CMU高级机器学习非参数学习
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Java人工智能(AI)应用开发使用机器学习和深度学习技术随着科技的快速发展,人工智能(Artificial Intelligence,简称AI)成为当今世界的热门话题。
作为一种强大的计算机技术,人工智能已经融入到许多领域中,为我们的生活带来了巨大的变化。
而Java作为一种功能强大且广泛应用的编程语言,在人工智能应用开发中扮演着重要的角色。
本文将介绍如何使用Java开发人工智能应用,并探讨其中机器学习和深度学习技术的应用。
一、Java在人工智能应用中的作用人工智能是一门涵盖了多种算法和技术的学科,Java作为一门通用编程语言,为人工智能应用开发提供了强大的支持。
Java具有跨平台和大规模并发处理的特性,使得它成为了开发高效且稳定的人工智能应用的理想选择。
同时,Java拥有丰富的开发库和框架,为实现人工智能的各种功能提供了丰富的工具和资源。
二、机器学习技术在Java中的应用1. 数据处理与特征提取机器学习的关键在于构建模型并进行有效的数据处理和特征提取。
Java在数据处理方面拥有丰富的库,如Apache CommonsMath和Weka等。
这些库可以方便地进行数据预处理、特征选择和特征提取等操作,为机器学习提供了强大的支持。
2. 模型构建与训练Java提供了多种机器学习的框架和库,如Weka、DL4J和Apache Mahout等。
这些库可以帮助开发人员构建并训练各种机器学习模型,如决策树、神经网络和支持向量机等。
通过这些工具,开发人员可以方便地应用机器学习算法进行模型构建和训练,并将其整合到Java应用中。
3. 模型评估与应用除了模型构建和训练,模型评估也是机器学习应用不可或缺的一部分。
Java提供了丰富的评估工具和指标来评估模型的性能和准确度。
通过这些工具,开发人员可以对训练好的模型进行验证和测试,并根据评估结果对模型进行调整和优化。
三、深度学习技术在Java中的应用深度学习作为机器学习的一个分支,通过构建和模拟人脑神经网络实现了更加复杂的学习和推理能力。
人工智能开发技术中的参数优化和自动机器学习人工智能(Artificial Intelligence, AI)在过去几十年里取得了令人瞩目的进展,成为了现代科技领域中的热门话题。
而在人工智能的开发技术中,参数优化和自动机器学习被广泛运用,成为了提高人工智能性能和效果的重要手段。
一、参数优化的概念与方法在人工智能开发中,参数优化旨在通过调整和优化算法模型中的参数,以达到最佳的性能和效果。
这些参数的选择往往直接关系到算法的执行效率和准确性。
常用的参数优化方法包括网格搜索、贝叶斯优化、遗传算法等。
1. 网格搜索网格搜索是一种简单而直观的参数优化方法。
它通过指定参数的一组可能取值,对所有可能的组合进行遍历,最终找到在给定数据集上表现最好的参数组合。
然而,网格搜索的缺点在于当参数数量增加时,搜索空间呈指数级增长,导致计算量大大增加。
2. 贝叶斯优化贝叶斯优化是一种基于贝叶斯统计学原理的参数优化方法。
它通过建立一个概率模型来估计参数的后验分布,并选择期望改进最大的参数组合。
相比于网格搜索,贝叶斯优化能够更高效地找到最优解,尤其在参数空间复杂或者存在噪声的情况下表现更好。
3. 遗传算法遗传算法是一种通过模拟生物进化过程进行参数优化的方法。
在遗传算法中,通过模拟自然选择、交叉和变异等操作,生成新的参数组合,并筛选出适应度更高的个体。
遗传算法不仅能够处理高维、非线性的参数空间,还能够避免陷入局部最优解。
二、自动机器学习的概念与应用自动机器学习是一种旨在简化机器学习流程的技术,它通过自动化数据预处理、特征选择、模型选择和参数优化等步骤,实现了对机器学习的全自动化。
相比于传统的手动调参和模型选择,自动机器学习能够极大地减少开发者的工作量,同时提高了模型的性能和效果。
自动机器学习的应用广泛,例如在图像分类、自然语言处理、推荐系统等领域都取得了显著成果。
以图像分类为例,传统的机器学习方法需要人工选择特征、调整参数,而自动机器学习则能够自动从原始图像中提取特征,并自动选择合适的模型和参数,从而大大提升了分类的准确性和效率。
深度学习技术的非监督学习方法教程近年来,深度学习技术在计算机视觉、自然语言处理和机器学习等领域取得了显著的成就。
而监督学习方法是传统深度学习的核心,它需要大量标记好的数据进行训练,并且对于训练数据的质量和数量也有较高的要求。
然而,在许多实际场景中,获取大量标记好的数据往往是一项困难和昂贵的任务。
为了解决这个问题,非监督学习方法应运而生。
非监督学习是指对未标记数据进行分析和建模的机器学习方法。
它通过发现数据中的隐藏模式和结构来获得信息,避免了对标记数据的依赖。
