方法不能推廣到嘈雜環(huán)境下的數(shù)百萬(wàn)人的數(shù)千詞匯、數(shù)十種語(yǔ)言。（現(xiàn)在）最佳的方法是根據(jù)大量單詞的錄音，寫(xiě)一個(gè)可以自我學(xué)習(xí)的算法。

最后，機(jī)器學(xué)習(xí)可以幫助人類(lèi)進(jìn)行學(xué)習(xí)（圖 1-4）：可以檢查機(jī)器學(xué)習(xí)算法已經(jīng)掌握了什么（盡管對(duì)于某些算法，這樣做會(huì)有點(diǎn)麻煩）。例如，當(dāng)垃圾郵件過(guò)濾器被訓(xùn)練了足夠多的垃圾郵件，就可以用它列出垃圾郵件預(yù)測(cè)值的單詞和單詞組合列表。有時(shí)，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)不引人關(guān)注的關(guān)聯(lián)或新趨勢(shì)，有助于對(duì)問(wèn)題更好的理解。

圖 1-4 機(jī)器學(xué)習(xí)可以幫助人類(lèi)學(xué)習(xí)

使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法挖掘大量數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)并不顯著的規(guī)律。這稱(chēng)作數(shù)據(jù)挖掘。

總結(jié)一下，機(jī)器學(xué)習(xí)善于：

需要進(jìn)行大量手工調(diào)整或需要擁有長(zhǎng)串規(guī)則才能解決的問(wèn)題：機(jī)器學(xué)習(xí)算法通?？梢院?jiǎn)化代碼、提高性能。

問(wèn)題復(fù)雜，傳統(tǒng)方法難以解決：最好的機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以找到解決方案。

環(huán)境有波動(dòng)：機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以適應(yīng)新數(shù)據(jù)。

洞察復(fù)雜問(wèn)題和大量數(shù)據(jù)。

機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的類(lèi)型

機(jī)器學(xué)習(xí)有多種類(lèi)型，可以根據(jù)如下規(guī)則進(jìn)行分類(lèi)：

是否在人類(lèi)監(jiān)督下進(jìn)行訓(xùn)練（監(jiān)督，非監(jiān)督，半監(jiān)督和強(qiáng)化學(xué)習(xí)）

是否可以動(dòng)態(tài)漸進(jìn)學(xué)習(xí)（在線(xiàn)學(xué)習(xí) vs 批量學(xué)習(xí)）

它們是否只是通過(guò)簡(jiǎn)單地比較新的數(shù)據(jù)點(diǎn)和已知的數(shù)據(jù)點(diǎn)，或者在訓(xùn)練數(shù)據(jù)中進(jìn)行模式識(shí)別，以建立一個(gè)預(yù)測(cè)模型，就像科學(xué)家所做的那樣（基于實(shí)例學(xué)習(xí) vs 基于模型學(xué)習(xí)）

規(guī)則并不僅限于以上的，你可以將他們進(jìn)行組合。例如，一個(gè)先進(jìn)的垃圾郵件過(guò)濾器可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型動(dòng)態(tài)進(jìn)行學(xué)習(xí)，用垃圾郵件和普通郵件進(jìn)行訓(xùn)練。這就讓它成了一個(gè)在線(xiàn)、基于模型、監(jiān)督學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

下面更仔細(xì)地學(xué)習(xí)這些規(guī)則。

監(jiān)督/非監(jiān)督學(xué)習(xí)

機(jī)器學(xué)習(xí)可以根據(jù)訓(xùn)練時(shí)監(jiān)督的量和類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)。主要有四類(lèi)：監(jiān)督學(xué)習(xí)、非監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)。

監(jiān)督學(xué)習(xí)

在監(jiān)督學(xué)習(xí)中，用來(lái)訓(xùn)練算法的訓(xùn)練數(shù)據(jù)包含了答案，稱(chēng)為標(biāo)簽（圖 1-5）。

