10大常用機(jī)器學(xué)習(xí)算法匯總

本文介紹了10大常用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，包括線性回歸、Logistic回歸、線性判別分析、樸素貝葉斯、KNN、隨機(jī)森林等。

1.線性回歸

在統(tǒng)計(jì)學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，線性回歸可能是最廣為人知也最易理解的算法之一。

預(yù)測(cè)建模主要關(guān)注的是在犧牲可解釋性的情況下，盡可能最小化模型誤差或做出最準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。我們將借鑒、重用來(lái)自許多其它領(lǐng)域的算法（包括統(tǒng)計(jì)學(xué)）來(lái)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。

線性回歸模型被表示為一個(gè)方程式，它為輸入變量找到特定的權(quán)重（即系數(shù)B），進(jìn)而描述一條最佳擬合了輸入變量（x）和輸出變量（y）之間關(guān)系的直線。

線性回歸

例如：y=B0+B1*x

我們將在給定輸入值x的條件下預(yù)測(cè)y，線性回歸學(xué)習(xí)算法的目的是找到系數(shù)B0和B1的值。

我們可以使用不同的技術(shù)來(lái)從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)線性回歸模型，例如普通最小二乘法的線性代數(shù)解和梯度下降優(yōu)化。

線性回歸大約有200多年的歷史，并已被廣泛地研究。在使用此類(lèi)技術(shù)時(shí)，有一些很好的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：我們可以刪除非常類(lèi)似（相關(guān)）的變量，并盡可能移除數(shù)據(jù)中的噪聲。線性回歸是一種運(yùn)算速度很快的簡(jiǎn)單技術(shù)，也是一種適合初學(xué)者嘗試的經(jīng)典算法。

2.Logistic回歸

Logistic回歸是機(jī)器學(xué)習(xí)從統(tǒng)計(jì)學(xué)領(lǐng)域借鑒過(guò)來(lái)的另一種技術(shù)。它是二分類(lèi)問(wèn)題的首選方法。

像線性回歸一樣，Logistic回歸的目的也是找到每個(gè)輸入變量的權(quán)重系數(shù)值。但不同的是，Logistic回歸的輸出預(yù)測(cè)結(jié)果是通過(guò)一個(gè)叫作「logistic函數(shù)」的非線性函數(shù)變換而來(lái)的。

logistic函數(shù)的形狀看起來(lái)像一個(gè)大的「S」，它會(huì)把任何值轉(zhuǎn)換至0-1的區(qū)間內(nèi)。這十分有用，因?yàn)槲覀兛梢园岩粋€(gè)規(guī)則應(yīng)用于logistic函數(shù)的輸出，從而得到0-1區(qū)間內(nèi)的捕捉值（例如，將閾值設(shè)置為0.5，則如果函數(shù)值小于0.5，則輸出值為1），并預(yù)測(cè)類(lèi)別的值。

Logistic回歸

由于模型的學(xué)習(xí)方式，Logistic回歸的預(yù)測(cè)結(jié)果也可以用作給定數(shù)據(jù)實(shí)例屬于類(lèi)0或類(lèi)1的概率。這對(duì)于需要為預(yù)測(cè)結(jié)果提供更多理論依據(jù)的問(wèn)題非常有用。

與線性回歸類(lèi)似，當(dāng)刪除與輸出變量無(wú)關(guān)以及彼此之間非常相似（相關(guān)）的屬性后，Logistic回歸的效果更好。該模型學(xué)習(xí)速度快，對(duì)二分類(lèi)問(wèn)題十分有效。

3.線性判別分析

Logistic回歸是一種傳統(tǒng)的分類(lèi)算法，它的使用場(chǎng)景僅限于二分類(lèi)問(wèn)題。如果你有兩個(gè)以上的類(lèi)，那么線性判別分析算法（LDA）是首選的線性分類(lèi)技術(shù)。

LDA的表示方法非常直接。它包含為每個(gè)類(lèi)計(jì)算的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)屬性。對(duì)于單個(gè)輸入變量而言，這些屬性包括：

