【学习线路】机器学习线路概述与内容关键点说明

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零、机器学习的企业价值

在企业或实际项目中,系统掌握的机器学习知识可从四个层面产生价值:

  1. 岗位与能力升级
  • 数据分析师能够用监督、无监督算法发现业务规律;
  • 数据科学家可设计端到端解决方案;
  • 算法工程师能主导模型架构与部署。
  1. 典型业务落地场景
  • 推荐系统:协同过滤、矩阵分解或深度学习模型为电商、内容平台实现个性化推荐。
  • 计算机视觉:CNN 分类、目标检测(YOLO)用于质检、安防、医学影像分析。
  • 自然语言处理:文本分类、机器翻译、对话机器人提升客户体验。
  • 强化学习:游戏 AI、机器人路径规划、自动驾驶决策,通过与环境交互获得最优策略。
  1. 机器学习工程化流程
  • 数据处理与特征工程:缺失值、异常值处理以及特征选择/提取是模型上线前的必经步骤,直接影响线上效果。
  • 模型训练与评估:交叉验证、超参数调优、早停等技术保证模型在生产环境的鲁棒性。
  • 模型部署:SavedModel、ONNX、Docker 容器化或云服务(SageMaker、AI Platform)将模型变为可调用服务,实现低停机更新。
  • 监控与持续学习:线上日志采集、A/B 测试、重训练流水线,使模型随业务数据演进。
  1. 工具与框架实践
  • Scikit-Learn:快速原型、特征工程、模型选择。
  • TensorFlow / PyTorch:构建复杂神经网络,支持研究与生产。
  • Keras:高层 API 提升开发效率。
  • OpenAI Gym、PyBullet:模拟环境加速强化学习算法迭代。

一、基础概念

1. 机器学习定义

  • 通过数据驱动让计算机自动学习规律,无需显式编程(Arthur Samuel)。
  • 核心公式:程序通过经验(E)提升任务(T)性能(P)(Tom Mitchell)。

2. 学习类型

  • 监督学习:从标注数据(如分类、回归)中学习映射关系(如垃圾邮件分类)。
  • 无监督学习:从无标注数据中发现模式(如聚类、降维)。
  • 强化学习:通过试错与环境交互学习最优策略(如游戏 AI)。
  • 半监督/自监督学习:利用少量标注+大量未标注数据。

3. 学习范式

  • 批量学习:一次性处理全部数据。
  • 在线学习:实时更新模型(如流式数据处理)。
  • 基于实例学习:存储实例并通过相似度匹配预测(如 KNN)。
  • 基于模型学习:构建数学模型(如线性回归)。

二、核心算法与技术

1. 监督学习

  • 分类算法
    • 逻辑回归、支持向量机(SVM)、决策树、随机森林、梯度提升树(如 XGBoost)、神经网络。
    • 多类分类需使用 Softmax 激活函数和交叉熵损失。
  • 回归算法
    • 线性回归、决策树回归、神经网络回归。
    • 评估指标:均方误差(MSE)、 R 2 R^2 R2分数。

2. 无监督学习

  • 聚类
    • K-Means、DBSCAN、层次聚类。
    • 评估指标:轮廓系数、Calinski-Harabasz 指数。
  • 降维
    • 主成分分析(PCA)、t-SNE、UMAP。
    • 应用场景:可视化、特征提取。

3. 模型评估与优化

  • 评估指标
    • 分类:准确率、精确率、召回率、F1 分数、ROC-AUC。
    • 回归:MSE、RMSE、MAE、 R 2 R^2 R2。
    • 无监督:轮廓系数、DB 指数。
  • 验证方法
    • 留出法、K 折交叉验证、自助法(Bootstrap)。
    • 过拟合与欠拟合的判断与处理。
  • 超参数调优
    • 网格搜索、随机搜索、贝叶斯优化。
    • 学习曲线分析(偏差-方差分解)。

三、深度学习与神经网络

1. 神经网络基础

  • 结构:输入层、隐藏层(ReLU/LeakyReLU 激活)、输出层(Softmax/Sigmoid)。
  • 损失函数:交叉熵(分类)、均方误差(回归)、自定义损失。
  • 优化器:SGD、Adam、RMSprop。
  • 正则化:L1/L2 正则化、Dropout、Batch Normalization。

2. 深度学习框架

  • TensorFlow/Keras:构建复杂模型(如 CNN、RNN)。
  • PyTorch:动态计算图,适合研究。
  • Scikit-Learn:传统机器学习算法集成。

3. 应用场景

  • 计算机视觉:卷积神经网络(CNN)、图像分类(ResNet)、目标检测(YOLO)。
  • 自然语言处理:循环神经网络(RNN)、LSTM、Transformer、BERT。
  • 强化学习:Q-Learning、深度 Q 网络(DQN)、策略梯度。

四、工具与实践

1. 数据处理

  • 数据预处理:缺失值处理、特征缩放(标准化/归一化)、编码分类变量(独热编码)。
  • 特征工程:特征选择(方差阈值、互信息)、特征提取(PCA)。

2. 模型部署

  • 模型保存与加载(.h5、.pb 格式)。
  • 容器化部署(Docker)、云服务(AWS SageMaker、Google AI Platform)。

3. 机器学习的生态圈

  1. Python(及其标准库)------机器学习脚本和交互式开发的基础环境
  2. NumPy------提供多维数组与数学函数,是科学计算和机器学习算法的底层数据结构
  3. SciPy------基于 NumPy,实现优化、积分、线性代数等更复杂的科学计算功能
  4. Matplotlib------做图和可视化,帮助探索数据与展示结果
  5. Pandas------数据处理与分析,提供 DataFrame、Series 等结构化数据操作
  6. scikit-learn------机器学习核心库,涵盖分类、回归、聚类等传统算法及模型评估工具

这些库相互配合,构成了 Python 机器学习开发的"标配"环境。

在实际项目中,开发者往往还会根据需要引入其他生态工具(如用于深度学习的 TensorFlow、PyTorch,或用于数据管道的 Dask、Luigi 、以及Keras:高层 API,快速实验。)。

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