机器学习及进化计算.ppt

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2.5.4 候选消除学习法
• 候选消除：候选消除算法通过使用极大一 般成员（G）和极大特殊成员（S）来表示 变型空间。
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表2-5 使用变型空间的候选消除算法（正例和反例同时影响S和G）
将G集合初始化为H中极大一般假设 例 表2-1 将S集合初始化为H中极大特殊假设 对每个训练样例d，进行以下操作： 如果d是一正例 从G中移去所有与d不一致的假设 对S中每个与d不一致的假设s 从S中移去s 把s的所有的极小泛化式h加入到S中，其中h满足 h与d一致，而且G的某个成员比h更一般 从S中移去所有这样的假设：它比S中另一假设更一般 如果d是一个反例 从S中移去所有与d不一致的假设 对G中每个与d不一致的假设g 从G中移去g 把g的所有的极小特化式h加入到G中，其中h满足 h与d一致，而且S的某个成员比h更特殊 从G中移去所有这样的假设：它比G中另一假设更特殊
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Step3.第2个训练样例（仍为正例）使该算 法进一步将h泛化: h←<Sunny, Warm, ?, Strong, Warm, Same> Step4.第3个训练样例是一个反例，h不变 …… 依次对比样例，直到最后h泛化为： h←<Sunny, Warm, ?, Strong, ?, ?>
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困惑
• 学习过程是否收敛到了正确的目标概念？-无法确定收敛到了目标概念 • 为什么要用极大特殊假设？--若有多个与训 练样例一致的假设，Find-S只能找到极大 特殊假设。 • 训练样例是否相互一致？ --数据含噪 • 若有多个极大特殊假设呢？--选择
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2.5变型空间和候选消除算法
h2=<Sunny, ?, ?, ?, ?, ?>
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2.4 FIND-S: 寻找极大特殊假设
表2-3 Find-S算法 1.将h初始化为H中最特殊假设; 2.对每个正例x; 对h的每个属性约束ai 如果 x满足ai ,那么不做任何事 否则将h中ai替换为x满足的紧邻的更一般 约束 3.输出假设h.
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第一讲 机器学习的基本概念 第1章 引言
什么是机器学习？ 为什么进行机器学习？ 如何利用机器学习解决问题？
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什么是机器学习？
直观地理解： 机器（计算机）的自我学习。 例： 计算机能从医疗记录中学习，获取治疗新疾 病的最有效方法； 住宅管理系统分析住户的用电模式，以降低 能源消耗。
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为什么进行机器学习？
机器学习及进化计算
授课：徐琴珍 学时：36
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主要教材及参考书目
教材：《机器学习》, Tom M. Mitchell著，曾 华军，张银奎 等译，机械工业出版社。 参考书目： • 贝叶斯方法，Tomas Leonaard, 机械工业出 版社。 • 进化计算， 王正志，薄涛，国防科技大学出版社。 • 神经网络设计，Martin T. Hangan等，机械工 业出版社。
一些术语及其表示(1)： • 一致：一个假设h与训练样例集合D一致 (consistent)，当且仅当对D中每一个样 例<x,c(x)>，h(x)=c(x)。
Consistent(h,D)≡(<x,c(x)> ∈ D) h(x)=c(x)
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一些术语及其表示(2)： • 变型空间: 关于假设空间H和训练样例集D 的变型空间(version space)，标记为
VSH,D，是H中与训练样例D一致的所有假
设构成的子集。
VSH,D≡{h∈H | Consistent (h,D) }
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2.5.2列表后消除算法
• List-Then-Eliminate: 列出变型空间的 其所有成员. • 特点: 繁琐。
表2-4 列表后消除算法
1.变型空间VersionSpace←包含H中所有假设的列表 2.对每个训练样例<x, c(x)> 从变型空间中移除所有h(x)≠c(x)的假设h 3.输出VersionSpace中的假设列表
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2.7归纳偏置
• 无偏学习器的无用性： 学习器如果不对目标概念的形式做预先的 假定，它从根本上无法对未见实例进行分 类。 因此，归纳学习需要某种形式的预先假定， 或称为归纳偏置（Inductive bias）
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如何设计学习系统？(2)
② 选择目标函数 学习任务目标函数目标函数的逼近 V: Feature statictarget output ③ 选择目标函数的表示 与学习机制有关：加权方式，推理方式等
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如何设计学习系统？(3)
④ 选择函数逼近算法(学习机制) I. 估计训练值 II. 调整权值(或调整规则等)
包括人工智能、概率统计、信息论、神经 生物学等学科的发展为机器学习提供了丰 富的素材； 不断增长的在线（实时）数据量；
可以有效地利用计算机的计算性能；
产业发展的推动；
机器学习适用的三大领域:
