沒有哪一種算法能夠適用所有情況，只有針對某一種問題更有用的算法。

機器學(xué)習(xí)算法不會要求一個問題被 100%求解，取而代之的是把問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化的問題，用不同的算法優(yōu)化問題，從而比較得到盡量好的結(jié)果。因此對于數(shù)據(jù)科學(xué)家來說，理解算法顯得格外重要，理解不同算法的思想可以幫助數(shù)據(jù)科學(xué)家更從容地面對不同的應(yīng)用場景。

本文列出了常用的機器學(xué)習(xí)算法的基本概念、主要特點和適用場景，希望可以在大家選擇合適的機器學(xué)習(xí)算法解決實際問題時起到一點參考作用。

本文主要提及的機器學(xué)習(xí)算法包括：

K近鄰（KNN）算法

樸素貝葉斯算法

決策樹算法

SVM算法

adaboost算法

EM算法(期望最大化算法)

下面我們將具體展開介紹。

1.K近鄰（KNN）算法

KNN算法的基本介紹:假若一個特征空間中大多數(shù)的樣本屬于某一個類別,則在這個特征空間中，k個最相似的樣本也屬于這個類別。

該算法由兩個步驟組成:(1)對于一個給定的搜索訓(xùn)練集按一定距離度量,來找到一個 的值。(2)在這個KNN當(dāng)中,根據(jù)大多數(shù)分為一致的類來進行分類。

用以下這幅圖可以很好的解釋KNN算法：

不同形狀的點，為不同標(biāo)簽的點。其中綠色點為未知標(biāo)簽的數(shù)據(jù)點?，F(xiàn)在要對綠色點進行預(yù)測。由圖不難得出：

如果k=3，那么離綠色點最近的有2個紅色三角形和1個藍色的正方形，這3個點投票，于是綠色的這個待分類點屬于紅色的三角形。

如果k=5，那么離綠色點最近的有2個紅色三角形和3個藍色的正方形，這5個點投票，于是綠色的這個待分類點屬于藍色的正方形。

K近鄰（KNN）算法優(yōu)點：

·算法原理簡單，容易理解，也較容易實現(xiàn)。

·不需要進行訓(xùn)練，只需要保存訓(xùn)練樣本和標(biāo)簽。

·不易受小錯誤概率的影響。經(jīng)理論證明，最近鄰的漸進錯誤率最壞時不超過兩倍的貝葉斯錯誤率，最好時接近或達到貝葉斯錯誤率。

K近鄰（KNN）算法缺點：

·K的選擇不固定。

·預(yù)測結(jié)果容易受到噪聲數(shù)據(jù)的影響。

·當(dāng)樣本不平衡時，新樣本的類別偏向訓(xùn)練樣本中數(shù)量占優(yōu)的類別，容易導(dǎo)致預(yù)測錯誤。

·當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時，具有較高的計算復(fù)雜度和內(nèi)存消耗，因為對每一個待分類的文本，都要計算它到全體已知樣本的距離，才能求得它的K個最近鄰。

適用場景及主要應(yīng)用領(lǐng)域：

由于KNN方法主要靠周圍有限的鄰近的樣本，而不是靠判別類域的方法來確定所屬類別的，因此對于類域的交叉或重疊較多的待分樣本集來說，KNN方法較其他方法更為適合。在實際應(yīng)用當(dāng)中，KNN算法在人臉識別、文字識別、醫(yī)學(xué)圖像處理等領(lǐng)域可以取得良好的分類效果。

K近鄰（KNN）算法需要注意的問題：

·數(shù)據(jù)特征之間量綱不統(tǒng)一時，需要對數(shù)據(jù)進行歸一化處理，否則會出現(xiàn)大數(shù)吃小數(shù)的問題；

·數(shù)據(jù)之間的距離計算通常采用歐式距離；

·kNN算法中K值的選取會對結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，一般k值要小于訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)的平方根；

·通常采用交叉驗證法來選擇最優(yōu)的K值。

2.樸素貝葉斯算法

樸素貝葉斯分類是一種十分簡單的分類算法，即對于給出的待分類項，求解在此項出現(xiàn)的條件下各個類別出現(xiàn)的概率，哪個最大，就認為此待分類項屬于哪個類別。

以判定外國友人為例做一個形象的比喻。

若我們走在街上看到一個黑皮膚的外國友人，讓你來猜這位外國友人來自哪里。十有八九你會猜是從非洲來的，因為黑皮膚人種中非洲人的占比最多，雖然黑皮膚的外國人也有可能是美洲人或者是亞洲人。但是在沒有其它可用信息幫助我們判斷的情況下，我們會選擇可能出現(xiàn)的概率最高的類別，這就是樸素貝葉斯的基本思想。

