掌握理论,通向《理解机器学习算法》实战解密

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在《理解机器学习:从理论到算法》这本书中,作者Shai Shalev-Shwartz和Shai Ben-David提供了丰富的理论讲解与实践练习解决方案。本书深入探讨了机器学习的核心概念,本摘要将重点分析部分内容,特别是关于理论基础和算法设计的部分。 首先,章节中的第一个练习涉及多变量多项式函数pS(x),它被定义为对训练数据集S中的正样本(xi, yi)进行加权,目的是构造一个函数,使得对于所有yi=1的样本,pS(xi)=0;而对于其他所有x,pS(x)<0。这展示了如何利用训练数据来构建决策边界,区分正负样本。 第二部分,讨论了期望风险(Expected Risk)的概念,即通过线性期望计算某个假设函数h在给定分布Dm下的损失。这里的LS(h)表示h在数据集上的错误率,公式表明了预期风险等于实际数据上的错误概率平均值,即L(D,f)(h)。这是评估模型性能的重要指标,它体现了模型泛化能力。 在第十三章的练习(a),作者指出一个称为A的算法对训练集中所有正样本都标记为正,因为假设了可实现性,且算法返回包含所有正样本的最紧致矩形。这样,所有负样本也被正确分类,因此A是一个经验风险最小化(ERM)策略。 接下来,章节还引入了固定分布D下的理想矩形R⋆,并将其与实际算法返回的矩形R(S)及对应假设fb进行比较。通过R(S)和A(S),我们可以理解算法是如何根据训练数据调整其决策规则,以及它在特定分布下可能的性能。 这部分内容强调了机器学习理论的重要性,不仅在于理解如何构造决策函数,而且还在于理解这些函数如何在实际应用中优化模型,以最小化预测错误。《理解机器学习:从理论到算法》提供了一个由浅入深的学习路径,帮助读者从理论框架出发,逐步掌握各种机器学习算法的实施细节和优化方法。通过解决这些问题,读者可以加深对支持向量机、神经网络等核心机器学习算法的理解,并提升在实际项目中的问题解决能力。
2019-10-13 上传
1 Introduction 19 1.1 What Is Learning? 19 1.2 When Do We Need Machine Learning? 21 1.3 Types of Learning 22 1.4 Relations to Other Fields 24 1.5 How to Read This Book 25 1.5.1 Possible Course Plans Based on This Book 26 1.6 Notation 27 Part I Foundations 31 2 A Gentle Start 33 2.1 A Formal Model { The Statistical Learning Framework 33 2.2 Empirical Risk Minimization 35 2.2.1 Something May Go Wrong { Overtting 35 2.3 Empirical Risk Minimization with Inductive Bias 36 2.3.1 Finite Hypothesis Classes 37 2.4 Exercises 41 3 A Formal Learning Model 43 3.1 PAC Learning 43 3.2 A More General Learning Model 44 3.2.1 Releasing the Realizability Assumption { Agnostic PAC Learning 45 3.2.2 The Scope of Learning Problems Modeled 47 3.3 Summary 49 3.4 Bibliographic Remarks 50 3.5 Exercises 50 4 Learning via Uniform Convergence 54 4.1 Uniform Convergence Is Sucient for Learnability 54 4.2 Finite Classes Are Agnostic PAC Learnable 55 Understanding Machine Learning, c 2014 by Shai Shalev-Shwartz and Shai Ben-David Published 2014 by Cambridge University Press. Personal use only. Not for distribution. Do not post. Please link to http://www.cs.huji.ac.il/~shais/UnderstandingMachineLearning x Contents 4.3 Summary 58 4.4 Bibliographic Remarks 58 4.5 Exercises 58 5 The Bias-Complexity Tradeo 60 5.1 The No-Free-Lunch Theorem 61 5.1.1 No-Free-Lunch and Prior Knowledge 63 5.2 Error Decomposition 64 5.3 Summary 65 5.4 Bibliographic Remarks 66 5.5 Exercises 66 6 The VC-Dimension 67 6.1 Innite-Size Classes Can Be Learnable 67 6.2 The VC-Dimension 68 6.3 Examples 70 6.3.1 Threshold Functions 70 6.3.2 Intervals 71 6.3.3 Axis Aligned Rectangles 71 6.3.4 Finite Classes 72 6.3.5 VC-Dimension and the Number of Parameters 72 6.4 The Fundamental Theorem of PAC learning 72 6.5 Proof of Theorem 6.7 73 6.5.1 Sauer's Lemma and the Growth Function 73 6.5.2 Uniform Convergence for Classes of Small Eective Size 75 6.6 Summary 78 6.7 Bibliographic remarks 78 6.8 Exercises 78 7 Nonuniform Learnability 83 7.1