/ 20220404 Week 1 - 2 /


Chapter 1 - Introduction

1.1 Definition

  • Arthur Samuel

    The field of study that gives computers the ability to learn without being explicitly programmed.
  • Tom Mitchell

    A computer program is said to learn from experience E with respect to some class of tasks T and performance measure P, if its performance at tasks in T, as measured by P, improves with experience E.

1.2 Concepts

1.2.1 Classification of Machine Learning

  • Supervised Learning 监督学习:given a labeled data set; already know what a correct output/result should look like

    • Regression 回归:continuous output
    • Classification 分类:discrete output
  • Unsupervised Learning 无监督学习:given an unlabeled data set or an data set with the same labels; group the data by ourselves
    • Clustering 聚类:group the data into different clusters
    • Non-Clustering 非聚类
  • Others: Reinforcement Learning, Recommender Systems...

1.2.2 Model Representation

  • Training Set 训练集

    \[\begin{matrix}
    x^{(1)}_1&x^{(1)}_2&\cdots&x^{(1)}_n&&y^{(1)}\\
    x^{(2)}_1&x^{(2)}_2&\cdots&x^{(2)}_n&&y^{(2)}\\
    \vdots&\vdots&\ddots&\vdots&&\vdots\\
    x^{(m)}_1&x^{(m)}_2&\cdots&x^{(m)}_n&&y^{(m)}
    \end{matrix}\]
  • 符号说明

    \(m=\) the number of training examples 训练样本的数量 - 行数

    \(n=\) the number of features 特征数量 - 列数

    \(x=\) input variable/feature 输入变量/特征

    \(y=\) output variable/target variable 输出变量/目标变量

    \((x^{(i)}_j,y^{(i)})\) :第\(j\)个特征的第 \(i\) 个训练样本,其中 \(i=1, ..., m\),\(j=1, ..., n\)

1.2.3 Cost Function 代价函数

1.2.4 Gradient Descent 梯度下降

Chapter 2 - Linear Regression 线性回归

\[\begin{matrix}
x_0&x^{(1)}_1&x^{(1)}_2&\cdots&x^{(1)}_n&&y^{(1)}\\
x_0&x^{(2)}_1&x^{(2)}_2&\cdots&x^{(2)}_n&&y^{(2)}\\
\vdots&\vdots&\vdots&\ddots&\vdots&&\vdots\\
x_0&x^{(m)}_1&x^{(m)}_2&\cdots&x^{(m)}_n&&y^{(m)}\\
\\
\theta_0&\theta_1&\theta_2&\cdots&\theta_n&&
\end{matrix}\]

2.1 Linear Regression with One Variable 单元线性回归

  • Hypothesis Function

    \[h_{\theta}(x)=\theta_0+\theta_1x
    \]
  • Cost Function - Square Error Cost Function 平方误差代价函数

\[J(\theta_0,\theta_1)=\frac{1}{2m}\displaystyle\sum_{i=1}^m(h_{\theta}(x^{(i)})-y^{(i)})^2
\]
  • Goal

    \[\min_{(\theta_0,\theta_1)}J(\theta_0,\theta_1)
    \]

2.2 Multivariate Linear Regression 多元线性回归

  • Hypothesis Function

    \[\theta=
    \left[
    \begin{matrix}
    \theta_0\\
    \theta_1\\
    \vdots\\
    \theta_n
    \end{matrix}
    \right],\
    x=
    \left[
    \begin{matrix}
    x_0\\
    x_1\\
    \vdots\\
    x_n
    \end{matrix}
    \right]\]
    \[\begin{aligned}h_\theta(x)&=\theta_0+\theta_1x_1+\theta_2x_2+\cdots+\theta_nx_n\\
    &=\theta^Tx
    \end{aligned}\]
  • Cost Function

    \[J(\theta^T)=\frac{1}{2m}\displaystyle\sum_{i=1}^m(h_{\theta}(x^{(i)})-y^{(i)})^2
    \]
  • Goal

    \[\min_{\theta^T}J(\theta^T)
    \]

2.3 Algorithm Optimization

2.3.1 Gradient Descent 梯度下降法

  • 算法过程

    Repeat until convergence(simultaneous update for each \(j=1, ..., n\))
\[\begin{aligned}
\theta_j
&:=\theta_j-\alpha{\partial\over\partial\theta_j}J(\theta^T)\\
&:=\theta_j-\alpha{1\over{m}}\displaystyle\sum_{i=1}^m(h_{\theta}(x^{(i)})-y^{(i)})x^{(i)}_j
\end{aligned}\]
  • Feature Scaling 特征缩放

    对每个特征 \(x_j\) 有$$x_j={{x_j-\mu_j}\over{s_j}}$$

    其中 \(\mu_j\) 为 \(m\) 个特征 \(x_j\) 的平均值,\(s_j\) 为 \(m\) 个特征 \(x_j\) 的范围(最大值与最小值之差)或标准差。
  • Learning Rate 学习率

2.3.2 Normal Equation(s) 正规方程(组)

\[X=\left[
\begin{matrix}
x_0&x^{(1)}_1&x^{(1)}_2&\cdots&x^{(1)}_n\\
x_0&x^{(2)}_1&x^{(2)}_2&\cdots&x^{(2)}_n\\
\vdots&\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\
x_0&x^{(m)}_1&x^{(m)}_2&\cdots&x^{(m)}_n\\
\end{matrix}
\right],\
y=\left[
\begin{matrix}
y^{(1)}\\
y^{(2)}\\
\vdots\\
y^{(m)}\\
\end{matrix}
\right]\]

其中 \(X\) 为 \(m\times(n+1)\) 维矩阵,\(y\) 为 \(m\) 维的列向量。则

\[\theta=(X^TX)^{-1}X^Ty
\]

如果 \(X^TX\) 不可逆(noninvertible),可能是因为:

  1. Redundant features 冗余特征:存在线性相关的两个特征,需要删除其中一个;
  2. 特征过多,如 \(m\leq n\):需要删除一些特征,或对其进行正规化(regularization)处理。

2.4 Polynomial Regression 多项式回归

If a linear \(h_\theta(x)\) can't fit the data well, we can change the behavior or curve of \(h_\theta(x)\) by making it a quadratic, cubic or square root function(or any other form).

e.g.

  • \(h_{\theta}(x)=\theta_0+\theta_1x_1+\theta_2x_1^2,\ x_2=x_1^2\)

  • \(h_{\theta}(x)=\theta_0+\theta_1x_1+\theta_2x_1^2+\theta_3x_1^3,\ x_2=x_1^2,\ x_3=x_1^3\)

  • \(h_{\theta}(x)=\theta_0+\theta_1x_1+\theta_2\sqrt{x_1},\ x_2=\sqrt{x_1}\)


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