什么是机器学习
机器学习本质上就是利用数学公式和算法，从数据中发现规律，并用这些规律进行预测或决策。
用数学模型拟合数据中的规律
我们通常有一堆数据，这些数据可以看作是输入（X）和输出（Y）之间的关系 ，虽然这个关系我们不知道 ，但它客观存在 。机器学习的目标就是用一个数学公式（或模型）去近似这个关系。
举个简单例子：
假设你想根据房子的面积（X）来预测房价（Y），你有很多这样的数据样本：
| 房子面积 (X) | 房价 (Y) |
|---|---|
| 50 | 100万 |
| 70 | 140万 |
| 90 | 180万 |
| ... | ... |
你猜测，房价和面积之间可能大致满足一个线性关系，比如：
Y=w⋅X+b- Y：预测的房价（输出）
- X：房子面积（输入）
- w：权重（斜率，表示面积每增加1单位，房价变化多少）
- b：偏置（截距，表示即使面积为0时也有基本价格）
这就是一个简单的线性数学模型 ，机器学习要做的事情，就是通过数据，自动找出最合适的 w 和 b，使得这个公式能最准确地预测房价。
机器学习如何用数学公式总结规律？
选择一个模型（数学函数）
比如：
- 线性回归：y=wx+b
- 逻辑回归：y=σ(wx+b)（用于分类，σ是 sigmoid 函数）
- 多项式回归：y=w1x+w2x2+⋯+b
- 神经网络：多个非线性函数的组合，比如 y=f3(f2(f1(x)))，每一层都是数学变换
这些模型本质都是：用数学公式去拟合输入与输出之间的关系。
2. 定义损失函数（Loss Function）------衡量预测与真实值的差距
为了知道我们的公式（模型）好不好，我们需要一个标准，来衡量它预测的值与真实值之间的误差。
比如在线性回归中，常用的损失函数是均方误差（MSE）：
MSE=n1i=1∑n(yi−y^i)2- yi：第 i 个样本的真实值（比如真实房价）
- y^i：第 i 个样本的预测值（比如模型算出的房价）
- n：样本总数
这个公式的意思是：预测值与真实值差距的平方的平均值越小，模型越好。
3. 优化算法 ------ 找到让损失最小的参数
有了模型和损失函数后，我们要找到最佳的参数（比如 w 和 b），使得损失函数的值最小。
这就是优化问题，最常用的方法是：
- 梯度下降法（Gradient Descent） ：通过求损失函数对参数的偏导数（梯度），一步一步调整参数，使损失不断减小。
公式示意（以 w 为例）：
w:=w−α⋅∂w∂Loss- α：学习率，控制每次更新的步长
- ∂w∂Loss：损失函数对 w 的偏导数，表示 w 的微小变化对总体误差的影响
通过不断迭代更新参数，最终找到让损失最小的那组参数，也就是我们总结出的"数据规律"。
机器学习所准备的库
基础数据处理与科学计算库
这些库是进行数据分析和机器学习前的基础工具，用于数据清洗、处理、数值运算等。
| 库名 | 用途简介 | 常用功能 |
|---|---|---|
| NumPy | 数值计算基础库，用于高效处理多维数组和矩阵 | 数组操作、线性代数、随机数生成等 |
| Pandas | 数据处理与分析，特别适合表格数据（如 CSV、Excel） | 数据读取、清洗、筛选、合并、统计等 |
| SciPy | 科学计算扩展库，包含很多数学算法 | 优化、积分、插值、统计分布等 |
🔹 推荐学习顺序：NumPy → Pandas → SciPy
数据可视化库
用于将数据或模型结果进行可视化展示，便于分析与理解。
| 库名 | 用途简介 |
|---|---|
| Matplotlib | 最基础的绘图库，灵活强大，适合定制各种图表 |
| Seaborn | 基于 Matplotlib，更简单易用，适合统计图表（如分布图、热力图等） |
| Plotly / Bokeh | 交互式可视化，适合网页展示或dashboard |
机器学习核心库
这是机器学习的"主力军"，提供了大量算法实现、模型训练与评估工具。
1. Scikit-learn（sklearn）
- 最主流、最易用的机器学习库 ，适合传统机器学习算法
- 包括：分类、回归、聚类、降维、模型选择、数据预处理等
- 支持：线性回归、逻辑回归、决策树、SVM、KNN、随机森林、K-Means、PCA 等
- 提供模型评估、交叉验证、网格搜索等工具
适合：入门学习、传统机器学习任务（如分类、回归、聚类）
2. XGBoost / LightGBM / CatBoost
- 高效的梯度提升（Gradient Boosting）框架 ，常用于数据挖掘竞赛（如 Kaggle）
- 特别擅长结构化数据的表格类任务（如表格分类、回归）
- 比传统算法（如随机森林）更快、效果更好
| 库名 | 特点 |
|---|---|
| XGBoost | 梯度提升树经典实现，速度快、效果好 |
| LightGBM | 微软出品，速度极快，内存占用低，适合大数据 |
| CatBoost | 支持类别型变量（不用独热编码），对类别特征处理优秀 |
适合：表格数据建模、高精度预测任务
自然语言处理（NLP）相关库
用于处理文本数据，如分词、词嵌入、文本分类、机器翻译等。
| 库名 | 用途 |
|---|---|
| NLTK | 自然语言处理基础工具包，适合教学与基础 NLP 任务 |
| spaCy | 工业级 NLP 库，速度快，支持实体识别、依存句法等 |
| Transformers（Hugging Face） | 提供大量预训练语言模型（如 BERT、GPT、T5），支持文本分类、问答、生成等 |
| gensim | 主要用于主题建模（如 LDA）、词向量（Word2Vec、Doc2Vec） |
适合：文本分类、情感分析、机器翻译、聊天机器人等
计算机视觉（CV）相关库
用于图像处理、目标检测、图像分类等视觉任务。
| 库名 | 用途 |
|---|---|
| OpenCV | 经典图像处理库，支持图像读取、滤波、边缘检测、摄像头调用等 |
| Pillow (PIL) | Python 图像处理基础库，适合简单的图像操作 |
| TorchVision（配合 PyTorch） | 提供图像数据集、模型、图像变换工具，用于视觉任务 |
| TensorFlow Datasets / Keras Applications | 提供预训练模型与数据集，如 ResNet、VGG 等 |
适合：图像分类、目标检测、图像生成等