人工智能十大流行算法，通俗易懂講明白

人工智能是什么？很多人都知道，但大多又都說(shuō)不清楚。

• 比如我們常常用到的郵箱，其中垃圾郵件過(guò)濾就是依靠人工智能；

• 比如每個(gè)智能手機(jī)都配備的指紋識(shí)別或人臉識(shí)別，也是用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)的；

• 比如疫情期間大規(guī)模使用的無(wú)人體溫檢測(cè)儀，同樣也使用了人工智能；
  

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線性回歸

線性回歸（Linear Regression）可能是最流行的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。線性回歸就是要找一條直線，并且讓這條直線盡可能地?cái)M合散點(diǎn)圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)。它試圖通過(guò)將直線方程與該數(shù)據(jù)擬合來(lái)表示自變量（x 值）和數(shù)值結(jié)果（y 值）。然后就可以用這條線來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的值！

這種算法最常用的技術(shù)是最小二乘法（Least of squares）。這個(gè)方法計(jì)算出最佳擬合線，以使得與直線上每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的垂直距離最小?？偩嚯x是所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的垂直距離（綠線）的平方和。其思想是通過(guò)最小化這個(gè)平方誤差或距離來(lái)擬合模型。

例如，簡(jiǎn)單線性回歸，它有一個(gè)自變量（x 軸）和一個(gè)因變量（y 軸）

比如預(yù)測(cè)明年的房?jī)r(jià)漲幅、下一季度新產(chǎn)品的銷量等等。聽起來(lái)并不難，不過(guò)線性回歸算法的難點(diǎn)并不在于得出預(yù)測(cè)值，而在于如何更精確。為了那個(gè)可能十分細(xì)微的數(shù)字，多少工程師為之耗盡了青春和頭發(fā)。

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邏輯回歸

邏輯回歸（Logistic regression）與線性回歸類似，但邏輯回歸的結(jié)果只能有兩個(gè)的值。如果說(shuō)線性回歸是在預(yù)測(cè)一個(gè)開放的數(shù)值，那邏輯回歸更像是做一道是或不是的判斷題。

邏輯函數(shù)中Y值的范圍從 0 到 1，是一個(gè)概率值。邏輯函數(shù)通常呈S 型，曲線把圖表分成兩塊區(qū)域，因此適合用于分類任務(wù)。

比如上面的邏輯回歸曲線圖，顯示了通過(guò)考試的概率與學(xué)習(xí)時(shí)間的關(guān)系，可以用來(lái)預(yù)測(cè)是否可以通過(guò)考試。

邏輯回歸經(jīng)常被電商或者外賣平臺(tái)用來(lái)預(yù)測(cè)用戶對(duì)品類的購(gòu)買偏好。

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決策樹

如果說(shuō)線性和邏輯回歸都是把任務(wù)在一個(gè)回合內(nèi)結(jié)束，那么決策樹（Decision Trees）就是一個(gè)多步走的動(dòng)作，它同樣用于回歸和分類任務(wù)中，不過(guò)場(chǎng)景通常更復(fù)雜且具體。

舉個(gè)簡(jiǎn)單例子，老師面對(duì)一個(gè)班級(jí)的學(xué)生，哪些是好學(xué)生？如果簡(jiǎn)單判斷考試90分就算好學(xué)生好像太粗暴了，不能唯分?jǐn)?shù)論。那面對(duì)成績(jī)不到90分的學(xué)生，我們可以從作業(yè)、出勤、提問(wèn)等幾個(gè)方面分開討論。

以上就是一個(gè)決策樹的圖例，其中每一個(gè)有分叉的圈稱為節(jié)點(diǎn)。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，我們根據(jù)可用的特征詢問(wèn)有關(guān)數(shù)據(jù)的問(wèn)題。左右分支代表可能的答案。最終節(jié)點(diǎn)（即葉節(jié)點(diǎn)）對(duì)應(yīng)于一個(gè)預(yù)測(cè)值。

每個(gè)特征的重要性是通過(guò)自頂向下方法確定的。節(jié)點(diǎn)越高，其屬性就越重要。比如在上面例子中的老師就認(rèn)為出勤率比做作業(yè)重要，所以出勤率的節(jié)點(diǎn)就更高，當(dāng)然分?jǐn)?shù)的節(jié)點(diǎn)更高。

