Machine-Learning-Note(机器学习笔记)

• 机器学习“判定模型”和“生成模型”有什么区别？
• 理解支持向量机
• 理解随机森林
• 理解KNN
• 有监督学习、无监督学习、半监督学习的区别
• 有监督学习建模步骤
• 常用分类算法优缺点对比
• 分类算法的评估方法
• 哪些机器学习算法不需要做归一化处理？
• 树形结构为什么不需要归一化？
• 欧氏距离和曼哈顿距离区别
• 逻辑回归介绍
• 逻辑回归为什么要对特征进行离散化
• LR和SVM的联系与区别
• overfitting怎么解决?
• 什么是熵?
• 什么是梯度下降?
• 线性回归与逻辑回归的区别与联系
• 机器学习中的正则化是什么意思？
• 线性分类器与非线性分类器的区别以及优劣
• L1和L2的区别

机器学习“判定模型”和“生成模型”有什么区别？

假设我们有两类动物，大象（y = 1）和狗（y = 0）。而X是动物的特征向量。

给定训练集，诸如逻辑回归或支持向量机算法之类的算法会尝试找到一条将大象和狗分开的直线（即决策边界）。然后，要将新动物归类为大象或狗，它会检查它落在决策边界的哪一侧，并据此做出预测。我们称这些判别学习算法。p(y|x)条件概率。

另一种方法，首先，看看大象，我们可以建立一个大象长什么样的模型。然后，查看狗，我们可以为狗的外观建立一个单独的模型。最后，要对新动物进行分类，我们可以将新动物与大象模型进行匹配，并与狗模型进行匹配，以查看新动物看起来更像大象还是更像我们在训练集中看到的狗。我们称这些生成学习算法。p(x,y)联合概率。

理解支持向量机

形式上，支持向量机在高维或无限维空间中构建一个超平面或一组超平面，可用于分类，回归或其他任务。 直观地，通过超平面可以实现良好的分离，该超平面与任何类别的最近训练数据点之间的距离最大（所谓的功能裕量），因为通常裕量越大，分类器分类器的泛化误差就越小。

通常与“内核函数”一起使用，本质上是对有效地使空间非线性化的标准内部产品的替代。这大致相当于从你的空间到应用线性分类器的某个“工作空间”中进行非线性变换，然后将结果拉回到您的原始空间，在该原始空间中，分类器使用的线性子空间不再是线性的。

支持向量机使用内核函数将数据隐式映射到可以线性分离的特征空间中：

理解随机森林

在机器学习中，随机森林是一个包含多个决策树的分类器， 并且其输出的类别是由个别树输出的类别的众数而定。(少数服从多数)

随机森林的构建过程：

1. 假如有N个样本，则有放回的随机选择N个样本(每次随机选择一个样本，然后返回继续选择)。这选择好了的N个样本用来训练一个决策树，作为决策树根节点处的样本。
2. 当每个样本有M个属性时，在决策树的每个节点需要分裂时，随机从这M个属性中选取出m个属性，满足条件m < M。然后从这m个属性中采用某种策略（比如说信息增益）来选择1个属性作为该节点的分裂属性。
3. 决策树形成过程中每个节点都要按照步骤2来分裂（很容易理解，如果下一次该节点选出来的那一个属性是刚刚其父节点分裂时用过的属性，则该节点已经达到了叶子节点，无须继续分裂了）。一直到不能够再分裂为止。注意整个决策树形成过程中没有进行剪枝。
4. 按照步骤1~3建立大量的决策树，这样就构成了随机森林了。

例子： 我要到杭州旅游，刚好我有3个杭州的朋友，我让他们推荐景点，A推荐西湖、灵隐寺，B推荐西湖、南宋御街，C推荐西湖、雷峰塔。 大家都推荐西湖，那我一定得去西湖溜达溜达。这就是典型的随机森林的例子。

优点：

1）对于很多种资料，它可以产生高准确度的分类器；

2）它可以处理大量的输入变数；

3）它可以在决定类别时，评估变数的重要性；

4）在建造森林时，它可以在内部对于一般化后的误差产生不偏差的估计；

5）它包含一个好方法可以估计遗失的资料，并且，如果有很大一部分的资料遗失，仍可以维持准确度；

6）它提供一个实验方法，可以去侦测variable interactions；

7）对于不平衡的分类资料集来说，它可以平衡误差；

8）它计算各例中的亲近度，对于数据挖掘、侦测离群点（outlier）和将资料视觉化非常有用；

9）使用上述。它可被延伸应用在未标记的资料上，这类资料通常是使用非监督式聚类。也可侦测偏离者和观看资料；

10）学习过程是很快速的。

理解KNN

一、KNN算法概述

　　邻近算法，或者说K最近邻(KNN，K-NearestNeighbor)分类算法是数据挖掘分类技术中最简单的方法之一。所谓K最近邻，就是K个最近的邻居的意思，说的是每个样本都可以用它最接近的K个邻居来代表。Cover和Hart在1968年提出了最初的邻近算法。KNN是一种分类(classification)算法，它输入基于实例的学习（instance-based learning），属于懒惰学习（lazy learning）即KNN没有显式的学习过程，也就是说没有训练阶段，数据集事先已有了分类和特征值，待收到新样本后直接进行处理。与急切学习（eager learning）相对应。

　　KNN是通过测量不同特征值之间的距离进行分类。

　　思路是：如果一个样本在特征空间中的k个最邻近的样本中的大多数属于某一个类别，则该样本也划分为这个类别。KNN算法中，所选择的邻居都是已经正确分类的对象。该方法在定类决策上只依据最邻近的一个或者几个样本的类别来决定待分样本所属的类别。

　　提到KNN，网上最常见的就是下面这个图，可以帮助大家理解。

　　我们要确定绿点属于哪个颜色（红色或者蓝色），要做的就是选出距离目标点距离最近的k个点，看这k个点的大多数颜色是什么颜色。当k取3的时候，我们可以看出距离最近的三个，分别是红色、红色、蓝色，因此得到目标点为红色。