下圖為樸素貝葉斯算法的流程：

樸素貝葉斯算法注意點：

·當(dāng)特征屬性值的值類型不是離散值而是連續(xù)值的時候，需要通過高斯分布做概率的計算；

·為了避免統(tǒng)計概率中出現(xiàn)概率為0的情況，可以引入Laplace校準(zhǔn)，它的思想非常簡單，就是對沒類別下所有劃分的計數(shù)加1。

適用場景及主要應(yīng)用領(lǐng)域：

1. 樸素貝葉斯算法對待預(yù)測樣本進行預(yù)測，過程簡單速度快；

2. 對于多分類問題也同樣很有效，復(fù)雜度也不會有大程度上升；

3.在分布獨立這個假設(shè)成立的情況下，貝葉斯分類器效果奇好，會略勝于邏輯回歸，同時需要的樣本量也更少一點。

4.對于類別類的輸入特征變量，效果非常好。對于數(shù)值型變量特征，我們是默認它符合正態(tài)分布的。

主要應(yīng)用領(lǐng)域

·文本分類/垃圾文本過濾/情感判別：多分類較為簡單，同時在文本數(shù)據(jù)中，分布獨立這個假設(shè)基本是成立的。垃圾文本過濾(比如垃圾郵件識別)和情感分析(微博上的褒貶情緒)用樸素貝葉斯也通常能取得很好的效果。

·多分類實時預(yù)測：對于文本相關(guān)的多分類實時預(yù)測，樸素貝葉斯算法被廣泛應(yīng)用，簡單又高效。

·推薦系統(tǒng)：樸素貝葉斯和協(xié)同過濾(Collaborative Filtering)是一對好搭檔，協(xié)同過濾是強相關(guān)性，但是泛化能力略弱，樸素貝葉斯和協(xié)同過濾一起，能增強推薦的覆蓋度和效果。

3. 決策樹算法

決策樹是一個樹結(jié)構(gòu)（可以是二叉樹或非二叉樹），其每個非葉節(jié)點表示一個特征屬性上的測試，每個分支代表這個特征屬性在某個值域上的輸出，而每個葉節(jié)點存放一個輸出類別。使用決策樹進行決策的過程就是從根節(jié)點開始，測試待分類項中相應(yīng)的特征屬性，并按照其值選擇輸出分支，直到到達葉子節(jié)點，將葉子節(jié)點存放的類別作為決策結(jié)果。

決策樹學(xué)習(xí)通常包含這幾個方面：特征選擇、決策樹生成、決策樹剪枝、缺失值/異常值處理、決策樹集成學(xué)習(xí)。

決策樹算法注意點：

·決策樹算法非常容易過擬合，導(dǎo)致泛化能力不強?？梢酝ㄟ^設(shè)置節(jié)點最少樣本數(shù)量和限制決策樹深度來改進。

·決策樹會因為樣本發(fā)生一點點的改動，就會導(dǎo)致樹結(jié)構(gòu)的劇烈改變。這個可以通過集成學(xué)習(xí)之類的方法解決。

·尋找最優(yōu)的決策樹是一個NP難的問題，一般通過啟發(fā)式方法，容易陷入局部最優(yōu)。可以通過集成學(xué)習(xí)之類的方法來改善。

·有些比較復(fù)雜的關(guān)系，決策樹很難學(xué)習(xí)，比如異或，一般這種關(guān)系可以換神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法來解決。

·如果某些特征的樣本比例過大，生成決策樹容易偏向于這些特征。這個可以通過調(diào)節(jié)樣本權(quán)重來改善（特別注意，在模型訓(xùn)練過程中，某些特征的權(quán)重排序很大，需要手動調(diào)節(jié)樣本的權(quán)重來影響特征的權(quán)重，主要有樣本的均衡，樣本的過濾，樣本權(quán)重的調(diào)節(jié)）。

適用場景及主要應(yīng)用領(lǐng)域：

相比其他算法，決策樹有一個非常明顯的優(yōu)勢，就是可以很直觀地進行可視化，分類規(guī)則好理解，讓非專業(yè)的人也容易看明白，既可以解決分類問題（對應(yīng)的目標(biāo)值是類別型的數(shù)據(jù)），也能解決回歸問題（輸出結(jié)果也可以是連續(xù)的數(shù)值），目前廣泛應(yīng)用于語音識別、人臉識別、醫(yī)療診斷、模式識別等領(lǐng)域。