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机器学习适用的三大领域
• 数据挖掘：用历史数据提高决策能力。 例：医疗数据诊断知识(data knowledge)
Sunny Warm
术语定义
Find-S例
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2.2.2 归纳学习假设
归纳学习假设: 任一假设如果在足够大的训练样例集中很好 地逼近目标函数，它也能在未见实例中很 好地逼近目标函数。
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2.3作为搜索的概念学习
• 概念学习的过程即搜索的过程 • 搜索范围：假设表示(H)所隐含定义的整个 空间。 • 搜索目标:寻找能最好地拟合训练样例的假 设h。 • 学习算法不同，假设空间搜索的策略也不 同。
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表2-1目标概念EnjoySport的正例和反例
Example Sky AirTemp Humidity Wind Water Forecast EnjoySport 1 2 3 4 Sunny Warm Normal Strong Warm Same Sunny Warm Rainy Cold High High High Strong Warm Same Strong Warm Change Strong Cool Change Yes Yes No Yes
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More general than or equal to
定义：令hj 和hk 为在X上定义的布尔函数。 定义一个more-general-than-or-
equal-to关系，记做≥g。称hj≥g hk当且
仅当(x∈X) [( hk (x) =1)→( hj (x) =1)] 例：h1=<Sunny, ?, ?, Strong, ?, ?>
• 人们无法手工操作实现，而应用软件却可 以。 例: 自动驾驶；语音识别 • 个性定制程序。 例：掌握用户兴趣的新闻广播员
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典型的数据挖掘实例
数据：
• 给定9714个病历记录，每条记录描述了怀
孕及生产的信息 • 每条病历记录包含215个特征
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数据特征
Patient103 time=1 Age: 23 FirstPregnancy: no Anemia: no PreviousPrematureBirth: no Diabetes: no Ultrasound: ? Elective C−Section: ? Emergency C−Section: ? ... Patient103 time=2 Age: 23 FirstPregnancy: no Anemia: no PreviousPrematureBirth: no Diabetes: YES Ultrasound: abnormal Emergency C−Section: ? Elective C−Section: no ... ... Patient103 time=n Age: 23 FirstPregnancy: no Anemia: no PreviousPrematureBirth: no Diabetes: no Elective C−Section: no Ultrasound: ? Emergency C−Section: Yes ...
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如何设计学习系统？(1)
① 选择训练经验 a) 训练经验能否为系统的决策提供直接或间 接的反馈 ？(特征抽取、选择？) b) 学习器可以在多大程度上控制训练样例序 列 ?(能否在线学习？) c) 训练样例的分布能多好地表示实例分布?
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例：手写字体的识别学习问题
• 要学习的知识的确切类型 • 对于这个目标知识的表示 • 一种学习机制
要求预测： • 未来病历中需要紧急剖腹产的病人
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如何利用机器学习解决问题
• 学习问题的标准描述（Section 1.1） • 设计学习系统（Section 1.2)
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什么是学习问题？
定义： • 对于某类任务T 和性能度量P ，如果一个 计算机程序在T 上以P 衡量的性能随着经 验E 而自我完善，那么我们称这个计算机 程序在从经验E 学习。（例：水果分类, 手 写字体的识别，机器人驾驶） 广义理解： • 任何计算机程序通过经验来提高某任务处 理性能的行为 。
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• 例：学习器的一系列训练样例如表2-1所示， 则FIND-S的学习过程为： Step1.将h初始化为H中最特殊假设： h←<, , , , , > Step2.与表2-1中第一个训练样例对比，每 个属性都被替换成能拟合该例的值约束。 h←<Sunny, Warm, Normal, Strong, Warm, Same>
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学习过程的设计流程
决定训练经验类型 决定目标函数
决定目标函数的表示 选择学习方法 完成设计
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第2章 概念学习和一般到特殊序
• 机器学习的中心问题： 从特殊的训练样例中归纳出一般函数（一 般概念）。 • 在两分类问题中，概念学习的定义为： 从有关某个布尔函数的输入输出训练样例中， 推断出该布尔函数 。