算法的描述：

　　1）计算测试数据与各个训练数据之间的距离

　　2）按照距离的递增关系进行排序

　　3）选取距离最小的K个点

　　4）确定前K个点所在类别的出现频率

　　5）返回前K个点中出现频率最高的类别作为测试数据的预测分类

二、关于K的取值

　　K：临近数，即在预测目标点时取几个临近的点来预测。

　　K值得选取非常重要，因为：

　　如果当K的取值过小时，一旦有噪声得成分存在们将会对预测产生比较大影响，例如取K值为1时，一旦最近的一个点是噪声，那么就会出现偏差，K值的减小就意味着整体模型变得复杂，容易发生过拟合。

　　如果K的值取的过大时，就相当于用较大邻域中的训练实例进行预测，学习的近似误差会增大。这时与输入目标点较远实例也会对预测起作用，使预测发生错误。K值的增大就意味着整体的模型变得简单。

　　如果K==N的时候，那么就是取全部的实例，即为取实例中某分类下最多的点，就对预测没有什么实际的意义了。

　　K的取值尽量要取奇数，以保证在计算结果最后会产生一个较多的类别，如果取偶数可能会产生相等的情况，不利于预测。

K的取法：

　　常用的方法是从k=1开始，使用检验集估计分类器的误差率。重复该过程，每次K增值1，允许增加一个近邻。选取产生最小误差率的K。

　　一般k的取值不超过20，上限是n的开方，随着数据集的增大，K的值也要增大。

三、关于距离的选取

　　距离就是平面上两个点的直线距离

　　关于距离的度量方法，常用的有：欧几里得距离、余弦值（cos）, 相关度 （correlation）, 曼哈顿距离 （Manhattan distance）或其他。

　　Euclidean Distance 定义：

　　两个点或元组P1=（x1，y1）和P2=（x2，y2）的欧几里得距离是:

距离公式为：（多个维度的时候是多个维度各自求差）

四、特点

优点：

1）思想简单，理论成熟，既可以用来做分类也可以用来做回归

2）可用于非线性分类

3）训练时间复杂度为O(n)

4）准确度高，对数据没有假设，对outlier不敏感

缺点：

1）计算量太大

2）对于样本分类不均衡的问题，会产生误判

3）需要大量的内存

4）输出的可解释性不强

有监督学习、无监督学习、半监督学习的区别

监督学习：给小朋友一本有课后答案的习题册，让小朋友自己做题，并自己校对答案。 无监督学习：比如参加一些开放性的竞赛（比如：数学建模竞赛），出题人只给出题目。参赛者，需要根据题目找出结构和规则，才能解题。（在没有老师的情况下，学生自学的过程。学生在学习的过程中，自己对知识进行归纳、总结。无监督学习中，类似分类和回归中的目标变量事先并不存在。要回答的问题是“从数据X中能发现什么”。） 半监督学习：家教，家教老师给学生讲一两道例题思路，然后给学生布置没有答案的课后习题，让学生课后自己完成。

监督学习是最常见的一种机器学习，它的训练数据是有标签的，训练目标是能够给新数据（测试数据）以正确的标签。 例如，想让AI知道什么是猫什么是狗，一开始我们先将一些猫的图片和狗的图片（带标签）一起进行训练，学习模型不断捕捉这些图片与标签间的联系进行自我调整和完善，然后我们给一些不带标签的新图片，让该AI来猜猜这些图片是猫还是狗。 经典的算法：支持向量机、回归、决策树、朴素贝叶斯

无监督学习常常被用于数据挖掘，用于在大量无标签数据中发现些什么。它的训练数据是无标签的，训练目标是能对观察值进行分类或者区分等。相对于监督学习，无监督学习使用的是没有标签的数据。机器会主动学习数据的特征，并将它们分为若干类别，相当于形成「未知的标签」。 非监督性学习是只给特征，没有给标签，就是高考前的一些模拟试卷，是没有标准答案的，也就是没有参照是对还是错，但是我们还是可以根据这些问题之间的联系将语文、数学、英语分开。 通常无监督学习是指不需要人为注释的样本中抽取信息。例如word2vec。 经典的算法：k-means、PCA等；

半监督学习介于两者之间。算法上，包括一些对常用监督式学习算法的延伸，这些算法首先试图对未标识数据进行建模，在此基础上再对标识的数据进行预测。隐藏在半监督学习下的基本规律在于：数据的分布必然不是完全随机的，通过一些有标签数据的局部特征，以及更多没标签数据的整体分布，就可以得到可以接受甚至是非常好的分类结果。（此处大量忽略细节） 例如：很多实际问题中，只有少量的带有标记的数据，因为对数据进行标记的代价有时很高。比如找到照片并给照片上的猫标上标签（lable）很麻烦，但是猫的各种姿势的猫片网上一搜一大堆。那我们能不能手动标记一部分猫片，然后让AI学习训练，然后再剩下没标记的猫片上做实验呢？ 经典算法：S3VM半监督支持向量机

有监督学习建模步骤

监督学习是使用已知正确答案的示例来训练网络，每组训练数据有一个明确的标识或结果。想象一下，我们可以训练一个网络，让其从照片库中（其中包含气球的照片）识别出气球的照片。以下就是我们在这个假设场景中所要采取的步骤。

步骤1：数据集的创建和分类 ​
首先，浏览你的照片（数据集），确定所有包含气球的照片，并对其进行标注。然后，将所有照片分为训练集和验证集。目标就是在深度网络中找一函数，这个函数输入是任意一张照片，当照片中包含气球时，输出1，否则输出0。

步骤2：数据增强（Data Augmentation） ​
当原始数据搜集和标注完毕，一般搜集的数据并不一定包含目标在各种扰动下的信息。数据的好坏对于机器学习模型的预测能力至关重要，因此一般会进行数据增强。对于图像数据来说，数据增强一般包括，图像旋转，平移，颜色变换，裁剪，仿射变换等。