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樸素貝葉斯

樸素貝葉斯（Naive Bayes）是基于貝葉斯定理，即兩個(gè)條件關(guān)系之間。它測(cè)量每個(gè)類的概率，每個(gè)類的條件概率給出 x 的值。這個(gè)算法用于分類問(wèn)題，得到一個(gè)二進(jìn)制“是 / 非”的結(jié)果?？纯聪旅娴姆匠淌?。

樸素貝葉斯分類器是一種流行的統(tǒng)計(jì)技術(shù)，經(jīng)典應(yīng)用是過(guò)濾垃圾郵件。

當(dāng)然，學(xué)堂君賭一頓火鍋，80%的人沒看懂上面這段話。（80%這個(gè)數(shù)字是學(xué)堂君猜的，但經(jīng)驗(yàn)直覺就是一種貝葉斯式的計(jì)算。）

用非術(shù)語(yǔ)解釋貝葉斯定理，就是通過(guò)A條件下發(fā)生B的概率，去得出B條件下發(fā)生A的概率。比如說(shuō)，小貓喜歡你，有a%可能性在你面前翻肚皮，請(qǐng)問(wèn)小貓?jiān)谀忝媲胺瞧?，有多少概率喜歡你？

當(dāng)然，這樣做題，等于抓瞎，所以我們還需要引入其他數(shù)據(jù)，比如小貓喜歡你，有b%可能和你貼貼，有c%概率發(fā)出呼嚕聲。所以我們?nèi)绾沃佬∝堄卸啻蟾怕氏矚g自己呢，通過(guò)貝葉斯定理就可以從翻肚皮，貼貼和呼嚕的概率中計(jì)算出來(lái)。

貓：別算了，我不喜歡你

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支持向量機(jī)

支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）是一種用于分類問(wèn)題的監(jiān)督算法。支持向量機(jī)試圖在數(shù)據(jù)點(diǎn)之間繪制兩條線，它們之間的邊距最大。為此，我們將數(shù)據(jù)項(xiàng)繪制為 n 維空間中的點(diǎn)，其中，n 是輸入特征的數(shù)量。在此基礎(chǔ)上，支持向量機(jī)找到一個(gè)最優(yōu)邊界，稱為超平面（Hyperplane），它通過(guò)類標(biāo)簽將可能的輸出進(jìn)行最佳分離。

超平面與最近的類點(diǎn)之間的距離稱為邊距。最優(yōu)超平面具有最大的邊界，可以對(duì)點(diǎn)進(jìn)行分類，從而使最近的數(shù)據(jù)點(diǎn)與這兩個(gè)類之間的距離最大化。

所以支持向量機(jī)想要解決的問(wèn)題也就是如何把一堆數(shù)據(jù)做出區(qū)隔，它的主要應(yīng)用場(chǎng)景有字符識(shí)別、面部識(shí)別、文本分類等各種識(shí)別。

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K- 最近鄰算法（KNN）

K- 最近鄰算法（K-Nearest Neighbors，KNN）非常簡(jiǎn)單。KNN 通過(guò)在整個(gè)訓(xùn)練集中搜索 K 個(gè)最相似的實(shí)例，即 K 個(gè)鄰居，并為所有這些 K 個(gè)實(shí)例分配一個(gè)公共輸出變量，來(lái)對(duì)對(duì)象進(jìn)行分類。

K 的選擇很關(guān)鍵：較小的值可能會(huì)得到大量的噪聲和不準(zhǔn)確的結(jié)果，而較大的值是不可行的。它最常用于分類，但也適用于回歸問(wèn)題。

用于評(píng)估實(shí)例之間相似性的距離可以是歐幾里得距離（Euclidean distance）、曼哈頓距離（Manhattan distance）或明氏距離（Minkowski distance）。歐幾里得距離是兩點(diǎn)之間的普通直線距離。它實(shí)際上是點(diǎn)坐標(biāo)之差平方和的平方根。

KNN分類示例

KNN理論簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，可用于文本分類、模式識(shí)別、聚類分析等。