圖 1-5 用于監(jiān)督學(xué)習(xí)（比如垃圾郵件分類(lèi)）的加了標(biāo)簽的訓(xùn)練集

一個(gè)典型的監(jiān)督學(xué)習(xí)任務(wù)是分類(lèi)。垃圾郵件過(guò)濾器就是一個(gè)很好的例子：用許多帶有歸類(lèi)（垃圾郵件或普通郵件）的郵件樣本進(jìn)行訓(xùn)練，過(guò)濾器必須還能對(duì)新郵件進(jìn)行分類(lèi)。

另一個(gè)典型任務(wù)是預(yù)測(cè)目標(biāo)數(shù)值，例如給出一些特征（里程數(shù)、車(chē)齡、品牌等等）稱(chēng)作預(yù)測(cè)值，來(lái)預(yù)測(cè)一輛汽車(chē)的價(jià)格。這類(lèi)任務(wù)稱(chēng)作回歸（圖 1-6）。要訓(xùn)練這個(gè)系統(tǒng)，你需要給出大量汽車(chē)樣本，包括它們的預(yù)測(cè)值和標(biāo)簽（即，它們的價(jià)格）。

注解：在機(jī)器學(xué)習(xí)中，一個(gè)屬性就是一個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型（例如，“里程數(shù)”），取決于具體問(wèn)題一個(gè)特征會(huì)有多個(gè)含義，但通常是屬性加上它的值（例如，“里程數(shù)=15000”）。許多人是不區(qū)分地使用屬性和特征。

圖 1-6 回歸

注意，一些回歸算法也可以用來(lái)進(jìn)行分類(lèi)，反之亦然。例如，邏輯回歸通常用來(lái)進(jìn)行分類(lèi)，它可以生成一個(gè)歸屬某一類(lèi)的可能性的值（例如，20% 幾率為垃圾郵件）。

下面是一些重要的監(jiān)督學(xué)習(xí)算法（本書(shū)都有介紹）：

K近鄰算法

線(xiàn)性回歸

邏輯回歸

支持向量機(jī)（SVM）

決策樹(shù)和隨機(jī)森林

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

非監(jiān)督學(xué)習(xí)

在非監(jiān)督學(xué)習(xí)中，你可能猜到了，訓(xùn)練數(shù)據(jù)是沒(méi)有加標(biāo)簽的（圖 1-7）。系統(tǒng)在沒(méi)有老師的條件下進(jìn)行學(xué)習(xí)。

圖 1-7 非監(jiān)督學(xué)習(xí)的一個(gè)不加標(biāo)簽的訓(xùn)練集

下面是一些最重要的非監(jiān)督學(xué)習(xí)算法（我們會(huì)在第 8 章介紹降維）：

聚類(lèi)K 均值層次聚類(lèi)分析（Hierarchical Cluster Analysis，HCA）期望最大值

可視化和降維主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）核主成分分析局部線(xiàn)性嵌入（Locally-Linear Embedding，LLE）t-分布鄰域嵌入算法（t-distributed Stochastic Neighbor Embedding，t-SNE）

關(guān)聯(lián)性規(guī)則學(xué)習(xí)Apriori 算法Eclat 算法

例如，假設(shè)你有一份關(guān)于你的博客訪(fǎng)客的大量數(shù)據(jù)。你想運(yùn)行一個(gè)聚類(lèi)算法，檢測(cè)相似訪(fǎng)客的分組（圖 1-8）。你不會(huì)告訴算法某個(gè)訪(fǎng)客屬于哪一類(lèi)：它會(huì)自己找出關(guān)系，無(wú)需幫助。例如，算法可能注意到 40% 的訪(fǎng)客是喜歡漫畫(huà)書(shū)的男性，通常是晚上訪(fǎng)問(wèn)，20% 是科幻愛(ài)好者，他們是在周末訪(fǎng)問(wèn)等等。如果你使用層次聚類(lèi)分析，它可能還會(huì)細(xì)分每個(gè)分組為更小的組。這可以幫助你為每個(gè)分組定位博文。

圖 1-8 聚類(lèi)

可視化算法也是極佳的非監(jiān)督學(xué)習(xí)案例：給算法大量復(fù)雜的且不加標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，算法輸出數(shù)據(jù)的2D或3D圖像（圖 1-9）。算法會(huì)試圖保留數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)（即嘗試保留輸入的獨(dú)立聚類(lèi)，避免在圖像中重疊），這樣就可以明白數(shù)據(jù)是如何組織起來(lái)的，也許還能發(fā)現(xiàn)隱藏的規(guī)律。