步骤3：特征工程（Feature Engineering） ​
一般来讲，特征工程包含特征提取和特征选择。常见的手工特征(Hand-Crafted Feature)有尺度不变特征变换(Scale-Invariant Feature Transform, SIFT)，方向梯度直方图(Histogram of Oriented Gradient, HOG)等。由于手工特征是启发式的，其算法设计背后的出发点不同，将这些特征组合在一起的时候有可能会产生冲突，如何将组合特征的效能发挥出来，使原始数据在特征空间中的判别性最大化，就需要用到特征选择的方法。在深度学习方法大获成功之后，人们很大一部分不再关注特征工程本身。因为，最常用到的卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)本身就是一种特征提取和选择的引擎。研究者提出的不同的网络结构、正则化、归一化方法实际上就是深度学习背景下的特征工程。

步骤4：构建预测模型和损失 ​
将原始数据映射到特征空间之后，也就意味着我们得到了比较合理的输入。下一步就是构建合适的预测模型得到对应输入的输出。而如何保证模型的输出和输入标签的一致性，就需要构建模型预测和标签之间的损失函数，常见的损失函数(Loss Function)有交叉熵、均方差等。通过优化方法不断迭代，使模型从最初的初始化状态一步步变化为有预测能力的模型的过程，实际上就是学习的过程。

步骤5：训练 ​
选择合适的模型和超参数进行初始化，其中超参数比如支持向量机中核函数、误差项惩罚权重等。当模型初始化参数设定好后，将制作好的特征数据输入到模型，通过合适的优化方法不断缩小输出与标签之间的差距，当迭代过程到了截止条件，就可以得到训练好的模型。优化方法最常见的就是梯度下降法及其变种，使用梯度下降法的前提是优化目标函数对于模型是可导的。

步骤6：验证和模型选择 ​
训练完训练集图片后，需要进行模型测试。利用验证集来验证模型是否可以准确地挑选出含有气球在内的照片。在此过程中，通常会通过调整和模型相关的各种事物（超参数）来重复步骤2和3，诸如里面有多少个节点，有多少层，使用怎样的激活函数和损失函数，如何在反向传播阶段积极有效地训练权值等等。

步骤7：测试及应用 ​
当有了一个准确的模型，就可以将该模型部署到你的应用程序中。你可以将预测功能发布为API（Application Programming Interface, 应用程序编程接口）调用，并且你可以从软件中调用该API，从而进行推理并给出相应的结果。

常用分类算法优缺点对比

分类算法的评估方法

评价指标列表

基本概念

针对一个二分类问题，即将实例分成正类（positive）或负类（negative），在实际分类中会出现以下四种情况：
（1）若一个实例是正类，并且被预测为正类，即为真正类(True Positive TP)
（2）若一个实例是正类，但是被预测为负类，即为假负类(False Negative FN)
（3）若一个实例是负类，但是被预测为正类，即为假正类(False Positive FP)
（4）若一个实例是负类，并且被预测为负类，即为真负类(True Negative TN)

准确率(Accuracy)
定义：对于给定的测试数据集，分类器正确分类的样本数与总样本数之比。
计算公式：

缺点：在正负样本不平衡的情况下，这个指标有很大的缺陷。例如：给定一组测试样本共1100个实例，其中1000个是正类，剩余100个是负类。即使分类模型将所有实例均预测为正类，Accuracy也有90%以上，这样就没什么意义了。

精确率(Precision)、召回率(Recall)和F1值
精确率和召回率是广泛用于信息检索和统计学分类领域的两个度量值，用来评价结果的质量。其中：
精确率是检索出相关文档数与检索出的文档总数的比率（正确分类的正例个数占分类为正例的实例个数的比例），衡量的是检索系统的查准率。

召回率是指检索出的相关文档数和文档库中所有的相关文档数的比率（正确分类的正例个数占实际正例个数的比例），衡量的是检索系统的查全率。

为了能够评价不同算法优劣，在Precision和Recall的基础上提出了F1值的概念，来对Precision和Recall进行整体评价。F1的定义如下：

我们当然希望检索结果（分类结果）的Precision越高越好，同时Recall也越高越好，但事实上这两者在某些情况下有矛盾的。比如极端情况下，我们只搜索出了一个结果，且是准确的（分类后的正确实例只有一个，且该实例原本就是正实例），那么Precision就是100%，但是Recall就会很低；而如果我们把所有结果都返回（所有的结果都被分类为正实例），那么Recall是100%，但是Precision就会很低。因此在不同的场合中需要自己判断希望Precision比较高还是Recall比较高。如果是做实验研究，可以绘制Precision-Recall曲线来帮助分析。

综合评价指标F-Measure
Precision和Recall指标有时候会出现矛盾的情况，这样就需要综合考虑他们，最常见的方法就是F-Measure（又称为F-Score）。F-Score是Precision和Recall的加权调和平均：

哪些机器学习算法不需要做归一化处理？

在实际应用中，通过梯度下降法求解的模型一般都是需要归一化的，比如线性回归、logistic回归、KNN、SVM、神经网络等模型。

但树形模型不需要归一化，因为它们不关心变量的值，而是关心变量的分布和变量之间的条件概率，如决策树、随机森林(Random Forest)。

归一化和标准化主要是为了使计算更方便 比如两个变量的量纲不同，可能一个的数值远大于另一个那么他们同时作为变量的时候 可能会造成数值计算的问题，比如说求矩阵的逆可能很不精确 或者梯度下降法的收敛比较困难，还有如果需要计算欧式距离的话，可能量纲也需要调整，所以我估计lr和knn 标准化一下应该有好处。 至于其他的算法，我也觉得如果变量量纲差距很大的话，先标准化一下会有好处。

我们会经常提到标准化、归一化，那到底什么是标准化和归一化呢？

标准化：特征均值为0，方差为1 公式：

归一化：把每个特征向量（特别是奇异样本数据）的值都缩放到相同数值范围，如[0,1]或[-1,1]。

最常用的归一化形式就是将特征向量调整为L1范数（就是绝对值相加），使特征向量的数值之和为1。 而L2范数就是欧几里得之和。 data_normalized = preprocessing.normalize( data , norm="L1" )