每個(gè)類(lèi)的均值。

所有類(lèi)的方差。

線性判別分析

預(yù)測(cè)結(jié)果是通過(guò)計(jì)算每個(gè)類(lèi)的判別值、并將類(lèi)別預(yù)測(cè)為判別值最大的類(lèi)而得出的。該技術(shù)假設(shè)數(shù)據(jù)符合高斯分布（鐘形曲線），因此最好預(yù)先從數(shù)據(jù)中刪除異常值。LDA是一種簡(jiǎn)單而有效的分類(lèi)預(yù)測(cè)建模方法。

4.分類(lèi)和回歸樹(shù)

決策樹(shù)是一類(lèi)重要的機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)建模算法。

決策樹(shù)可以被表示為一棵二叉樹(shù)。這種二叉樹(shù)與算法設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的二叉樹(shù)是一樣的，沒(méi)有什么特別。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都代表一個(gè)輸入變量（x）和一個(gè)基于該變量的分叉點(diǎn)（假設(shè)該變量是數(shù)值型的）。

決策樹(shù)

決策樹(shù)的葉子結(jié)點(diǎn)包含一個(gè)用于做出預(yù)測(cè)的輸出變量（y）。預(yù)測(cè)結(jié)果是通過(guò)在樹(shù)的各個(gè)分叉路徑上游走，直到到達(dá)一個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)并輸出該葉子結(jié)點(diǎn)的類(lèi)別值而得出。

決策樹(shù)的學(xué)習(xí)速度很快，做出預(yù)測(cè)的速度也很快。它們?cè)诖罅繂?wèn)題中往往都很準(zhǔn)確，而且不需要為數(shù)據(jù)做任何特殊的預(yù)處理準(zhǔn)備。

5.樸素貝葉斯

樸素貝葉斯是一種簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的預(yù)測(cè)建模算法。

該模型由兩類(lèi)可直接從訓(xùn)練數(shù)據(jù)中計(jì)算出來(lái)的概率組成：1）數(shù)據(jù)屬于每一類(lèi)的概率；2）給定每個(gè)x值，數(shù)據(jù)從屬于每個(gè)類(lèi)的條件概率。一旦這兩個(gè)概率被計(jì)算出來(lái)，就可以使用貝葉斯定理，用概率模型對(duì)新數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。當(dāng)你的數(shù)據(jù)是實(shí)值的時(shí)候，通常假設(shè)數(shù)據(jù)符合高斯分布（鐘形曲線），這樣你就可以很容易地估計(jì)這些概率。

貝葉斯定理

樸素貝葉斯之所以被稱(chēng)為「樸素」，是因?yàn)樗僭O(shè)每個(gè)輸入變量相互之間是獨(dú)立的。這是一種很強(qiáng)的、對(duì)于真實(shí)數(shù)據(jù)并不現(xiàn)實(shí)的假設(shè)。不過(guò)，該算法在大量的復(fù)雜問(wèn)題中十分有效。

6.K最近鄰算法

K最近鄰（KNN）算法是非常簡(jiǎn)單而有效的。KNN的模型表示就是整個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。這很簡(jiǎn)單吧？

對(duì)新數(shù)據(jù)點(diǎn)的預(yù)測(cè)結(jié)果是通過(guò)在整個(gè)訓(xùn)練集上搜索與該數(shù)據(jù)點(diǎn)最相似的K個(gè)實(shí)例（近鄰）并且總結(jié)這K個(gè)實(shí)例的輸出變量而得出的。對(duì)于回歸問(wèn)題來(lái)說(shuō)，預(yù)測(cè)結(jié)果可能就是輸出變量的均值；而對(duì)于分類(lèi)問(wèn)題來(lái)說(shuō)，預(yù)測(cè)結(jié)果可能是眾數(shù)（或最常見(jiàn)的）的類(lèi)的值。

關(guān)鍵之處在于如何判定數(shù)據(jù)實(shí)例之間的相似程度。如果你的數(shù)據(jù)特征尺度相同（例如，都以英寸為單位），那么最簡(jiǎn)單的度量技術(shù)就是使用歐幾里得距離，你可以根據(jù)輸入變量之間的差異直接計(jì)算出該值。