在深度学习中,非监督学习方法发挥着重要的作用,能够提供更多的信息和知识,为其他任务如分类、聚类和生成模型等提供支持。
在下面的文章中,我们将介绍几种常见的非监督学习方法,以帮助读者更好地了解深度学习技术的应用。
1. 自编码器(Autoencoder)自编码器是一种无监督学习的神经网络模型。
它包括一个编码器和一个解码器,旨在将输入数据压缩到一个低维表示并重构回输入空间。
自编码器通过最小化输入和重构之间的差异来学习有用的特征表示。
它可以用于特征提取、降维和去噪等任务。
2. 稀疏编码(Sparse Coding)稀疏编码是一种将输入数据表示成稀疏线性组合的方法。
它假设数据可以由少数的基向量表示,并通过最小化表示的稀疏度来学习这些基向量。
稀疏编码可以应用于特征学习、噪声去除、图像修复等任务。
3. 受限玻尔兹曼机(Restricted Boltzmann Machine, RBM)受限玻尔兹曼机是一种生成式模型,可以用于学习数据的概率分布。
RBM通过最大化数据的似然函数来学习模型参数,从而能够生成与原始数据相似的样本。
受限玻尔兹曼机可以应用于生成模型、特征学习和协同过滤等任务。
4. 深度信念网络(Deep Belief Networks, DBN)深度信念网络是由多层受限玻尔兹曼机组成的深度神经网络。
它通过逐层无监督地预训练和有监督的微调来学习数据的表示和分类。
机器学习:参数⾮参数学习算法⼀、参数学习算法(parametric learning algorithm) 定义:假设可以最⼤程度地简化学习过程,与此同时也限制可以学习到是什么,这种算法简化成⼀个已知的函数形式,即通过固定数⽬的参数来拟合数据的算法。
参数学习算法包括两个步骤:选择⼀种⽬标函数的形式从训练数据中学习⽬标函数的系数 参数学习算法的⼀些常见例⼦包括:Logistic RegressionLDA(线性判别分析)感知机朴素贝叶斯简单的神经⽹络 参数机器学习算法的优点:简单:这些算法很容易理解和解释结果快速:参数模型可以很快从数据中学习少量的数据:它们不需要太多的训练数据,甚⾄可以很好地拟合有缺陷的数 参数机器学习算法的局限性:约束:这些算法选择⼀种函数形式⾼度低限制模型本⾝有限的复杂性:这种算法可能更适合简单的问题不适合:在实践中,这些⽅法不太可能匹配潜在的⽬标(映射)函数⼆、⾮参数学习算法(non-parametric learning algorithm) 定义:不对⽬标函数的形式作出强烈假设的算法称为⾮参数机器学习算法,通过不做假设,它们可以从训练数据中⾃由地学习任何函数形式,即参数数量会随着训练样本数量的增长的算法。
⾮参数学习算法的⼀些常见例⼦包括:KNN决策树,⽐如CART和C4.5SVM ⾮参数机器学习算法的优点:灵活性:拟合⼤量的不同函数形式能⼒:关于潜在的函数不需要假设(或者若假设)性能:可以得到⽤于预测的⾼性能模型 ⾮参数机器学习算法的局限性:更多的数据:需要更多的训练数据⽤于估计⽬标函数慢:训练很慢,因为它们常常需要训练更多的参数过拟合:更多的过度拟合训练数据风险,同时它更难解释为什么要做出的具体预测注: 局部加权线性回归其实是⼀个⾮参数学习算法(non-parametric learning algorithm); 线性回归则是⼀个参数学习算法(parametric learning algorithm),因为它的参数是固定不变的,⽽局部加权线性回归的参数是随着预测点的不同⽽不同。
AI技术的实际应用教程人工智能(Artificial Intelligence,简称AI)作为当今科技领域最热门的话题之一,正逐渐渗透到我们生活的方方面面。
从智能语音助手到自动驾驶汽车,从智能家居到医疗诊断,AI技术的应用已经变得越来越广泛。
本文将为大家介绍一些AI技术的实际应用,并提供一些入门教程,帮助读者更好地了解和使用这些技术。
一、智能语音助手智能语音助手是AI技术的一个重要应用领域。
通过语音识别和自然语言处理技术,智能语音助手能够理解用户的语音指令,并提供相应的服务。
目前市面上最知名的智能语音助手包括Siri、Alexa和Google Assistant等。
想要开发自己的智能语音助手,可以使用开源的语音识别库,如CMU Sphinx和Kaldi。
这些库提供了丰富的API和示例代码,帮助开发者快速搭建语音识别系统。
同时,还可以使用自然语言处理库,如NLTK和spaCy,来处理用户的语音指令并生成相应的回答。
二、机器学习机器学习是AI技术的核心之一,它通过训练模型来实现自主学习和预测能力。
机器学习广泛应用于图像识别、推荐系统、金融预测等领域。
对于初学者来说,可以从学习Python编程语言开始。
Python是机器学习领域最常用的编程语言之一,拥有丰富的机器学习库,如Scikit-learn和TensorFlow。