公式：

这个方法经常用于确保数据点没有因为特征的基本性质而产生较大差异，即确保数据处于同一数量级（同一量纲），提高不同特征数据的可比性。

树形结构为什么不需要归一化？

因为数值缩放不影响分裂点位置，对树模型的结构不造成影响。 按照特征值进行排序的，排序的顺序不变，那么所属的分支以及分裂点就不会有不同。而且，树模型是不能进行梯度下降的，因为构建树模型（回归树）寻找最优点时是通过寻找最优分裂点完成的，因此树模型是阶跃的，阶跃点是不可导的，并且求导没意义，也就不需要归一化。

既然树形结构（如决策树、随机森林）不需要归一化，那为何非树形结构比如Adaboost、SVM、LR、KNN、KMeans之类则需要归一化呢？

对于线性模型，特征值差别很大时，比如说LR，我有两个特征，一个是(0,1)的，一个是(0,10000)的，运用梯度下降的时候，损失等高线不是椭圆形，需要进行多次迭代才能到达最优点。 但是如果进行了归一化，那么等高线就是圆形的，促使SGD往原点迭代，从而导致需要的迭代次数较少。

欧氏距离和曼哈顿距离区别

欧氏距离，最常见的两点之间或多点之间的距离表示法，又称之为欧几里得度量，它定义于欧几里得空间中，如点 x = (x1,...,xn) 和 y = (y1,...,yn) 之间的距离为：

欧氏距离虽然很有用，但也有明显的缺点。它将样本的不同属性（即各指标或各变量量纲）之间的差别等同看待，这一点有时不能满足实际要求。例如，在教育研究中，经常遇到对人的分析和判别，个体的不同属性对于区分个体有着不同的重要性。因此，欧氏距离适用于向量各分量的度量标准统一的情况。

曼哈顿距离，我们可以定义曼哈顿距离的正式意义为L1-距离或城市区块距离，也就是在欧几里得空间的固定直角坐标系上两点所形成的线段对轴产生的投影的距离总和。例如在平面上，坐标（x1, y1）的点P1与坐标（x2, y2）的点P2的曼哈顿距离为：

要注意的是，曼哈顿距离依赖座标系统的转度，而非系统在坐标轴上的平移或映射。当坐标轴变动时，点间的距离就会不同。

通俗来讲，想象你在曼哈顿要从一个十字路口开车到另外一个十字路口，驾驶距离是两点间的直线距离吗？显然不是，除非你能穿越大楼。而实际驾驶距离就是这个“曼哈顿距离”，这也是曼哈顿距离名称的来源， 同时，曼哈顿距离也称为城市街区距离(City Block distance)。

曼哈顿距离和欧式距离一般用途不同，无相互替代性。

逻辑回归介绍

logistic回归又称logistic回归分析，是一种广义的线性回归分析模型，常用于数据挖掘，疾病自动诊断，经济预测等领域。例如，探讨引发疾病的危险因素，并根据危险因素预测疾病发生的概率等。以胃癌病情分析为例，选择两组人群，一组是胃癌组，一组是非胃癌组，两组人群必定具有不同的体征与生活方式等。因此因变量就为是否胃癌，值为“是”或“否”，自变量就可以包括很多了，如年龄、性别、饮食习惯、幽门螺杆菌感染等。自变量既可以是连续的，也可以是分类的。然后通过logistic回归分析，可以得到自变量的权重，从而可以大致了解到底哪些因素是胃癌的危险因素。同时根据该权值可以根据危险因素预测一个人患癌症的可能性。

虽然逻辑斯蒂回归姓回归，不过其实它的真实身份是二分类器。先弄清楚一个概念：线性分类器。

给定一些数据点，它们分别属于两个不同的类，现在要找到一个线性分类器把这些数据分成两类。

如果用x表示数据点，用y表示类别（y可以取1或者-1，分别代表两个不同的类），一个线性分类器的学习目标便是要在n维的数据空间中找到一个超平面（hyper plane），这个超平面的方程可以表示为（ wT中的T代表转置）：

可能有有人对类别取1或-1有疑问，事实上，这个1或-1的分类标准起源于logistic回归。

Logistic回归目的是从特征学习出一个0/1分类模型，而这个模型是将特性的线性组合作为自变量，由于自变量的取值范围是负无穷到正无穷。因此，使用logistic函数（或称作sigmoid函数）将自变量映射到(0,1)上，映射后的值被认为是属于y=1的概率。

假设函数

其中x是n维特征向量，函数g就是logistic函数。

而 的图像是

可以看到，将无穷映射到了(0,1)。
而假设函数就是特征属于y=1的概率。

从而，当我们要判别一个新来的特征属于哪个类时，只需求即可，若大于0.5就是y=1的类，反之属于y=0类。

逻辑回归为什么要对特征进行离散化？

解析一：
① 非线性！非线性！非线性！逻辑回归属于广义线性模型，表达能力受限；单变量离散化为N个后，每个变量有单独的权重，相当于为模型引入了非线性，能够提升模型表达能力，加大拟合； 离散特征的增加和减少都很容易，易于模型的快速迭代；
② 速度快！速度快！速度快！稀疏向量内积乘法运算速度快，计算结果方便存储，容易扩展；
③ 鲁棒性！鲁棒性！鲁棒性！离散化后的特征对异常数据有很强的鲁棒性：比如一个特征是年龄>30是1，否则0。如果特征没有离散化，一个异常数据“年龄300岁”会给模型造成很大的干扰；
④ 方便交叉与特征组合：离散化后可以进行特征交叉，由M+N个变量变为M*N个变量，进一步引入非线性，提升表达能力；
⑤ 稳定性：特征离散化后，模型会更稳定，比如如果对用户年龄离散化，20-30作为一个区间，不会因为一个用户年龄长了一岁就变成一个完全不同的人。当然处于区间相邻处的样本会刚好相反，所以怎么划分区间是门学问；
⑥ 简化模型：特征离散化以后，起到了简化了逻辑回归模型的作用，降低了模型过拟合的风险。

