BAT机器学习面试1000题系列(第21~30题)


21.机器学习中,为何要经常对数据做归一化?
@zhanlijun,本题解析来源:http://www.cnblogs.com/LBSer/p/4440590.html

机器学习模型被互联网行业广泛应用,如排序(参见:排序学习实践 链接:http://www.cnblogs.com/LBSer/p/4439542.html)、推荐、反作弊、定位(参见:基于朴素贝叶斯的定位算法 链接:http://www.cnblogs.com/LBSer/p/4020370.html )等。一般做机器学习应用的时候大部分时间是花费在特征处理上,其中很关键的一步就是对特征数据进行归一化,为什么要归一化呢?很多同学并未搞清楚,维基百科给出的解释:1)归一化后加快了梯度下降求最优解的速度;2)归一化有可能提高精度。下面再简单扩展解释下这两点。

1 归一化为什么能提高梯度下降法求解最优解的速度?
斯坦福机器学习视频做了很好的解释:https://class.coursera.org/ml-003/lecture/21

如下图所示,蓝色的圈圈图代表的是两个特征的等高线。其中左图两个特征X1和X2的区间相差非常大,X1区间是[0,2000],X2区间是[1,5],其所形成的等高线非常尖。当使用梯度下降法寻求最优解时,很有可能走“之字型”路线(垂直等高线走),从而导致需要迭代很多次才能收敛;

而右图对两个原始特征进行了归一化,其对应的等高线显得很圆,在梯度下降进行求解时能较快的收敛。

因此如果机器学习模型使用梯度下降法求最优解时,归一化往往非常有必要,否则很难收敛甚至不能收敛。

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2 归一化有可能提高精度
一些分类器需要计算样本之间的距离(如欧氏距离),例如KNN。如果一个特征值域范围非常大,那么距离计算就主要取决于这个特征,从而与实际情况相悖(比如这时实际情况是值域范围小的特征更重要)。

3 归一化的类型
1)线性归一化

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这种归一化方法比较适用在数值比较集中的情况。这种方法有个缺陷,如果max和min不稳定,很容易使得归一化结果不稳定,使得后续使用效果也不稳定。实际使用中可以用经验常量值来替代max和min。

2)标准差标准化

  经过处理的数据符合标准正态分布,即均值为0,标准差为1,其转化函数为:

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其中μ为所有样本数据的均值,σ为所有样本数据的标准差。

3)非线性归一化

经常用在数据分化比较大的场景,有些数值很大,有些很小。通过一些数学函数,将原始值进行映射。该方法包括 log、指数,正切等。需要根据数据分布的情况,决定非线性函数的曲线,比如log(V, 2)还是log(V, 10)等。

22.谈谈深度学习中的归一化问题

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详情参见此视频:《深度学习中的归一化》(链接:http://www.julyedu.com/video/play/69/686)。
23.请简要说说一个完整机器学习项目的流程。
@寒小阳 老师、@龙心尘 老师
1 抽象成数学问题
明确问题是进行机器学习的第一步。机器学习的训练过程通常都是一件非常耗时的事情,胡乱尝试时间成本是非常高的。
这里的抽象成数学问题,指的我们明确我们可以获得什么样的数据,目标是一个分类还是回归或者是聚类的问题,如果都不是的话,如果划归为其中的某类问题。
2 获取数据
数据决定了机器学习结果的上限,而算法只是尽可能逼近这个上限。
数据要有代表性,否则必然会过拟合。
而且对于分类问题,数据偏斜不能过于严重,不同类别的数据数量不要有数个数量级的差距。
而且还要对数据的量级有一个评估,多少个样本,多少个特征,可以估算出其对内存的消耗程度,判断训练过程中内存是否能够放得下。如果放不下就得考虑改进算法或者使用一些降维的技巧了。如果数据量实在太大,那就要考虑分布式了。
3 特征预处理与特征选择
良好的数据要能够提取出良好的特征才能真正发挥效力。
特征预处理、数据清洗是很关键的步骤,往往能够使得算法的效果和性能得到显著提高。归一化、离散化、因子化、缺失值处理、去除共线性等,数据挖掘过程中很多时间就花在它们上面。这些工作简单可复制,收益稳定可预期,是机器学习的基础必备步骤。
筛选出显著特征、摒弃非显著特征,需要机器学习工程师反复理解业务。这对很多结果有决定性的影响。特征选择好了,非常简单的算法也能得出良好、稳定的结果。这需要运用特征有效性分析的相关技术,如相关系数、卡方检验、平均互信息、条件熵、后验概率、逻辑回归权重等方法。
4 训练模型与调优
直到这一步才用到我们上面说的算法进行训练。现在很多算法都能够封装成黑盒供人使用。但是真正考验水平的是调整这些算法的(超)参数,使得结果变得更加优良。这需要我们对算法的原理有深入的理解。理解越深入,就越能发现问题的症结,提出良好的调优方案。
5 模型诊断
如何确定模型调优的方向与思路呢?这就需要对模型进行诊断的技术。
过拟合、欠拟合 判断是模型诊断中至关重要的一步。常见的方法如交叉验证,绘制学习曲线等。过拟合的基本调优思路是增加数据量,降低模型复杂度。欠拟合的基本调优思路是提高特征数量和质量,增加模型复杂度。
误差分析 也是机器学习至关重要的步骤。通过观察误差样本,全面分析误差产生误差的原因:是参数的问题还是算法选择的问题,是特征的问题还是数据本身的问题……
诊断后的模型需要进行调优,调优后的新模型需要重新进行诊断,这是一个反复迭代不断逼近的过程,需要不断地尝试, 进而达到最优状态。
6 模型融合
一般来说,模型融合后都能使得效果有一定提升。而且效果很好。
工程上,主要提升算法准确度的方法是分别在模型的前端(特征清洗和预处理,不同的采样模式)与后端(模型融合)上下功夫。因为他们比较标准可复制,效果比较稳定。而直接调参的工作不会很多,毕竟大量数据训练起来太慢了,而且效果难以保证。
7 上线运行
这一部分内容主要跟工程实现的相关性比较大。工程上是结果导向,模型在线上运行的效果直接决定模型的成败。 不单纯包括其准确程度、误差等情况,还包括其运行的速度(时间复杂度)、资源消耗程度(空间复杂度)、稳定性是否可接受。
这些工作流程主要是工程实践上总结出的一些经验。并不是每个项目都包含完整的一个流程。这里的部分只是一个指导性的说明,只有大家自己多实践,多积累项目经验,才会有自己更深刻的认识。
故,基于此,七月在线每一期ML算法班都特此增加特征工程、模型调优等相关课。比如,这里有个公开课视频《特征处理与特征选择》。

