机器学习基石笔记-感知机-Day1

1 基础概念

1. 机器学习应用三个关键

• 有某些有规律的目标待机器进行学习
• 我们不知如何编程
• 有能够给机器进行学习的资料

2. 机器学习流程

1. 首先将Data传给我们的机器，Data也同时告诉了机器假设空间
2. 让机器对数据进行学习，选择一个最好的假设
3. 最后得到一个非常接近与目标函数f的假设函数g

3.数据挖掘与机器学习的区别

• 机器学习：利用数据来找到一个模型，使得模型能够很好地解决目标问题
• 数据挖掘：从巨大的数据集当中发现一些有趣的联系
  

2 感知机

1.概念

• 感知机就相当于一仅有输入层和输出层的神经网络，每一个连接权都代表该属性的重要性程度，其中w0代表一个阈值。如果每个属性值与其对应权重相乘之和大于该阈值，那么根据sign函数，就可以做出分类。

2.PLA算法（感知机学习算法）

• 直观上：通过迭代的方式，每一次选择一条线，来更新权重向量，如果第t轮的线无法准确的预测结果，那就对权重向量做出改变，也就是对决策边界进行调整。当样本真实类别为1，但感知机将其分类为-1的时候，就用原来的权重向量减去x，使得决策线离x轴更近；当样本真实类别为-1，但感知机将其分类为1的时候，就用原来的权重加上x，使得决策线离x轴更远。不断的进行迭代，最后使得其不再出错。
  
• 根据上面所论述的规则，看下面的视图

1. 首先进入第一次迭代，先随机初始化一条线，然后找到一个错误的点x1，x1∈1类，因此权重向量会加上这个x的值，所以线就会以图片中心为原点向顺时针方向更新
   

2. 由第一轮更新出来的决策边界，又发现了一个分类错误的1类点，因此，下一次更新还是朝顺时针更新。
   

3. 这次更新完成之后找到一个分类错误的-1类点，因此下一次会向逆时针方向更新。

4. 依此进行，最后迭代到一条近乎完美的决策边界

• PLA何时停止呢？
  假设我们的数据是线性可分的，因此肯定存在一条分界线，可以完美的将属于不同类别的样本进行分割，也就是说我们机器做出的分类与实际的分类是一模一样的，因此根据公式可知，必有下列不等式成立，因为W的转置乘X与y同号。

再进一步，那么必有随机第t轮的值大于等于该最小值大于0.

下面再来看w_f与w_t的关系，由公式得：

又由上面的推导可知，w_f的转置x_n(t)y_n(t)>miny_nw_fx_n

再进一步，可得下面不等式，该不等式可以反映出第t轮的w与w_f的乘积要小于第t+1轮w与w_f的乘积，当两个向量的内积越来越大，说明两个向量在越来越接近，但是这里只考虑了一半，因为有可能是因为长度上的问题。

下面证明另外一半：

• 因为PLA是知错才改，因此根据PLA的机制，每一次增长的最大距离就是加上最大的向量x

• 又因为两个正规化权重向量内积的最大值是1，因此可证明PLA是会停止的。

• 那么当我们的数据存在一些噪音，从而导致没有办法找到完美的线进行分界怎么办呢？

答：这里可以使用Pocket算法，也就是在每一次找到一条新的线的时候都看看是不是比上一条好，如果是就将其保存下来，这样可以找到局部最优解。

代码实例：

1. 首先查看数据分布：

import pandas as pd
import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
from scipy.io import loadmat
data = loadmat('E:/Data/Ng/Coursera-ML-AndrewNg-Notes-master/code/ex6-SVM/data/ex6data1.mat')
X =data['X']
y = np.ravel(data['y'])
Data = np.insert(X,2,values=y,axis=1)
Data = pd.DataFrame(Data,columns=['X1','X2','Y'])
cluster1= Data[Data['Y'].isin([1])] #将属于1类的样本全部分离出来
cluster2= Data[Data['Y'].isin([0])] #将属于0类的样本全部分离出来
plt.scatter(cluster1['X1'],cluster1['X2'],color='red',marker='o',label='cluster1')
plt.scatter(cluster2['X1'],cluster2['X2'],color='blue',marker='x',label='cluster2')
plt.legend(loc=1)
plt.show()

结果如下：

2. 定义sign函数与代价函数

def sign(x):
    """x>=0，则属于1类；x<0，则属于-1类"""
    if x>=0:
        return 1
    else:
        return -1

def cost(theta,X,y):
    m = X.shape[0]
    Cost=0.0
    for i in range(m):
        x_i = X[i,:]
        h_i = sign(theta @ x_i.T)
        y_i = y[i]
        if h_i!= int(y_i):
            Cost-= (y_i*h_i)
    return Cost

3. 随机梯度下降

def gradient(theta,X,y,epoch,l):
    m = X.shape[0]
    index_list = np.arange(m)
    for i in range(epoch):
        index = int(np.random.choice(index_list,size=1))
        x_i = X[index,:]
        h_i = sign(x_i@theta.T)
        y_i = y[index]
        if h_i!=int(y_i):
            theta = theta + (l*y_i)*x_i
    return theta

if __name__ == '__main__':
    Y = np.array([1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,1])
    X = np.insert(X,0,values=np.ones(X.shape[0]),axis=1)
    theta  = np.zeros(X.shape[1])
    theta = gradient(theta,X,Y,1000,1)
    final_x2 = (theta[0] + theta[1]*X[:,1])/(-theta[2])
    plt.scatter(cluster1['X1'],cluster1['X2'],color='red',marker='o',label='cluster1')
    plt.scatter(cluster2['X1'],cluster2['X2'],color='blue',marker='x',label='cluster2')
    plt.plot(X[:,1],f)
    plt.legend(loc=1)
    plt.show()

结果如下：