LR和SVM的联系与区别

相同点
①都是线性分类器。本质上都是求一个最佳分类超平面。
②都是监督学习算法。
③都是判别模型。判别模型不关心数据是怎么生成的，它只关心信号之间的差别，然后用差别来简单对给定的一个信号进行分类。常见的判别模型有：KNN、SVM、LR，常见的生成模型有：朴素贝叶斯，隐马尔可夫模型。

不同点

1. 本质上是损失函数不同
   LR的损失函数是交叉熵：
   

SVM的目标函数：

逻辑回归基于概率理论，假设样本为正样本的概率可以用sigmoid函数（S型函数）来表示，然后通过极大似然估计的方法估计出参数的值。
支持向量机基于几何间隔最大化原理，认为存在最大几何间隔的分类面为最优分类面。

2. 两个模型对数据和参数的敏感程度不同
   SVM考虑分类边界线附近的样本（决定分类超平面的样本）。在支持向量外添加或减少任何样本点对分类决策面没有任何影响；
   LR受所有数据点的影响。直接依赖数据分布，每个样本点都会影响决策面的结果。如果训练数据不同类别严重不平衡，则一般需要先对数据做平衡处理，让不同类别的样本尽量平衡。

3. SVM 基于距离分类，LR 基于概率分类。
   SVM依赖数据表达的距离测度，所以需要对数据先做 normalization；LR不受其影响。

4. 在解决非线性问题时，支持向量机采用核函数的机制，而LR通常不采用核函数的方法。
   SVM算法里，只有少数几个代表支持向量的样本参与分类决策计算，也就是只有少数几个样本需要参与核函数的计算。
   LR算法里，每个样本点都必须参与分类决策的计算过程，也就是说，假设我们在LR里也运用核函数的原理，那么每个样本点都必须参与核计算，这带来的计算复杂度是相当高的。尤其是数据量很大时，我们无法承受。所以，在具体应用时，LR很少运用核函数机制。

5. 在小规模数据集上，Linear SVM要略好于LR，但差别也不是特别大，而且Linear SVM的计算复杂度受数据量限制，对海量数据LR使用更加广泛。

6. SVM的损失函数就自带正则，而 LR 必须另外在损失函数之外添加正则项。
   

overfitting怎么解决？

overfitting就是过拟合, 其直观的表现如下图所示，随着训练过程的进行，模型复杂度增加，在training data上的error渐渐减小，但是在验证集上的error却反而渐渐增大——因为训练出来的网络过拟合了训练集, 对训练集外的数据却不work, 这称之为泛化(generalization)性能不好。泛化性能是训练的效果评价中的首要目标，没有良好的泛化，就等于南辕北辙, 一切都是无用功。

过拟合是泛化的反面，好比乡下快活的刘姥姥进了大观园会各种不适应，但受过良好教育的林黛玉进贾府就不会大惊小怪。实际训练中, 降低过拟合的办法一般如下：

正则化(Regularization)
L2正则化：目标函数中增加所有权重w参数的平方之和, 逼迫所有w尽可能趋向零但不为零. 因为过拟合的时候, 拟合函数需要顾忌每一个点, 最终形成的拟合函数波动很大, 在某些很小的区间里, 函数值的变化很剧烈, 也就是某些w非常大. 为此, L2正则化的加入就惩罚了权重变大的趋势.
L1正则化：目标函数中增加所有权重w参数的绝对值之和, 逼迫更多w为零(也就是变稀疏. L2因为其导数也趋0, 奔向零的速度不如L1给力了). 大家对稀疏规则化趋之若鹜的一个关键原因在于它能实现特征的自动选择。一般来说，xi的大部分元素（也就是特征）都是和最终的输出yi没有关系或者不提供任何信息的，在最小化目标函数的时候考虑xi这些额外的特征，虽然可以获得更小的训练误差，但在预测新的样本时，这些没用的特征权重反而会被考虑，从而干扰了对正确yi的预测。稀疏规则化算子的引入就是为了完成特征自动选择的光荣使命，它会学习地去掉这些无用的特征，也就是把这些特征对应的权重置为0。

随机失活(dropout)
在训练的运行的时候，让神经元以超参数p的概率被激活(也就是1-p的概率被设置为0), 每个w因此随机参与, 使得任意w都不是不可或缺的, 效果类似于数量巨大的模型集成。

逐层归一化(batch normalization)
这个方法给每层的输出都做一次归一化(网络上相当于加了一个线性变换层), 使得下一层的输入接近高斯分布. 这个方法相当于下一层的w训练时避免了其输入以偏概全, 因而泛化效果非常好.

提前终止(early stopping)
理论上可能的局部极小值数量随参数的数量呈指数增长, 到达某个精确的最小值是不良泛化的一个来源. 实践表明, 追求细粒度极小值具有较高的泛化误差。这是直观的，因为我们通常会希望我们的误差函数是平滑的, 精确的最小值处所见相应误差曲面具有高度不规则性, 而我们的泛化要求减少精确度去获得平滑最小值, 所以很多训练方法都提出了提前终止策略. 典型的方法是根据交叉叉验证提前终止: 若每次训练前, 将训练数据划分为若干份, 取一份为测试集, 其他为训练集, 每次训练完立即拿此次选中的测试集自测. 因为每份都有一次机会当测试集, 所以此方法称之为交叉验证. 交叉验证的错误率最小时可以认为泛化性能最好, 这时候训练错误率虽然还在继续下降, 但也得终止继续训练了.