24.new 和 malloc的区别
@Sommer_Xia,来源:http://blog.csdn.net/shymi1991 ... 32775
1) malloc与free是C++/C语言的标准库函数,new/delete是C++的运算符。它们都可用于申请动态内存和释放内存。
2) 对于非内部数据类型的对象而言,光用maloc/free无法满足动态对象的要求。对象在创建的同时要自动执行构造函数,对象在消亡之前要自动执行析构函数。由于malloc/free是库函数而不是运算符,不在编译器控制权限之内,不能够把执行构造函数和析构函数的任务强加于malloc/free。
3.)因此C++语言需要一个能完成动态内存分配和初始化工作的运算符new,以一个能完成清理与释放内存工作的运算符delete。注意new/delete不是库函数。
4.)C++程序经常要调用C函数,而C程序只能用malloc/free管理动态内存

25.hash 冲突及解决办法
@Sommer_Xia,来源:http://blog.csdn.net/shymi1991 ... 32775
关键字值不同的元素可能会映象到哈希表的同一地址上就会发生哈希冲突。解决办法:
1)开放定址法:当冲突发生时,使用某种探查(亦称探测)技术在散列表中形成一个探查(测)序列。沿此序列逐个单元地查找,直到找到给定 的关键字,或者碰到一个开放的地址(即该地址单元为空)为止(若要插入,在探查到开放的地址,则可将待插入的新结点存人该地址单元)。查找时探查到开放的 地址则表明表中无待查的关键字,即查找失败。
2) 再哈希法:同时构造多个不同的哈希函数。
3)链地址法:将所有哈希地址为i的元素构成一个称为同义词链的单链表,并将单链表的头指针存在哈希表的第i个单元中,因而查找、插入和删除主要在同义词链中进行。链地址法适用于经常进行插入和删除的情况。
4)建立公共溢出区:将哈希表分为基本表和溢出表两部分,凡是和基本表发生冲突的元素,一律填入溢出表。

26.如何解决梯度消失和梯度膨胀
(1)梯度消失:
根据链式法则,如果每一层神经元对上一层的输出的偏导乘上权重结果都小于1的话,那么即使这个结果是0.99,在经过足够多层传播之后,误差对输入层的偏导会趋于0。
可以采用ReLU激活函数有效的解决梯度消失的情况。
(2)梯度膨胀:
根据链式法则,如果每一层神经元对上一层的输出的偏导乘上权重结果都大于1的话,在经过足够多层传播之后,误差对输入层的偏导会趋于无穷大。
可以通过激活函数来解决。

27.下列哪个不属于CRF模型对于HMM和MEMM模型的优势( )
A. 特征灵活 B. 速度快 C. 可容纳较多上下文信息 D. 全局最优
解答:首先,CRF,HMM(隐马模型),MEMM(最大熵隐马模型)都常用来做序列标注的建模。
隐马模型一个最大的缺点就是由于其输出独立性假设,导致其不能考虑上下文的特征,限制了特征的选择。
最大熵隐马模型则解决了隐马的问题,可以任意选择特征,但由于其在每一节点都要进行归一化,所以只能找到局部的最优值,同时也带来了标记偏见的问题,即凡是训练语料中未出现的情况全都忽略掉。
条件随机场则很好的解决了这一问题,他并不在每一个节点进行归一化,而是所有特征进行全局归一化,因此可以求得全局的最优值。

答案为B。

28.简单说下有监督学习和无监督学习的区别

有监督学习:对具有标记的训练样本进行学习,以尽可能对训练样本集外的数据进行分类预测。(LR,SVM,BP,RF,GBDT)
无监督学习:对未标记的样本进行训练学习,比发现这些样本中的结构知识。(KMeans,DL)

29.了解正则化么?
正则化是针对过拟合而提出的,以为在求解模型最优的是一般优化最小的经验风险,现在在该经验风险上加入模型复杂度这一项(正则化项是模型参数向量的范数),并使用一个rate比率来权衡模型复杂度与以往经验风险的权重,如果模型复杂度越高,结构化的经验风险会越大,现在的目标就变为了结构经验风险的最优化,可以防止模型训练过度复杂,有效的降低过拟合的风险。
奥卡姆剃刀原理,能够很好的解释已知数据并且十分简单才是最好的模型。

30.协方差和相关性有什么区别?
相关性是协方差的标准化格式。协方差本身很难做比较。例如:如果我们计算工资($)和年龄(岁)的协方差,因为这两个变量有不同的度量,所以我们会得到不能做比较的不同的协方差。为了解决这个问题,我们计算相关性来得到一个介于-1和1之间的值,就可以忽略它们各自不同的度量。

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