圖 1-9 t-SNE 可視化案例，突出了聚類(lèi)

（注：注意動(dòng)物是與汽車(chē)分開(kāi)的，馬和鹿很近、與鳥(niǎo)距離遠(yuǎn)，以此類(lèi)推）

與此有關(guān)聯(lián)的任務(wù)是降維，降維的目的是簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)、但是不能失去大部分信息。做法之一是合并若干相關(guān)的特征。例如，汽車(chē)的里程數(shù)與車(chē)齡高度相關(guān)，降維算法就會(huì)將它們合并成一個(gè)，表示汽車(chē)的磨損。這叫做特征提取。

提示：在用訓(xùn)練集訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法（比如監(jiān)督學(xué)習(xí)算法）時(shí)，最好對(duì)訓(xùn)練集進(jìn)行降維。這樣可以運(yùn)行的更快，占用的硬盤(pán)和內(nèi)存空間更少，有些情況下性能也更好。

另一個(gè)重要的非監(jiān)督任務(wù)是異常檢測(cè)（anomaly detection） —— 例如，檢測(cè)異常的信用卡轉(zhuǎn)賬以防欺詐，檢測(cè)制造缺陷，或者在訓(xùn)練之前自動(dòng)從訓(xùn)練數(shù)據(jù)集去除異常值。異常檢測(cè)的系統(tǒng)使用正常值訓(xùn)練的，當(dāng)它碰到一個(gè)新實(shí)例，它可以判斷這個(gè)新實(shí)例是像正常值還是異常值（圖 1-10）。

圖 1-10 異常檢測(cè)

最后，另一個(gè)常見(jiàn)的非監(jiān)督任務(wù)是關(guān)聯(lián)規(guī)則學(xué)習(xí)，它的目標(biāo)是挖掘大量數(shù)據(jù)以發(fā)現(xiàn)屬性間有趣的關(guān)系。例如，假設(shè)你擁有一個(gè)超市。在銷(xiāo)售日志上運(yùn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則，可能發(fā)現(xiàn)買(mǎi)了燒烤醬和薯片的人也會(huì)買(mǎi)牛排。因此，你可以將這些商品放在一起。

半監(jiān)督學(xué)習(xí)

一些算法可以處理部分帶標(biāo)簽的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，通常是大量不帶標(biāo)簽數(shù)據(jù)加上小部分帶標(biāo)簽數(shù)據(jù)。這稱(chēng)作半監(jiān)督學(xué)習(xí)（圖 1-11）。

一些圖片存儲(chǔ)服務(wù)，比如 Google Photos，是半監(jiān)督學(xué)習(xí)的好例子。一旦你上傳了所有家庭相片，它就能自動(dòng)識(shí)別相同的人 A 出現(xiàn)了相片 1、5、11 中，另一個(gè)人 B 出現(xiàn)在了相片 2、5、7 中。這是算法的非監(jiān)督部分（聚類(lèi)）?，F(xiàn)在系統(tǒng)需要的就是你告訴這兩個(gè)人是誰(shuí)。只要給每個(gè)人一個(gè)標(biāo)簽，算法就可以命名每張照片中的每個(gè)人，特別適合搜索照片。

圖 1-11 半監(jiān)督學(xué)習(xí)

多數(shù)半監(jiān)督學(xué)習(xí)算法是非監(jiān)督和監(jiān)督算法的結(jié)合。例如，深度信念網(wǎng)絡(luò)（deep belief networks）是基于被稱(chēng)為互相疊加的受限玻爾茲曼機(jī)（restricted Boltzmann machines，RBM）的非監(jiān)督組件。RBM 是先用非監(jiān)督方法進(jìn)行訓(xùn)練，再用監(jiān)督學(xué)習(xí)方法進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)微調(diào)。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)