什么是熵？

从名字上来看，熵给人一种很玄乎，不知道是啥的感觉。其实，熵的定义很简单，即用来表示随机变量的不确定性。之所以给人玄乎的感觉，大概是因为为何要取这样的名字，以及怎么用。
熵的概念最早起源于物理学，用于度量一个热力学系统的无序程度。在信息论里面，熵是对不确定性的测量。

熵的引入
事实上，熵的英文原文为entropy，最初由德国物理学家鲁道夫·克劳修斯提出，其表达式为：

它表示一个系统在不受外部干扰时，其内部最稳定的状态。后来一中国学者翻译entropy时，考虑到entropy是能量Q跟温度T的商，且跟火有关，便把entropy形象的翻译成“熵”。
我们知道，任何粒子的常态都是随机运动，也就是"无序运动"，如果让粒子呈现"有序化"，必须耗费能量。所以，温度（热能）可以被看作"有序化"的一种度量，而"熵"可以看作是"无序化"的度量。
如果没有外部能量输入，封闭系统趋向越来越混乱（熵越来越大）。比如，如果房间无人打扫，不可能越来越干净（有序化），只可能越来越乱（无序化）。而要让一个系统变得更有序，必须有外部能量的输入。
1948年，香农Claude E. Shannon引入信息（熵），将其定义为离散随机事件的出现概率。一个系统越是有序，信息熵就越低；反之，一个系统越是混乱，信息熵就越高。所以说，信息熵可以被认为是系统有序化程度的一个度量。

什么是梯度下降？

经常在机器学习中的优化问题中看到一个算法，即梯度下降法，那到底什么是梯度下降法呢？

维基百科给出的定义是梯度下降法（Gradient descent）是一个一阶最优化算法，通常也称为最速下降法。 要使用梯度下降法找到一个函数的局部极小值，必须向函数上当前点对应梯度（或者是近似梯度）的反方向的规定步长距离点进行迭代搜索。如果相反地向梯度正方向迭代进行搜索，则会接近函数的局部极大值点；这个过程则被称为梯度上升法。

额，问题又来了，什么是梯度？为了避免各种复杂的说辞，咱们可以这样简单理解，在单变量的实值函数的情况，梯度就是导数，或者，对于一个线性函数，也就是线的斜率。

1.1 梯度下降法示例

举个形象的例子吧，比如当我们要做一个房屋价值的评估系统，那都有哪些因素决定或影响房屋的价值呢？比如说面积、房子的大小（几室几厅）、地段、朝向等等，这些影响房屋价值的变量被称为特征(feature)。在这里，为了简单，我们假定房屋只由一个变量影响，那就是房屋的面积。

假设有一个房屋销售的数据如下：
面积(m^2) 销售价钱（万元）
123 250
150 320
87 160
102 220
… …

插句题外话，顺便吐下槽，这套房屋价格数据在五年前可能还能买到帝都5环左右的房子，但现在只能买到二线城市的房屋了。

我们可以做出一个图，x轴是房屋的面积。y轴是房屋的售价，如下：

如果来了一个新的房子/面积，假设在房屋销售价格的记录中没有的，我们怎么办呢？

我们可以用一条曲线去尽量准的拟合这些数据，然后如果有新的输入面积，我们可以在将曲线上这个点对应的值返回。如果用一条直线去拟合房屋价格数据，可能如下图这个样子：

而图中绿色的点就是我们想要预测的点。

为了数学建模，首先给出一些概念和常用的符号。

房屋销售记录表 – 训练集(training set)或者训练数据(training data), 是我们流程中的输入数据，一般称为x
房屋销售价钱 – 输出数据，一般称为y
拟合的函数（或者称为假设或者模型），一般写做 y = h(x)
训练数据的条目数(#training set), 一条训练数据是由一对输入数据和输出数据组成的
输入数据的维度(特征的个数，#features)，n

然后便是一个典型的机器学习的过程，首先给出一个输入数据，我们的算法会通过一系列的过程得到一个估计的函数，这个函数有能力对没有见过的新数据给出一个新的估计，也被称为构建一个模型。

我们用X1，X2..Xn 去描述feature里面的分量，比如x1=房间的面积，x2=房间的朝向等等，我们可以做出一个估计函数：

θ在这儿称为参数，在这儿的意思是调整feature中每个分量的影响力，就是到底是房屋的面积更重要还是房屋的地段更重要。

如果我们令X0 = 1，就可以用向量的方式来表示了：

我们程序也需要一个机制去评估我们θ是否比较好，所以说需要对我们做出的h函数进行评估，一般这个进行评估的函数称为损失函数（loss function），描述h函数不好的程度，这里我们称这个函数为J函数。

换言之，我们把对x(i)的估计值与真实值y(i)差的平方和作为损失函数，前面乘上的系数1/2是为了方便求导（且在求导的时候，这个系数会消掉）。
如何调整θ以使得J(θ)取得最小值有很多方法，其中有最小二乘法(min square)，是一种完全是数学描述的方法，另外一种就是梯度下降法。

1.2 梯度下降算法流程

梯度下降法的算法流程如下：
1）首先对θ赋值，这个值可以是随机的，也可以让θ是一个全零的向量。
2）改变θ的值，使得J(θ)按梯度下降的方向进行减少。

为了描述的更清楚，给出下面的图：

这是一个表示参数θ与误差函数J(θ)的关系图，红色的部分是表示J(θ)有着比较高的取值，我们需要的是，能够让J(θ)的值尽量的低，也就是达到深蓝色的部分（让误差/损失最小嘛）。θ0，θ1表示θ向量的两个维度。

在上面提到梯度下降法的第一步是给θ给一个初值，假设随机给的初值是在图上的十字点。

然后我们将θ按照梯度下降的方向进行调整，就会使得J(θ)往更低的方向进行变化，如下图所示，算法的结束将是在J(θ)下降到无法继续下降为止。

当然，可能梯度下降的最终点并非是全局最小点，即也可能是一个局部最小点，如下图所示：

上面这张图就是描述的一个局部最小点，这是我们重新选择了一个初始点得到的，看来我们这个算法将会在很大的程度上被初始点的选择影响而陷入局部最小点。
下面我将用一个例子描述一下梯度减少的过程，对于我们的函数J(θ)求偏导J：

下面是更新的过程，也就是θi会向着梯度最小的方向进行减少。θi表示更新之前的值，-后面的部分表示按梯度方向减少的量，α表示步长，也就是每次按照梯度减少的方向变化多少。

一个很重要的地方值得注意的是，梯度是有方向的，对于一个向量θ，每一维分量θi都可以求出一个梯度的方向，我们就可以找到一个整体的方向，在变化的时候，我们就朝着下降最多的方向进行变化就可以达到一个最小点，不管它是局部的还是全局的。

