吴恩达机器学习全课程笔记第一篇

前言

P1 - P8

监督学习

无监督学习

P9-P14

线性回归模型

成本（代价）函数

P15-P20

梯度下降

P21-P24

多类特征

向量化

多元线性回归的梯度下降

P25-P30

特征缩放

检查梯度下降是否收敛

学习率的选择

特征工程

多项式回归

前言

从今天开始，争取能够在开学之前（2.25）把b站上的【吴恩达机器学习】教程过一遍，并把笔记记录于此，本笔记将会把此课程每一p的重点内容及其截屏记录于此，以供大家参考和本人日后复习，课程链接如下：

吴恩达机器学习教程（bilibili）

推荐网站：

scikit-learn中文社区

吴恩达机器学习github资料

P1 - P8

生活中用到机器学习的例子：浏览器搜索、图片分类、手机语音助手、医疗诊断...

机器学习：一门在没有明确编程的情况下让计算机学习的科学

两种主要类型：监督学习（较多使用）、无监督学习

监督学习

监督学习（英语：Supervised learning），又叫有监督学习，监督式学习，是机器学习的一种方法，可以由训练资料中学到或建立一个模式（函数 / learning model），并依此模式推测新的实例。[1]训练资料是由输入对象（通常是向量）和预期输出所组成。函数的输出可以是一个连续的值（称为回归分析），或是预测一个分类标签（称作分类）

无监督学习

无监督学习（英语：unsupervised learning），又称非监督式学习，是机器学习的一种方法，没有给定事先标记过的训练示例，自动对输入的资料进行分类或分群。无监督学习的主要运用包含：聚类分析（cluster analysis）、关系规则（association rule）、维度缩减（dimensionality reduce）。它是监督式学习和强化学习等策略之外的一种选择。

无监督学习主要包含：聚类、异常检测、降维

P9-P14

线性回归模型

训练集：用于训练模型的数据集，包括输入特征（如房屋大小）和输出目标（如房屋价格），要训练模型就要将训练集提供给学习的算法

在机器学习中表示输入的标准符号是小写的x，称之为输入变量或特征、输入特征，小写y是输出变量、目标变量

对于线性回归模型，如何表示上述的function（或者说model）？

w、b是模型的参数，这是可以在训练期间调整以改进模型的变量，也被称为系数或权重

具有一个输入变量的线性模型的另一个名称是单变量线性回归（univariate linear regression）

成本（代价）函数

成本函数采用预测y-hat并通过取y-hat减去y将其与目标y进行比较

平方误差成本函数（Squared error cost function）：

如果把b一直设置为0，那么f(x)与J(w,b)的关系大概如下：

但若不忽略b，则损失函数的图像应该是三维，而非二维：

可以把f(x)和上面的损失函数进行结合：

对于右上边的图，是w和b的所有的取值情况（本质是J(w,b）中不同的函数值在wb平面上的投影），那么易知J最小的wb取值一定在同心圆的圆心处，此时读取wb值再在f(x)中画出此直线发现确实很适合训练集。

P15-P20

梯度下降

梯度下降在机器学习中无处不在，不仅用于线性回归，还用于训练一些最先进的神经网络模型（也称为深度学习模型），梯度下降适用于一般的函数，包括适用于具有两个以上参数的模型的其他成本函数