通过学习Python和这些库的使用,可以进行简单的机器学习实验,如分类、回归和聚类等。
进一步深入学习机器学习,可以学习更高级的算法和技术,如深度学习和强化学习。
深度学习库如Keras和PyTorch提供了强大的神经网络模型和训练工具,可以用于图像识别、自然语言处理等复杂任务。
强化学习则可以用于训练智能体在特定环境中学习和决策,如AlphaGo的背后就是强化学习算法。
三、计算机视觉计算机视觉是AI技术的又一个重要应用领域,它致力于使计算机能够理解和解释图像和视频。
计算机视觉广泛应用于人脸识别、物体检测、图像生成等领域。
【中枢教育】中枢学长谈CMU INI项目关键词卡耐基梅隆中枢教育CS INI项目卡耐基梅隆大学Carnegie Mellon University性质:私立大学位置:美国宾夕法尼亚州匹兹堡建校时间:1900学校排名:23 / CS专排:1 (U.S.News, 2017)学院:卡耐基工学院、美术学院、迪特里希人文学院、泰伯商学院、海因茨学院(信息系统与公共政策学院)、梅隆学院、计算机学院学校网址:/X学长北京邮电大学计算机科学与技术专业GPA: 86+ TOEFL: 100+ GRE: 320+科研经历:一段清华实验室实习“谢谢Pivot的老师在申请季给予的帮助,个人感觉在选校、文书书写以及网申方面都受益良多。
也正是选择了Pivot,我才更有把握进入CMU开始新的人生旅程。
”1.项目介绍1.1 项目长度我就读的项目是CMU INI (Information Networking Institute)的MSIS (M.S. in Information Security)项目。
CMU的INI可以算是一个大家相对关注较多的学院,项目长度有16个月和20个月可选。
因为CMU是Semester制的学校,所以16个月项目的童鞋是第一年8月入学第二年12月毕业,共3个学期;20个月项目的童鞋则是第一年8月入学第三年5月毕业,共4个学期。
1.2 培养方向关于培养方向,INI主要分为MSIT (M.S. in Information Technology),MSIN (M.S. in Information Networking)和MSIS 三个专业,其中MSIT又分3个子track: MSIT-Mob (Mobility), MSIT-IS (Information Securuity)和MSIT-SM (Software Management)。
需要注意的是,大部分MSIT的童鞋们是第一年在东海岸的主校区,第二年在西海岸的硅谷校区就读的(还有一部分MSIT (Kobe)的童鞋是春季入学,第一年在日本神户就读,第二年在主校区/硅谷校区就读);而MSIN和MSIS的童鞋则是全程在主校区就读。
机器学习方法及应用1、机器学习学习是生物中枢神经系统的高级整合技能之一,是人类获取知识的重要途径和人类智能的重要标志,按照人工智能大师H·Simon的观点[1]:学习就是系统在不断重复的工作中对本身能力的增强或改进,使得系统在下一次执行同样或相类似的任务时,会比原来做得更好或效率更高。
机器学习则是计算机获取知识的重要途径和人工智能的重要标志,是一门研究怎样用计算机来模拟或实现人类学习活动的学科,是研究如何使机器通过识别和利用现有知识来获取新知识和新技能。
一般认为,机器学习是一个有特定目的的知识获取过程,其内部表现为从未知到已知这样一个知识增长过程,其外部表现为系统的某些性能和适应性的改善,使得系统能完成原来不能完成或更好地完成原来可以完成的任务。
它既注重知识本身的增加,也注重获取知识的技能的提高。
1.1 机器学习基本模型以H·Simon的学习定义作为出发点,建立如图1的基本模型。
在机器学习的过程中,首要的因素是外部环境向系统提供信息的质量。
外部环境是以某种形式表达的外界信息集合,它代表外界信息来源;学习是将外界信息加工为知识的过程,先从环境获取外部信息,然后对这些信息加工形成知识,并把这些知识放入知识库中;知识库中存放指导执行部分动作的一般原则,由于环境向学习系统提供的信息形形色色,信息质量的优劣直接影响到学习部分容易实现还是杂乱无章。
而知识库则是影响学习系统设计的第二个因素,由于知识库可能不同,表达方式各有特点,在选择表示方式上要兼顾表达能力强、易于推理、易于完善及扩展知识表示等几个方面的要求。
执行环节是利用知识库中的知识完成某种任务的过程,并把完成任务过程中所获得的一些信息反馈给学习环节,以指导进一步的学习。
1.2机器学习的发展和研究目标机器学习是人工智能研究较为年轻的分支,它的发展过程大体上分为四个时期[2]。
第一阶段是20世纪50年代中叶到60年代中叶,属于热烈时期。