強(qiáng)化學(xué)習(xí)非常不同。學(xué)習(xí)系統(tǒng)在這里被稱(chēng)為智能體（agent），可以對(duì)環(huán)境進(jìn)行觀(guān)察，選擇和執(zhí)行動(dòng)作，獲得獎(jiǎng)勵(lì)（負(fù)獎(jiǎng)勵(lì)是懲罰，見(jiàn)圖 1-12）。然后它必須自己學(xué)習(xí)哪個(gè)是最佳方法（稱(chēng)為策略，policy），以得到長(zhǎng)久的最大獎(jiǎng)勵(lì)。策略決定了智能體在給定情況下應(yīng)該采取的行動(dòng)。

圖 1-12 強(qiáng)化學(xué)習(xí)

例如，許多機(jī)器人運(yùn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法以學(xué)習(xí)如何行走。DeepMind 的 AlphaGo 也是強(qiáng)化學(xué)習(xí)的例子：它在 2016 年三月?lián)魯×耸澜鐕骞谲娎钍朗ㄗg者注：2017 年五月，AlphaGo 又擊敗了世界排名第一的柯潔）。它是通過(guò)分析數(shù)百萬(wàn)盤(pán)棋局學(xué)習(xí)制勝策略，然后自己和自己下棋。要注意，在比賽中機(jī)器學(xué)習(xí)是關(guān)閉的；AlphaGo 只是使用它學(xué)會(huì)的策略。

批量和在線(xiàn)學(xué)習(xí)

另一個(gè)用來(lái)分類(lèi)機(jī)器學(xué)習(xí)的準(zhǔn)則是，它是否能從導(dǎo)入的數(shù)據(jù)流進(jìn)行持續(xù)學(xué)習(xí)。

批量學(xué)習(xí)

在批量學(xué)習(xí)中，系統(tǒng)不能進(jìn)行持續(xù)學(xué)習(xí)：必須用所有可用數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。這通常會(huì)占用大量時(shí)間和計(jì)算資源，所以一般是線(xiàn)下做的。首先是進(jìn)行訓(xùn)練，然后部署在生產(chǎn)環(huán)境且停止學(xué)習(xí)，它只是使用已經(jīng)學(xué)到的策略。這稱(chēng)為離線(xiàn)學(xué)習(xí)。

如果你想讓一個(gè)批量學(xué)習(xí)系統(tǒng)明白新數(shù)據(jù)（例如垃圾郵件的新類(lèi)型），就需要從頭訓(xùn)練一個(gè)系統(tǒng)的新版本，使用全部數(shù)據(jù)集（不僅有新數(shù)據(jù)也有老數(shù)據(jù)），然后停掉老系統(tǒng)，換上新系統(tǒng)。

幸運(yùn)的是，訓(xùn)練、評(píng)估、部署一套機(jī)器學(xué)習(xí)的系統(tǒng)的整個(gè)過(guò)程可以自動(dòng)進(jìn)行（見(jiàn)圖 1-3），所以即便是批量學(xué)習(xí)也可以適應(yīng)改變。只要有需要，就可以方便地更新數(shù)據(jù)、訓(xùn)練一個(gè)新版本。

這個(gè)方法很簡(jiǎn)單，通?？梢詽M(mǎn)足需求，但是用全部數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間，所以一般是每 24 小時(shí)或每周訓(xùn)練一個(gè)新系統(tǒng)。如果系統(tǒng)需要快速適應(yīng)變化的數(shù)據(jù)（比如，預(yù)測(cè)股價(jià)變化），就需要一個(gè)響應(yīng)更及時(shí)的方案。

另外，用全部數(shù)據(jù)訓(xùn)練需要大量計(jì)算資源（CPU、內(nèi)存空間、磁盤(pán)空間、磁盤(pán) I/O、網(wǎng)絡(luò) I/O 等等）。如果你有大量數(shù)據(jù)，并讓系統(tǒng)每天自動(dòng)從頭開(kāi)始訓(xùn)練，就會(huì)開(kāi)銷(xiāo)很大。如果數(shù)據(jù)量巨大，甚至無(wú)法使用批量學(xué)習(xí)算法。

最后，如果你的系統(tǒng)需要自動(dòng)學(xué)習(xí)，但是資源有限（比如，一臺(tái)智能手機(jī)或火星車(chē)），攜帶大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)、每天花費(fèi)數(shù)小時(shí)的大量資源進(jìn)行訓(xùn)練是不實(shí)際的。