用更简单的数学语言进行描述步骤2）是这样的：

线性回归与逻辑回归的区别与联系

LR工业上一般指Logistic Regression(逻辑回归)而不是Linear Regression(线性回归). LR在线性回归的实数范围输出值上施加sigmoid函数将值收敛到0~1范围, 其目标函数也因此从差平方和函数变为对数损失函数, 以提供最优化所需导数（sigmoid函数是softmax函数的二元特例, 其导数均为函数值的f*(1-f)形式）。请注意, LR往往是解决二元0/1分类问题的, 只是它和线性回归耦合太紧, 不自觉也冠了个回归的名字(马甲无处不在). 若要求多元分类,就要把sigmoid换成大名鼎鼎的softmax了。

个人感觉逻辑回归和线性回归首先都是广义的线性回归，其次经典线性模型的优化目标函数是最小二乘，而逻辑回归则是似然函数，另外线性回归在整个实数域范围内进行预测，敏感度一致，而分类范围，需要在[0,1]。逻辑回归就是一种减小预测范围，将预测值限定为[0,1]间的一种回归模型，因而对于这类问题来说，逻辑回归的鲁棒性比线性回归的要好。

逻辑回归的模型本质上是一个线性回归模型，逻辑回归都是以线性回归为理论支持的。但线性回归模型无法做到sigmoid的非线性形式，sigmoid可以轻松处理0/1分类问题。

机器学习中的正则化是什么意思？

经常在各种文章或资料中看到正则化，比如说，一般的目标函数都包含下面两项

其中，误差/损失函数鼓励我们的模型尽量去拟合训练数据，使得最后的模型会有比较少的 bias。而正则化项则鼓励更加简单的模型。因为当模型简单之后，有限数据拟合出来结果的随机性比较小，不容易过拟合，使得最后模型的预测更加稳定。

但一直没有一篇好的文章理清到底什么是正则化？

说到正则化，得先从过拟合问题开始谈起。
The Problem of Overfitting(过拟合问题)
拟合问题举例-线性回归之房价问题：

a) 欠拟合(underfit, 也称High-bias，图片来源：斯坦福大学机器学习第七课“正则化”)

b) 合适的拟合：

c) 过拟合(overfit,也称High variance)

什么是过拟合(Overfitting):

如果我们有非常多的特征，那么所学的Hypothesis有可能对训练集拟合的非常好()，但是对于新数据预测的很差。

过拟合例子2-逻辑回归：
与上一个例子相似，依次是欠拟合，合适的拟合以及过拟合：

a) 欠拟合

b) 合适的拟合

c) 过拟合

如何解决过拟合问题：
首先，过拟合问题往往源自过多的特征，例如房价问题，如果我们定义了如下的特征：

那么对于训练集，拟合的会非常完美：

所以针对过拟合问题，通常会考虑两种途径来解决：
a) 减少特征的数量：
-人工的选择保留哪些特征；
-模型选择算法

b) 正则化
-保留所有的特征，但是降低参数的量/值；
-正则化的好处是当特征很多时，每一个特征都会对预测y贡献一份合适的力量；

所以说，使用正则化的目的就是为了是为了防止过拟合。

如上图所示，红色这条想象力过于丰富上下横跳的曲线就是过拟合情形。结合上图和正则化的英文，直译应该叫规则化。

什么是规则？比如明星再红也不能违法，这就是规则，一个限制。同理，规划化就是给需要训练的目标函数加上一些规则（限制），让它们不要自我膨胀，不要过于上下无规则的横跳，不能无法无天。

L1正则化和L2正则化
机器学习中几乎都可以看到损失函数后面会添加一个额外项，常用的额外项一般有两种，一般英文称作ℓ1-norm和ℓ2-norm，中文称作L1正则化和L2正则化，或者L1范数和L2范数。

L1正则化和L2正则化可以看做是损失函数的惩罚项。所谓『惩罚』是指对损失函数中的某些参数做一些限制。

对于线性回归模型，使用L1正则化的模型建叫做Lasso回归，使用L2正则化的模型叫做Ridge回归（岭回归）。

下图是Python中Lasso回归的损失函数，式中加号后面一项α||w||1即为L1正则化项。

下图是Python中Ridge回归的损失函数，式中加号后面一项即为L2正则化项。

一般回归分析中回归w表示特征的系数，从上式可以看到正则化项是对系数做了处理（限制）。L1正则化和L2正则化的说明如下：
L1正则化是指权值向量w中各个元素的绝对值之和，通常表示为 ||w||1
L2正则化是指权值向量w中各个元素的平方和然后再求平方根（可以看到Ridge回归的L2正则化项有平方符号），通常表示为 ||w||2

一般都会在正则化项之前添加一个系数，Python中用α表示，一些文章也用λ表示。这个系数需要用户指定。

那添加L1和L2正则化有什么用？
L1正则化可以产生稀疏权值矩阵，即产生一个稀疏模型，可以用于特征选择
L2正则化可以防止模型过拟合（overfitting）。当然，一定程度上，L1也可以防止过拟合

稀疏模型与特征选择
上面提到L1正则化有助于生成一个稀疏权值矩阵，进而可以用于特征选择。为什么要生成一个稀疏矩阵？

稀疏矩阵指的是很多元素为0，只有少数元素是非零值的矩阵，即得到的线性回归模型的大部分系数都是0. 通常机器学习中特征数量很多，例如文本处理时，如果将一个词组（term）作为一个特征，那么特征数量会达到上万个（bigram）。

在预测或分类时，那么多特征显然难以选择，但是如果代入这些特征得到的模型是一个稀疏模型，表示只有少数特征对这个模型有贡献，绝大部分特征是没有贡献的，或者贡献微小（因为它们前面的系数是0或者是很小的值，即使去掉对模型也没有什么影响），此时我们就可以只关注系数是非零值的特征。这就是稀疏模型与特征选择的关系。