4. SVM算法

支持向量機，support vector machine，簡稱SVM，是經(jīng)典機器學(xué)習(xí)的一個重要分類算法，用于完成數(shù)據(jù)分類。svm算法通過找出一個決策超平面（二維空間指直線，三維空間指平面，超過三維的就是超平面了），將已有訓(xùn)練數(shù)據(jù)集劃分開，然后對于新數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)是位于超平面的哪一側(cè)完成判斷，得到新數(shù)據(jù)的分類。

因此基礎(chǔ)的svm算法是一個二分類算法，至于多分類任務(wù)，多次使用svm即可解決。

下圖是一組支持向量機實現(xiàn)分類的示例。

SVM算法注意點：

·SVM可以執(zhí)行線性非線性的分類、回歸、異常值檢測。適用于中小型復(fù)雜數(shù)據(jù)集；

·SVM對特征縮放很敏感，可以在輸入之前采用StandardScaler處理；

·如果SVM模型過擬合，可以通過降低C來進行正則化；

·LinearSVC灰度偏執(zhí)正則化，需要減去平均值，StandardScaler會自動處理；

·處理非線性數(shù)據(jù)集的方法之一是添加更多的特征，比如多項式特征。

適用場景及主要應(yīng)用領(lǐng)域：

支持向量機(Support Vector Machine)是Cortes和Vapnik于1995年首先提出的，它在解決小樣本、非線性及高維模式識別中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢，但它具有以下缺點：

·無法應(yīng)對大規(guī)模訓(xùn)練樣本；

·難以解決多分類問題；

·對參數(shù)及核函數(shù)選擇非常敏感。

支持向量機的常見適用范圍如下：

·網(wǎng)絡(luò)完全

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)入侵檢測方法大多采用密碼簽名的方法。在進行入侵檢測方面，機器學(xué)習(xí)技術(shù)可以幫助我們進行網(wǎng)絡(luò)流量的分析，在這里支持向量機具有檢測速度快，分類精度高等特點，可以幫助安全人員識別不同類別的網(wǎng)絡(luò)攻擊，例如掃描和欺詐網(wǎng)絡(luò)。

·人臉識別

SVM可以將圖像部分分為人臉和非人臉。它包含nxn像素的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，具有兩類人臉（+1）和非人臉（-1），然后從每個像素中提取特征作為人臉和非人臉。根據(jù)像素亮度在人臉周圍創(chuàng)建邊界，并使用相同的過程對每個圖像進行分類。

·文本和超文本分類

SVM可以實現(xiàn)對兩種類型的模型進行文本和超文本分類，它主要通過使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)將文檔分類為不同的類別，如新聞文章、電子郵件和網(wǎng)頁。

對于每個文檔，計算一個分數(shù)并將其與預(yù)定義的閾值進行比較。當(dāng)文檔的分數(shù)超過閾值時，則將文檔分類為確定的類別。如果它不超過閾值，則將其視為一般文檔。

通過計算每個文檔的分數(shù)并將其與學(xué)習(xí)的閾值進行比較來對新實例進行分類。

·蛋白質(zhì)折疊和遠程同源檢測

蛋白質(zhì)遠程同源性檢測是計算生物學(xué)中的一個關(guān)鍵問題。SVM算法是遠程同源檢測最有效的方法之一。這些方法的性能取決于蛋白質(zhì)序列的建模方式。

5. adaboost算法

在了解adaboost算法之前，我們先來重溫一下三個臭皮匠頂個諸葛亮的故事：諸葛亮帶兵過江，江水湍急，而且里面多是突出水面的礁石。普通竹筏和船只很難過去,打頭陣的船只都被水沖走觸礁沉沒，諸葛亮一籌莫展，也想不出好辦法，入夜來了3個做牛皮活的皮匠獻策。告訴諸葛亮買牛，然后把牛從肚皮下整張剝下來，封好切口后讓士兵往里吹氣，做成牛皮筏子，這樣的筏子不怕撞，諸葛亮按此方法嘗試并順利過江。