K最近鄰

KNN可能需要大量的內(nèi)存或空間來(lái)存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)，但只有在需要預(yù)測(cè)時(shí)才實(shí)時(shí)執(zhí)行計(jì)算（或?qū)W習(xí)）。隨著時(shí)間的推移，你還可以更新并管理訓(xùn)練實(shí)例，以保證預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率。

使用距離或接近程度的度量方法可能會(huì)在維度非常高的情況下（有許多輸入變量）崩潰，這可能會(huì)對(duì)算法在你的問(wèn)題上的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。這就是所謂的維數(shù)災(zāi)難。這告訴我們，應(yīng)該僅僅使用那些與預(yù)測(cè)輸出變量最相關(guān)的輸入變量。

7.學(xué)習(xí)向量量化

KNN算法的一個(gè)缺點(diǎn)是，你需要處理整個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。而學(xué)習(xí)向量量化算法（LVQ）允許選擇所需訓(xùn)練實(shí)例數(shù)量，并確切地學(xué)習(xí)這些實(shí)例。

學(xué)習(xí)向量量化

LVQ的表示是一組碼本向量。它們?cè)陂_(kāi)始時(shí)是隨機(jī)選擇的，經(jīng)過(guò)多輪學(xué)習(xí)算法的迭代后，最終對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進(jìn)行最好的總結(jié)。通過(guò)學(xué)習(xí)，碼本向量可被用來(lái)像K最近鄰那樣執(zhí)行預(yù)測(cè)。通過(guò)計(jì)算每個(gè)碼本向量與新數(shù)據(jù)實(shí)例之間的距離，可以找到最相似的鄰居（最匹配的碼本向量）。然后返回最匹配單元的類(lèi)別值（分類(lèi)）或?qū)嵵担ɑ貧w）作為預(yù)測(cè)結(jié)果。如果將數(shù)據(jù)重新放縮放到相同的范圍中（例如0到1之間），就可以獲得最佳的預(yù)測(cè)結(jié)果。

如果你發(fā)現(xiàn)KNN能夠在你的數(shù)據(jù)集上得到不錯(cuò)的預(yù)測(cè)結(jié)果，那么不妨試一試LVQ技術(shù)，它可以減少對(duì)內(nèi)存空間的需求，不需要像KNN那樣存儲(chǔ)整個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。

8.支持向量機(jī)

支持向量機(jī)（SVM）可能是目前最流行、被討論地最多的機(jī)器學(xué)習(xí)算法之一。

超平面是一條對(duì)輸入變量空間進(jìn)行劃分的「直線」。支持向量機(jī)會(huì)選出一個(gè)將輸入變量空間中的點(diǎn)按類(lèi)（類(lèi)0或類(lèi)1）進(jìn)行最佳分割的超平面。在二維空間中，你可以把他想象成一條直線，假設(shè)所有輸入點(diǎn)都可以被這條直線完全地劃分開(kāi)來(lái)。SVM學(xué)習(xí)算法旨在尋找最終通過(guò)超平面得到最佳類(lèi)別分割的系數(shù)。

支持向量機(jī)

超平面與最近數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離叫作間隔（margin）。能夠?qū)蓚€(gè)類(lèi)分開(kāi)的最佳超平面是具有最大間隔的直線。只有這些點(diǎn)與超平面的定義和分類(lèi)器的構(gòu)建有關(guān)，這些點(diǎn)叫作支持向量，它們支持或定義超平面。在實(shí)際應(yīng)用中，人們采用一種優(yōu)化算法來(lái)尋找使間隔最大化的系數(shù)值。

支持向量機(jī)可能是目前可以直接使用的最強(qiáng)大的分類(lèi)器之一，值得你在自己的數(shù)據(jù)集上試一試。

9.袋裝法和隨機(jī)森林

隨機(jī)森林是最流行也最強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)算法之一，它是一種集成機(jī)器學(xué)習(xí)算法。