L1正则化和特征选择
假设有如下带L1正则化的损失函数：

其中J0是原始的损失函数，加号后面的一项是L1正则化项，α是正则化系数。注意到L1正则化是权值的绝对值之和，J是带有绝对值符号的函数，因此J是不完全可微的。

机器学习的任务就是要通过一些方法（比如梯度下降）求出损失函数的最小值。当我们在原始损失函数J0后添加L1正则化项时，相当于对J0做了一个约束。令L=α∑w|w|，则J=J0+L，此时我们的任务变成在L约束下求出J0取最小值的解。

考虑二维的情况，即只有两个权值w1和w2，此时L=|w1|+|w2|对于梯度下降法，求解J0的过程可以画出等值线，同时L1正则化的函数L也可以在w1w2的二维平面上画出来。

如下图：

图中等值线是J0的等值线，黑色方形是L函数的图形。

在图中，当J0等值线与LL图形首次相交的地方就是最优解。上图中J0与L在L的一个顶点处相交，这个顶点就是最优解。注意到这个顶点的值是(w1,w2)=(0,w)。可以直观想象，因为L函数有很多『突出的角』（二维情况下四个，多维情况下更多），J0与这些角接触的机率会远大于与L其它部位接触的机率，而在这些角上，会有很多权值等于0，这就是为什么L1正则化可以产生稀疏模型，进而可以用于特征选择。

而正则化前面的系数α，可以控制L图形的大小。α越小，L的图形越大（上图中的黑色方框）；α越大，L的图形就越小，可以小到黑色方框只超出原点范围一点点，这是最优点的值(w1,w2)=(0,w)中的w可以取到很小的值。

类似，假设有如下带L2正则化的损失函数：

同样可以画出他们在二维平面上的图形，如下：

二维平面下L2正则化的函数图形是个圆，与方形相比，被磨去了棱角。因此J0与L相交时使得w1或w2等于零的机率小了许多，这就是为什么L2正则化不具有稀疏性的原因。

PRML一书对这两个图是这么解释的

上图中的模型是线性回归，有两个特征，要优化的参数分别是w1和w2，左图的正则化是L2，右图是L1。蓝色线就是优化过程中遇到的等高线，一圈代表一个目标函数值，圆心就是样本观测值（假设一个样本），半径就是误差值，受限条件就是红色边界（就是正则化那部分），二者相交处，才是最优参数。

可见右边的最优参数只可能在坐标轴上，所以就会出现0权重参数，使得模型稀疏。

L2正则化和过拟合
拟合过程中通常都倾向于让权值尽可能小，最后构造一个所有参数都比较小的模型。因为一般认为参数值小的模型比较简单，能适应不同的数据集，也在一定程度上避免了过拟合现象。

可以设想一下对于一个线性回归方程，若参数很大，那么只要数据偏移一点点，就会对结果造成很大的影响；但如果参数足够小，数据偏移得多一点也不会对结果造成什么影响，专业一点的说法是『抗扰动能力强』。

那为什么L2正则化可以获得值很小的参数？

以线性回归中的梯度下降法为例。假设要求的参数为θ，hθ(x)是我们的假设函数，那么线性回归的代价函数如下：

那么在梯度下降法中，最终用于迭代计算参数θ的迭代式为：

其中α是learning rate. 上式是没有添加L2正则化项的迭代公式，如果在原始代价函数之后添加L2正则化，则迭代公式会变成下面的样子：

其中λ就是正则化参数。从上式可以看到，与未添加L2正则化的迭代公式相比，每一次迭代，θj都要先乘以一个小于1的因子，从而使得θj不断减小，因此总得来看，θ是不断减小的。

最开始也提到L1正则化一定程度上也可以防止过拟合。之前做了解释，当L1的正则化系数很小时，得到的最优解会很小，可以达到和L2正则化类似的效果。

最后再补充一个角度：正则化其实就是对模型的参数设定一个先验，这是贝叶斯学派的观点。L1正则是laplace先验，l2是高斯先验，分别由参数sigma确定。在数据少的时候，先验知识可以防止过拟合。

举两个最简单的例子。
1 、抛硬币，推断正面朝上的概率。如果只能抛5次，很可能5次全正面朝上，这样你就得出错误的结论：正面朝上的概率是1--------过拟合！如果你在模型里加正面朝上概率是0.5的先验，结果就不会那么离谱。这其实就是正则。
2、最小二乘回归问题：加L2范数正则等价于加了高斯分布的先验，加L1范数正则相当于加拉普拉斯分布先验。

线性分类器与非线性分类器的区别以及优劣

线性和非线性是针对，模型参数和输入特征来讲的；比如输入x，模型y=ax+ax^2那么就是非线性模型，如果输入是x和X^2则模型是线性的。
线性分类器可解释性好，计算复杂度较低，不足之处是模型的拟合效果相对弱些。
非线性分类器效果拟合能力较强，不足之处是数据量不足容易过拟合、计算复杂度高、可解释性不好。
常见的线性分类器有：贝叶斯分类，单层感知机、线性回归。
常见的非线性分类器：决策树、随机森林、GBDT、多层感知机。

L1和L2的区别

简单总结一下就是： L1范数: 为x向量各个元素绝对值之和。
L2范数: 为x向量各个元素平方和的1/2次方，L2范数又称Euclidean范数或者Frobenius范数。
Lp范数: 为x向量各个元素绝对值p次方和的1/p次方。

在支持向量机学习过程中，L1范数实际是一种对于成本函数求解最优的过程，因此，L1范数正则化通过向成本函数中添加L1范数，使得学习得到的结果满足稀疏化，从而方便人类提取特征，即L1范数可以使权值稀疏，方便特征提取。
L2范数可以防止过拟合，提升模型的泛化能力。

L1和L2的差别，为什么一个让绝对值最小，一个让平方最小，会有那么大的差别呢？看导数一个是1一个是w便知, 在靠进零附近, L1以匀速下降到零, 而L2则完全停下来了. 这说明L1是将不重要的特征(或者说, 重要性不在一个数量级上)尽快剔除, L2则是把特征贡献尽量压缩最小但不至于为零. 两者一起作用, 就是把重要性在一个数量级(重要性最高的)的那些特征一起平等共事(简言之, 不养闲人也不要超人)。