Adaboost就是這樣一種“三個臭皮匠頂個諸葛亮”的迭代算法，其核心思想是針對同一個訓(xùn)練集訓(xùn)練不同的分類器(弱分類器)，然后把這些弱分類器集合起來，構(gòu)成一個更強的最終分類器（強分類器）。

adaboost算法注意點：

·AdaBoost迭代次數(shù)也就是弱分類器數(shù)目不太好設(shè)定，可以使用交叉驗證來進行確定；

·數(shù)據(jù)不平衡導(dǎo)致分類精度下降；

·訓(xùn)練比較耗時，每次重新選擇當(dāng)前分類器最好切分點；

·對異常樣本敏感，異常樣本在迭代中可能會獲得較高的權(quán)重，影響最終的強學(xué)習(xí)器的預(yù)測準(zhǔn)確性。

適用場景及主要應(yīng)用領(lǐng)域：

在機器學(xué)習(xí)的算法中，Adaboost 算法是一種比較重要且通用的用于特征分類的算法，在圖像檢索和人臉表情識別等問題中都有普遍應(yīng)用。從現(xiàn)狀看，人們對Adaboost 算法的研究及應(yīng)用主要集中用于分類問題上，另外在某些回歸問題上也有所涉及，比如兩類問題、多類單標(biāo)簽問題、多類多標(biāo)簽問題和回歸問題。

Adaboost 在機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中十分重要，它是一種提高任意給定學(xué)習(xí)算法準(zhǔn)確度的方法。也就是說，Adaboost 算法為其他算法提供了一種框架結(jié)構(gòu)，而其他算法只在其中作為子分類器，因此 Adaboost 算法可以運用在許多方面的實踐上。

通過 Adaboost 算法

·可以實現(xiàn)手寫體字符識別，運用到了許多輸入設(shè)備上，如流行的觸屏手機上的手寫輸入、筆記本電腦的手寫輸入、掃描儀掃面文字轉(zhuǎn)化為電子文檔。

·圖像識別，如人臉識別、google 上的圖片檢索功能(很方便地找到想要的清晰度更高的圖片)。我們實現(xiàn)了語音識別，現(xiàn)在的WIN7上都有了一個語音識別的功能，我們能夠讓計算機知道我們說了什么話,并通過機器自動學(xué)習(xí)提高語音識別的精度，聲音輸入和聲控很可能在未來普及。

·Adaboost 算法還能做文本分類和醫(yī)療診斷等等。

6. EM算法(期望最大化算法)

最大期望算法（Expectation-maximization algorithm，又譯為期望最大化算法），是在概率模型中尋找參數(shù)最大似然估計或者最大后驗估計的算法，其中概率模型依賴于無法觀測的隱性變量。

以打獵為例做一個形象的比喻：

比如你一位同學(xué)和一位獵人一起外出打獵，一只野兔從前方竄過。只聽一聲槍響，野兔應(yīng)聲到下，如果要你推測，這一發(fā)命中的子彈是誰打的？你就會想，只發(fā)一槍便打中，由于獵人命中的概率一般大于你那位同學(xué)命中的概率，從而推斷出這一槍應(yīng)該是獵人射中的。

這個例子所作的推斷就體現(xiàn)了最大似然法的基本思想。

多數(shù)情況下我們是根據(jù)已知條件來推算結(jié)果，而最大似然估計是已經(jīng)知道了結(jié)果，然后尋求使該結(jié)果出現(xiàn)的可能性最大的條件，以此作為估計值。

EM算法注意點：

·對初始化數(shù)據(jù)敏感。

·EM算法計算復(fù)雜，收斂較慢，不適于大規(guī)模數(shù)據(jù)集和高維數(shù)據(jù)。

·當(dāng)所要優(yōu)化的函數(shù)不是凸函數(shù)時，EM算法容易給出局部最優(yōu)解，而不是全局最優(yōu)解。

適用場景及主要應(yīng)用領(lǐng)域：

·K-Means聚類

K-Means是EM算法的一個特列。在K-Means聚類時，每個聚類簇的質(zhì)心是隱含數(shù)據(jù)。我們會假設(shè)K個初始化質(zhì)心，即EM算法的E步；然后計算得到每個樣本最近的質(zhì)心，并把樣本聚類到最近的這個質(zhì)心，即EM算法的M步。重復(fù)這個E步和M步，直到質(zhì)心不再變化為止，這樣就完成了K-Means聚類。

·高斯混合模型

高斯混合模型（Gaussian Misture Model）的參數(shù)估計是EM算法的一個重要應(yīng)用。高斯混合模型應(yīng)用廣泛，在許多情況下， EM算法是學(xué)習(xí)高斯混合模型的有效方法。

·隱馬爾科夫模型

EM算法的另一個重要應(yīng)用是隱馬爾科夫模型。

算法的選擇取決于許多因素，比如問題陳述、預(yù)期的輸出類型、數(shù)據(jù)的類型和大小、可用的計算時間、特征數(shù)量以及數(shù)據(jù)中的觀測點等，以上內(nèi)容僅供大家在選擇算法時作為參考，實踐和運行才是評估算法的最佳標(biāo)準(zhǔn)。

編輯：何安