第二章 机器学习分类

一.机器学习分类

1.1反馈分类

建模过程中,根据训练数据的标注情况(学习所依赖的反馈信号),可以把机器学习分为监督学习、 无监督学习、半监督学习、自监督学习、强化学习。

1.1.1监督学习

概念:监督学习,给模型一批带标准答案(标签)的数据,让模型学习特征和答案之间的对应关系,训练完成后预测新数据。

举一个栗子~
我们收集150朵鸢尾花:每一朵都测好4个特征(花萼长、花萼宽、花瓣长、花瓣宽),并且提前写好这朵花是什么品种(就是标签)。把这些数据丢给模型。模型反复学习:什么样的长宽组合对应哪一类花。训练结束后,拿来一朵新的鸢尾花,只测量它的长宽,模型就能判断它是哪个品种。

1.1.2无监督学习

概念:无监督学习只给模型无标签的原始数据,让算法自主挖掘数据内部的相似结构,不靠预设标准答案完成分组。

举一个栗子~

例子:用电商用户的浏览、下单、时段、退货等行为数据,通过聚类算法自动把行为相近的用户归为不同用户类型。

  • 数码极客:高频浏览电子产品、客单价高、男性居多
  • 家庭采购者:购买粮油、清洁用品、复购稳定
  • 深夜冲动型:多在凌晨下单、浏览品类跳跃、退货率高

1.1.3半无监督学习

概念:半监督学习用少量带人工标签的数据,搭配大量无标签数据共同训练,兼顾标注成本和模型精度。

举一个栗子~

医学X光病灶识别里,只有资深放射科医生才能准确标注 X 光片,医生时间昂贵且稀缺。但医院每天会产生海量的原始 X 光片(无标注),所以请资深医生标注500张X光片当少量标签数据,再接入几千张未标注的日常X光片一起训练,模型先从少量标注里学会病灶特征,再靠海量无标签数据强化识别规律,最终精度远高于只用50张标片训练。

1.1.4自监督学习

概念:自监督学习不用人工标注标签,从无标签数据里自动构造监督任务,模型自己出题、自己预测、自己对照原生数据当答案完成训练。

举一个栗子~

拿大量无标注的英文文章,随机遮住句子里的一个单词,让模型根据上下文猜被遮的词,原文里的原词就是天然答案,模型靠反复猜词练出语言理解能力,后续能直接用在文本分类这类任务上。

举两个栗子~

自监督学习里图像超分辨率类的典型做法。拿一张清晰原图当最终标准答案,先给它做模糊、打马赛克、降分辨率处理,让模型从模糊图还原出清晰原图,全程不用人工额外标类别,靠原图自带的清晰信息当监督信号,模型练熟后就掌握了图像修复、清晰化的能力。

1.1.5强化学习

概念:智能体在环境里试错行动,靠环境给出的奖惩信号更新策略,追求长期累计奖励最大化。

举一个栗子~

以当时轰动一时的AlphaGo战胜人类围棋九段选手为例

  1. 第一阶段:监督学习(2015) 使用大量人类职业棋手的围棋棋谱做监督学习,模仿人类的落子习惯,学会基础棋理。只到这一步的模型棋力还不够,无法战胜李世石。
  2. 第二阶段:强化学习自我对弈(2016) 在监督学习的基础上开启自我对弈强化学习。 奖惩机制:整盘棋赢棋 = 大额正向奖励;输棋 = 负向惩罚;局部吃掉对方棋子、扩大地盘获得小额正向奖励;落子导致地盘丢失、被对方杀棋得到负奖励。 AI 不断左右互搏,持续优化落子策略。 2016 年 3 月,这个版本的 AlphaGo 在韩国对战韩国九段棋手李世石,最终 4:1 取胜。
  3. 第三阶段:AlphaGo Zero(2017) 不再使用任何人类棋谱,完全依靠强化学习从零开始自我对弈,沿用同样的奖惩规则(赢有奖、输受罚)。仅用 40 天训练,棋力就远超击败李世石的 AlphaGo,自测对战 100:0 完胜旧版 AlphaGo。

1.1.6总结

  • 监督学习:信号来自人工标注
  • 无监督学习:信号来自数据本身的内在结构
  • 自监督学习:信号由数据自动构造
  • 强化学习:信号来自环境给出的奖励(延迟、数值型)

1.2学习任务分类

1.2.1分类

概念:分类是监督学习任务,核心是用带预设离散标签的标注数据训练,学到特征规律后,给未知类别的新数据匹配对应类别。

举一个栗子~

假设你刚入职一家公司,领导交给你邮件分类的任务,要把收到的邮件分成正常邮件和垃圾邮件两类。他先给你5000封已经人工分好类的历史邮件,这就是训练数据,里面标成垃圾邮件的大多带中奖、促销关键词,发件人是陌生群发地址,还常带不明附件;标成正常邮件的多是同事、合作方发来,内容是业务沟通、工作通知。你先从这5000封已标邮件里摸透两类的特征规律,之后新邮件到了,就靠这套规律自动判断它该归到哪一类。

