Machine Learning——吴恩达机器学习笔记（酷

【1】

ML Introduction

a. supervised learning & unsupervised learning

　　监督学习：从给定的训练数据集中学习出一个函数（模型参数），当新的数据到来时，可以根据这个函数预测结果。监督学习的训练集要求包括输入输出，也可以说是特征和目标。训练集中的目标是由人标注的。常用于：训练神经网络、决策树、回归分析、统计分类

　　无监督学习：输入数据没有被标记，也没有确定的结果。样本数据类别未知，需要根据样本间的相似性对样本集进行分类，试图使类内差距最小化，类间差距最大化。常用方法：1.基于概率密度函数的估计；2.基于样本间相似性。常用于：PCA、deep learning、模式识别

b. reinforcement learning

　　强化学习：

　　（1）有监督的学习是从一个已经标记的训练集中进行学习，训练集中每一个样本的特征可以视为是对该situation的描述，而其label可以视为是应该执行的正确的action，但是有监督的学习不能学习交互的情景，因为在交互的问题中获得期望行为的样例是非常不实际的，agent只能从自己的经历（experience）中进行学习，而experience中采取的行为并一定是最优的。这时利用RL就非常合适，因为RL不是利用正确的行为来指导，而是利用已有的训练信息来对行为进行评价。

　　（2）因为RL利用的并不是采取正确行动的experience，从这一点来看和无监督的学习相似，但是无监督的学习的目的可以说是从一堆未标记样本中发现隐藏的结构，而RL的目的是最大化reward signal。

　　（3）RL与其他机器学习算法不同的地方在于：其中没有监督者，只有一个reward信号；反馈是延迟的，不是立即生成的；时间在RL中具有重要的意义；agent的行为会影响之后一系列的data。

【2】
Linear regression

　　线性回归：y = θ * x

　　最小二乘：J(θ) = J(x, y) = 1/2 * ∑(h(x) - y)²

（原理：误差分析的极大似然估计；设误差服从高斯分布，极大似然估计）

Gradient descent

　　梯度下降：先选择一个初始点，然后逐步向梯度下降最快的方向选取下一个点；梯度下降的结果和初始点的选取有关：

　　　　1. 先给定初始点：θ = 0;

　　　　2. 不断改进J(θ)变得更小；θ(i) = θ(i) - α*(φ(J(θ)) / φ(θ(i)))；

　　　　【如果只有一个训练集：θ_(i) = θ_(i) -  α * (h_e(x) - y)² * x_i，α 决定了训练步长，即每一次下降的距离】

　　　　【对于m个样本：　　    θ_(i) = θ_(i) -  α * ∑(h_e(x^(j)) - y^(j))² * x_i^(j)】Batch Gradient Descent，每一次更新便利所有的样本；

　　　　【对于m个样本：for j = 1 to m {

　　　　　　　　　　　　　　　θ_(i) = θ_(i) -  α * ∑(h_e(x^(j)) - y^(j))² * x_i^(j)

　　　　　　　　　　　　　　　　} (for all i)】Incremental Gradient Descent，每次只用一个样本进行更新，依次往下进行。速度会快很多；不会精确的收敛到局部最小值，总体上接近；

　　　　矩阵符号：tr (A) = ∑_i=1:n A_ii，求对角元素之和 trace：

　　　　　　　　　tr (AB) = tr (BA);

　　　　　　　　　tr (ABC) = tr (BCA) = tr (CAB)

　　　　　　　　　grad(AB)_A = B^T

　　　　　　　　　grad(ABA^TC)_A = CAB + C^TAB^T

　　　　矩阵求解：grad(J(θ)) = 0    →     X^TXθ=X^TY     →     θ = (X^TX)^-1X^TY

　　　

【3】
Linear regression 参数学习算法，有固定的参数来进行拟合；

　　underfitting 欠拟合：拟合太单一，不准确；

　　overfitting 过拟合；仅仅反映已有的数据集的特征，没有包括实际意义；

 

　　　　Locally weighted regression   局部加权回归：注重对零界点的精准拟合，忽略那些离得远的点的贡献！ 非参数学习算法，参数的数目随着训练集数量m的增长而增长：

　　　    在所选取的点周围选取点，进行局部的线性拟合成直线，用拟合值作为该点的值，而不是带入全局拟合函数求值：

　　　　Fit θ to minimize ∑w⁽ⁱ⁾ * (y⁽ⁱ⁾ - θ^Tx⁽ⁱ⁾)² , where w⁽ⁱ⁾ = exp(-(x⁽ⁱ⁾-x)²/2τ)   衰减函数，τ波长函数，控制权值随距离下降的速度；

　　　　If |x⁽ⁱ⁾-x| small, then w⁽ⁱ⁾ ≈ 1

　　　　If |x⁽ⁱ⁾-x|  large, then w⁽ⁱ⁾ ≈ 0

　　　　（每选择一个新的点进行求值，都需要重新进行一次拟合，对于特别大的训练集来说更新很吃力）

Logistic regression 分类问题

　　sigmoid function( logistic function) 　　g(z) = 1 / (1 + e^-z)

　　与线性回归不同的是，梯度上升而不是下降；

Preception algorithm 感知器算法

　　g(z) = { 1, if z >= 0;    0, otherwise}

　　

Newton’s method

4.
Logistic regression
Exponential family
Generalized linear models

5.
Generative learning algorithms
Gaussian Discriminant ****ysis
Naïve Bayes
Laplace smoothing

6.
Naïve Bayes
Neural networks
Support vector machine

7.
Optimal margin classifier
KKT
SVM dual
Kernel

8.
SVM
Kernel
Soft margin
SMO algorithms

9.
Learning theory
Bias/variance
Empirical Risk Minimization (ERM)
Union Bound
Hoeffding Inequality
Uniform convergence

10.
Learning theory
VC dimension
Model selection
Bayesian statistics and regularization

11.
Bayesian statistics and regularization
Online learning
Applying machine learning

12.
Unsupervised learning
Cluster K-means
Mixture of Gaussian
Jensen and Equality
EM (Expectation Maximization)

13.
EM
Mixture of Gaussians
Mixture of naïve Bayes
Factor ****ysis

14
Factor ****ysis
Principal Component ****ysis

15.
PCA
Latent Semitic Indexing (LSI)
SVD
Independent component ****ysis (ICA)

16.
Reinforcement Learning
Markov Decision Processes (MDPs)
Value functions
Value iteration
Policy iteration

17.
MDPs
Approximate policy iteration

18.
State-action reward
Horizon MDPs
Linear dynamical systems
Linear-quadratic regulation (LQR)
Riccati equation

19.
Debugging RL algorithms
LQR
French dynamic programming
Kalman filters
Linear-quadratic Gaussian control (LGG)

20.
POMDPs
Policy search
Reinforced
Pegasus