幸運(yùn)的是，對(duì)于上面這些情況，還有一個(gè)更佳的方案可以進(jìn)行持續(xù)學(xué)習(xí)。

在線(xiàn)學(xué)習(xí)

在在線(xiàn)學(xué)習(xí)中，是用數(shù)據(jù)實(shí)例持續(xù)地進(jìn)行訓(xùn)練，可以一次一個(gè)或一次幾個(gè)實(shí)例（稱(chēng)為小批量）。每個(gè)學(xué)習(xí)步驟都很快且廉價(jià)，所以系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)地學(xué)習(xí)到達(dá)的新數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖 1-13）。

圖 1-13 在線(xiàn)學(xué)習(xí)

在線(xiàn)學(xué)習(xí)很適合系統(tǒng)接收連續(xù)流的數(shù)據(jù)（比如，股票價(jià)格），且需要自動(dòng)對(duì)改變作出調(diào)整。如果計(jì)算資源有限，在線(xiàn)學(xué)習(xí)是一個(gè)不錯(cuò)的方案：一旦在線(xiàn)學(xué)習(xí)系統(tǒng)學(xué)習(xí)了新的數(shù)據(jù)實(shí)例，它就不再需要這些數(shù)據(jù)了，所以扔掉這些數(shù)據(jù)（除非你想滾回到之前的一個(gè)狀態(tài)，再次使用數(shù)據(jù)）。這樣可以節(jié)省大量的空間。

在線(xiàn)學(xué)習(xí)算法也可以當(dāng)機(jī)器的內(nèi)存存不下大量數(shù)據(jù)集時(shí)，用來(lái)訓(xùn)練系統(tǒng)（這稱(chēng)作核外學(xué)習(xí)，out-of-core learning）。算法加載部分的數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到用所有數(shù)據(jù)都進(jìn)行了訓(xùn)練（見(jiàn)圖 1-14）。

警告：這個(gè)整個(gè)過(guò)程通常是離線(xiàn)完成的（即，不在部署的系統(tǒng)上），所以在線(xiàn)學(xué)習(xí)這個(gè)名字會(huì)讓人疑惑。可以把它想成持續(xù)學(xué)習(xí)。

圖 1-14 使用在線(xiàn)學(xué)習(xí)處理大量數(shù)據(jù)集

在線(xiàn)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)是，它們可以多快地適應(yīng)數(shù)據(jù)的改變：這被稱(chēng)為學(xué)習(xí)速率。如果你設(shè)定一個(gè)高學(xué)習(xí)速率，系統(tǒng)就可以快速適應(yīng)新數(shù)據(jù)，但是也會(huì)快速忘記老書(shū)記（你可不想讓垃圾郵件過(guò)濾器只標(biāo)記最新的垃圾郵件種類(lèi)）。相反的，如果你設(shè)定的學(xué)習(xí)速率低，系統(tǒng)的惰性就會(huì)強(qiáng)：即，它學(xué)的更慢，但對(duì)新數(shù)據(jù)中的噪聲或沒(méi)有代表性的數(shù)據(jù)點(diǎn)結(jié)果不那么敏感。

在線(xiàn)學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)之一是，如果壞數(shù)據(jù)被用來(lái)進(jìn)行訓(xùn)練，系統(tǒng)的性能就會(huì)逐漸下滑。如果這是一個(gè)部署的系統(tǒng)，用戶(hù)就會(huì)注意到。例如，壞數(shù)據(jù)可能來(lái)自失靈的傳感器或機(jī)器人，或某人向搜索引擎?zhèn)魅肜畔⒁蕴岣咚阉髋琶?。要減小這種風(fēng)險(xiǎn)，你需要密集監(jiān)測(cè)，如果檢測(cè)到性能下降，要快速關(guān)閉（或是滾回到一個(gè)之前的狀態(tài)）。你可能還要監(jiān)測(cè)輸入數(shù)據(jù)，對(duì)反常數(shù)據(jù)做出反應(yīng)（比如，使用異常檢測(cè)算法）。