梯度下降算法：

$\omega =\omega -\alpha \frac{\partial }{\partial \omega }J(w,b)$

其中“=”是赋值符号，α被称为学习率，通常是0到1之间的一个小正数，作用是控制下坡的步幅

另一个参数的处理同理：

$b =b -\alpha \frac{\partial }{\partial b }J(w,b)$

此算法将会同理进行上述两个操作直到算法收敛，同理需要注意两个细节：

需要注意，要同时更新w和b，实现方法如下：

梯度下降的直观理解：

如果学习率太小，使得得到最小成本J的速度很慢

如果学习率太大，可能无法得到正确的最小成本J，如下所示：

如果已经位于局部最小值，那么梯度下降会使W保持不变：

回到线性回归中，通过微积分推导出它的梯度下降算法式子：

然后，将上述推导的结果插入梯度下降算法：

初始化参数w和b的位置不同，可能会使得梯度下降以不同的局部最小值结束，但事实证明，当使用线性回归的平方误差成本函数时，成本函数不会也永远不会有多个局部最小值

在线性回归中，运行梯度下降，便会出现下面的现象：

每一步的梯度下降使用所有的训练集叫做：批（batch）梯度下降

还有其它版本的梯度下降不会查看整个训练集，而是在每个更新步骤查看训练数据的较小子集

P21-P24

多类特征

引入向量之后，便可以把多元线性回归式写成如下形式：

向量化

使用向量化可以使代码更短，也使其运行更有效

下面是使用python中的numpy库进行非向量化和向量化的演示：

可以看出，使用向量化有两个好处：

1.使得代码更短

2.使得代码的运行速度更快（幕后原因是numpy函数能够在计算机中使用并行硬件，类似hpc）

多元线性回归的梯度下降

线性回归求w和b的另一种方法：正规方程法normal equation，只适用于线性回归、不需要进行迭代

其缺点是：

1.不能推广到其他学习算法，比如不能适用于logistic回归算法等

2.速度非常慢

我们不需要自己实现正规方程法，但是如果我们使用的一个成熟的机器学习库，并调用线性回归，有可能在后端，它将使用正规方程法求解w和b

P25-P30

特征缩放

特征缩放技术可以使梯度下降运行得更快

我们先讨论特征大小和参数值的联系：

如上图所示，当特征取值较大时，其对应的参数一般较小，在坐标中显示如下：

可以看出，x1是房子的尺寸取值从300到3000，而x2是卧室的数量，取值从0到5，导致参数w1、w2可取值的范围是右图所示的瘦高的椭圆，这就导致了一个问题：如果在某一个初始位置开始使用梯度下降算法，虽然会不断逼近椭圆中心，但是会来回左右反弹，导致总路途很长

如果此时，我们把x1、x2做一个特征缩放，那么椭圆形就会变成圆形，这时候，就可以直接通过最短的路径到达圆的中心！如下所示：

下面研究如何进行特征缩放

第一种最简单的方法就是让每一个特征除以特征的可能最大取值

除此之外还可以做均值归一化（mean normalization）

最后一种方法叫做Z分数归一化（Z-score normalization）

当变量（特征）范围太大、太小，或者本身的值与其它的变量差距过大，我们就可以考虑使用特征的缩放

检查梯度下降是否收敛

第一种方法是自行绘制损失函数的值与迭代次数的关系图，这个曲线应该一直下降，最后趋于平稳，若某一次迭代曲线突然增长说明代码有bug或者学习率α偏大，不同的应用程序需要的迭代次数可能相差很大。

还有一种方法是自动检测方法，我们可以设置一个很小的阈值epsilon $\varepsilon$ ，当某一次迭代之后曲线降低的值小于这个 $\varepsilon$ ，就说明到达了收敛，也就意味着找到了参数接近损失函数的全局最小值。

然而 $\varepsilon$ 的值是很难确定的，所以一般倾向于第一种方法

学习率的选择

如下图所示，如果损失函数-迭代次数这个学习曲线出现了上下浮动或者持续增大的现象（如上面的两幅图片），说明代码存在bug或者学习率过大。

如下面的第一幅图所示，如果学习率过大，可能会导致不收敛的情况。此外，如果代码中有bug，比如更新参数的时候减号写成了加号，便会导致学习曲线的增长。

常用的一种判断是bug还是学习率过大的方法是：使用一个非常小的学习率，如果成本依然不会在每次迭代中减小，说明代码存在bug，需要注意的是这个非常小的学习率并不是最终的学习率的选择，而是代码的一种调试策略。

所以，当我们运行梯度下降时，可以尝试学习速率阿尔法一系列值，在学习曲线正常的前提下，尽量增大阿尔法值：

特征工程

特征的选择对于学习算法的性能产生巨大的影响，如何设计适合算法的特征？

多项式回归

对于多项式回归，特征缩放变得更加重要