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K- 均值

K- 均值（K-means）是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行分類來(lái)聚類的。例如，這個(gè)算法可用于根據(jù)購(gòu)買歷史將用戶分組。它在數(shù)據(jù)集中找到 K 個(gè)聚類。K- 均值用于無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)，因此，我們只需使用訓(xùn)練數(shù)據(jù) X，以及我們想要識(shí)別的聚類數(shù)量 K。

該算法根據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的特征，將每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)迭代地分配給 K 個(gè)組中的一個(gè)組。它為每個(gè) K- 聚類（稱為質(zhì)心）選擇 K 個(gè)點(diǎn)?；谙嗨贫龋瑢⑿碌臄?shù)據(jù)點(diǎn)添加到具有最近質(zhì)心的聚類中。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到質(zhì)心停止變化為止。

生活中，K- 均值在欺詐檢測(cè)中扮演了重要角色，在汽車、醫(yī)療保險(xiǎn)和保險(xiǎn)欺詐檢測(cè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。

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隨機(jī)森林

隨機(jī)森林（Random Forest）是一種非常流行的集成機(jī)器學(xué)習(xí)算法。這個(gè)算法的基本思想是，許多人的意見要比個(gè)人的意見更準(zhǔn)確。在隨機(jī)森林中，我們使用決策樹集成（參見決策樹）。

（a）在訓(xùn)練過(guò)程中，每個(gè)決策樹都是基于訓(xùn)練集的引導(dǎo)樣本來(lái)構(gòu)建的。

（b）在分類過(guò)程中，輸入實(shí)例的決定是根據(jù)多數(shù)投票做出的。

隨機(jī)森林擁有廣泛的應(yīng)用前景，從市場(chǎng)營(yíng)銷到醫(yī)療保健保險(xiǎn)，既可以用來(lái)做市場(chǎng)營(yíng)銷模擬的建模，統(tǒng)計(jì)客戶來(lái)源、保留及流失，也可以用來(lái)預(yù)測(cè)疾病的風(fēng)險(xiǎn)和病患者的易感性。

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降維

由于我們今天能夠捕獲的數(shù)據(jù)量之大，機(jī)器學(xué)習(xí)問(wèn)題變得更加復(fù)雜。這就意味著訓(xùn)練極其緩慢，而且很難找到一個(gè)好的解決方案。這一問(wèn)題，通常被稱為“維數(shù)災(zāi)難”（Curse of dimensionality）。

降維（Dimensionality reduction）試圖在不丟失最重要信息的情況下，通過(guò)將特定的特征組合成更高層次的特征來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）是最流行的降維技術(shù)。

主成分分析通過(guò)將數(shù)據(jù)集壓縮到低維線或超平面 / 子空間來(lái)降低數(shù)據(jù)集的維數(shù)。這盡可能地保留了原始數(shù)據(jù)的顯著特征。

可以通過(guò)將所有數(shù)據(jù)點(diǎn)近似到一條直線來(lái)實(shí)現(xiàn)降維的示例。

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人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Networks，ANN）可以處理大型復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一組帶有權(quán)值的邊和節(jié)點(diǎn)組成的相互連接的層，稱為神經(jīng)元。在輸入層和輸出層之間，我們可以插入多個(gè)隱藏層。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用了兩個(gè)隱藏層。除此之外，還需要處理深度學(xué)習(xí)。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理與大腦的結(jié)構(gòu)類似。一組神經(jīng)元被賦予一個(gè)隨機(jī)權(quán)重，以確定神經(jīng)元如何處理輸入數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)輸入數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)學(xué)習(xí)輸入和輸出之間的關(guān)系。在訓(xùn)練階段，系統(tǒng)可以訪問(wèn)正確的答案。

如果網(wǎng)絡(luò)不能準(zhǔn)確識(shí)別輸入，系統(tǒng)就會(huì)調(diào)整權(quán)重。經(jīng)過(guò)充分的訓(xùn)練后，它將始終如一地識(shí)別出正確的模式。

每個(gè)圓形節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)人工神經(jīng)元，箭頭表示從一個(gè)人工神經(jīng)元的輸出到另一個(gè)人工神經(jīng)元的輸入的連接。