自助法是一種從數(shù)據(jù)樣本中估計(jì)某個(gè)量（例如平均值）的強(qiáng)大統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。你需要在數(shù)據(jù)中取出大量的樣本，計(jì)算均值，然后對(duì)每次取樣計(jì)算出的均值再取平均，從而得到對(duì)所有數(shù)據(jù)的真實(shí)均值更好的估計(jì)。

Bagging使用了相同的方法。但是最常見(jiàn)的做法是使用決策樹(shù)，而不是對(duì)整個(gè)統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行估計(jì)。Bagging會(huì)在訓(xùn)練數(shù)據(jù)中取多個(gè)樣本，然后為每個(gè)數(shù)據(jù)樣本構(gòu)建模型。當(dāng)你需要對(duì)新數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，每個(gè)模型都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)預(yù)測(cè)結(jié)果，Bagging會(huì)對(duì)所有模型的預(yù)測(cè)結(jié)果取平均，以便更好地估計(jì)真實(shí)的輸出值。

隨機(jī)森林

隨機(jī)森林是這種方法的改進(jìn)，它會(huì)創(chuàng)建決策樹(shù)，這樣就不用選擇最優(yōu)分割點(diǎn)，而是通過(guò)引入隨機(jī)性來(lái)進(jìn)行次優(yōu)分割。

因此，為每個(gè)數(shù)據(jù)樣本創(chuàng)建的模型比在其它情況下創(chuàng)建的模型更加獨(dú)特，但是這種獨(dú)特的方式仍能保證較高的準(zhǔn)確率。結(jié)合它們的預(yù)測(cè)結(jié)果可以更好地估計(jì)真實(shí)的輸出值。

如果你使用具有高方差的算法（例如決策樹(shù)）獲得了良好的結(jié)果，那么你通?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)該算法執(zhí)行Bagging獲得更好的結(jié)果。

10.Boosting和AdaBoost

Boosting是一種試圖利用大量弱分類(lèi)器創(chuàng)建一個(gè)強(qiáng)分類(lèi)器的集成技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)Boosting方法，首先你需要利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)構(gòu)建一個(gè)模型，然后創(chuàng)建第二個(gè)模型（它企圖修正第一個(gè)模型的誤差）。直到最后模型能夠?qū)τ?xùn)練集進(jìn)行完美地預(yù)測(cè)或加入的模型數(shù)量已達(dá)上限，我們才停止加入新的模型。

AdaBoost是第一個(gè)為二分類(lèi)問(wèn)題開(kāi)發(fā)的真正成功的Boosting算法。它是人們?nèi)腴T(mén)理解Boosting的最佳起點(diǎn)。當(dāng)下的Boosting方法建立在AdaBoost基礎(chǔ)之上，最著名的就是隨機(jī)梯度提升機(jī)。

AdaBoost

AdaBoost使用淺層決策樹(shù)。在創(chuàng)建第一棵樹(shù)之后，使用該樹(shù)在每個(gè)訓(xùn)練實(shí)例上的性能來(lái)衡量下一棵樹(shù)應(yīng)該對(duì)每個(gè)訓(xùn)練實(shí)例賦予多少權(quán)重。難以預(yù)測(cè)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)權(quán)重會(huì)增大，而易于預(yù)測(cè)的實(shí)例權(quán)重會(huì)減小。模型是一個(gè)接一個(gè)依次創(chuàng)建的，每個(gè)模型都會(huì)更新訓(xùn)練實(shí)例權(quán)重，影響序列中下一棵樹(shù)的學(xué)習(xí)。在構(gòu)建所有的樹(shù)之后，我們就可以對(duì)新的數(shù)據(jù)執(zhí)行預(yù)測(cè)，并根據(jù)每棵樹(shù)在訓(xùn)練數(shù)據(jù)上的準(zhǔn)確率來(lái)對(duì)其性能進(jìn)行加權(quán)。

由于算法在糾正錯(cuò)誤上投入了如此多的精力，因此刪除數(shù)據(jù)中的異常值在數(shù)據(jù)清洗過(guò)程中是非常重要的。
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