1.2.2回归

概念:它属于监督学习任务,和输出离散类别的分类不同,回归是从带连续数值标签的训练数据里学习特征规律,最终输出连续数值完成预测。

举一个栗子~

你刚入职基金公司做量化分析师,领导给你预测次日股票价格的任务,先丢给你过去500天的历史股票记录当训练数据,每条都带当天开盘价、收盘价、成交量、最高价、最低价这些带真实价格的标签数据。你把数据按时间当横轴、价格当纵轴画出来,能看到价格不是乱跳,藏着趋势规律,让模型自动拟合出特征和价格的数学关系,学完规律后喂入当日新行情数据做推理,就能输出明天的股票预测价格。

1.2.3聚类

概念:聚类属于无监督学习,没有预先人工标注的类别标签,机器只靠数据自身的特征相似度,把特征近的自动归成同一簇,特征远的分开。

举一个栗子~

以音乐APP后台千万首歌例子拆细:

**第一步,**先给每首歌提取节奏速度、乐器种类、人声性别、情绪是欢快还是舒缓这些具体特征,把每首歌转成多维坐标点;

**第二步,**机器计算这些点之间的特征距离,自动把距离近的歌抱团成不同簇,比如节奏慢、纯音乐、情绪悲伤的就聚成深夜emo簇;

**第三步,**把你过去一周的听歌记录放进这些坐标里,匹配到你最常听的深夜emo簇,再从这个簇里挑你没听过的歌塞进每日推荐,就得到了贴合你喜好的歌单。

1.2.4关联规则

概念:它是无监督学习的一种,不用提前给数据打标签,专门从海量交易、行为数据里自动挖掘不同商品或事件的隐性共现关联,找到谁和谁大概率会一起出现。

举一个栗子~

时间是上世纪90年代,地点美国,主体是沃尔玛连锁超市,当时他们的数据分析团队扫遍全门店的历史购物小票,意外发现一个反常识规律,周五傍晚的订单里,买婴儿尿布的年轻男性顾客,有超过3成会顺手拿一款平价罐装啤酒。深挖背后的生活场景,当时美国家庭大多是妻子在家照看婴儿,丈夫下班顺路去超市买尿布,完成任务后会拿罐啤酒给自己当周末放松的小奖励。沃尔玛没做额外促销,只是把尿布货架和啤酒货架挪到相邻位置,还在中间摆上周末家庭小场景的提示牌,结果短短一个月,尿布和啤酒的单店销量都涨了近4成,这就是关联规则从冰冷小票里挖出人性消费习惯、直接拉动营收的完整落地过程。

1.2.5序列预测

概念:它属于监督学习里的时序任务,核心依赖数据的顺序关联性,不是把数据当独立个体看,而是用按时间或逻辑排好的历史序列,推后面的结果。

举一个栗子~
输⼊序列(源语言): "我 爱 学习"
目标序列(目标语言): "I love learning"

现在主流大模型翻译不是一次性输出整句,而是拆成自回归的序列预测。比如输入"我爱学习",模型先基于中文语义序列预测第一个英文词I,再把I和原句拼在一起预测下一个love,接着用I love加原句预测learning,一步接一步按序列依赖拼出完整的I love learning,每一步都是基于前面已生成的序列做的单步预测,串起来就成了整句翻译。

1.3反馈分类和任务分类的区分

按"学习方式"分(看手里有没有答案)

类型 本质 通俗理解
监督学习 有标准答案 老师给你题和答案,你照着学
无监督学习 没有标准答案 没人告诉你对错,自己找规律
强化学习 靠奖励反馈 做完动作拿奖励,慢慢学会怎么做

按"任务类型"分(看最后要交什么作业)

任务 要交的作业 通俗理解
分类 分堆放 这是垃圾邮件还是正常邮件?
回归 估数字 明天房价会是多少?
聚类 自己分组 把相似的用户归成一堆
关联规则 找谁和谁爱一起出现 买了啤酒的人常买尿布
序列预测 顺着时间猜后面 下周销量会是多少?

例子串起来

例子 有没有答案 学习方式 交什么作业 任务类型
垃圾邮件识别 有标好的答案 监督学习 分类 分类
啤酒尿布 没给答案 无监督学习 找关联 关联规则

两者是两个独立维度,可以交叉组合。比如"垃圾邮件识别" = 监督学习 + 分类任务。

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