Advanced Machine LearningNonparametric methodsEric XingLecture 2, August 10, 2009Reading:© Eric Xing @ CMU, 2006-2009Univariate prediction without using a model: good or bad?Nonparametric Classifier (Instance-based learning)Nonparametric density estimation K-nearest-neighbor classifier Optimality of kNNSpectrum clusteringClustering Graph partition and normalized cut The spectral clustering algorithmVery little “learning” is involved in these methods© Eric Xing @ CMU, 2006-20091ClassificationRepresenting data:Hypothesis (classifier)© Eric Xing @ CMU, 2006-2009Clustering© Eric Xing @ CMU, 2006-20092Decision-making as dividing a high-dimensional spaceClassification-specific Dist.: P(X|Y)p ( X | Y = 1) r = p1 ( X ; µ1 , Σ1 )p ( X | Y = 2) r = p2 ( X ; µ2 , Σ2 )Class prior (i.e., "weight"): P(Y)© Eric Xing @ CMU, 2006-2009The Bayes RuleWhat we have just did leads to the following general expression:P(Y | X ) =P ( X | Y ) p (Y ) P( X )This is Bayes Rule© Eric Xing @ CMU, 2006-20093The Bayes Decision Rule for Minimum ErrorThe a posteriori probability of a sampleP(Y = i | X ) =π i pi ( X | Y = i ) p( X | Y = i ) P(Y = i ) = ≡ qi ( X ) p( X ) ∑i π i pi ( X | Y = i)Bayes Test:Likelihood Ratio:l( X ) =Discriminant function:h( X ) =© Eric Xing @ CMU, 2006-2009Example of Decision RulesWhen each class is a normal …We can write the decision boundary analytically in some cases … homework!!© Eric Xing @ CMU, 2006-20094Bayes ErrorWe must calculate the probability of errorthe probability that a sample is assigned to the wrong classGiven a datum X, what is the risk?The Bayes error (the expected risk):© Eric Xing @ CMU, 2006-2009More on Bayes ErrorBayes error is the lower bound of probability of classification errorBayes classifier is the theoretically best classifier that minimize probability of classification error Computing Bayes error is in general a very complex problem. Why?Density estimation: Integrating density function:© Eric Xing @ CMU, 2006-20095Learning ClassifierThe decision rule:Learning strategiesGenerative Learning Discriminative Learning Instance-based Learning (Store all past experience in memory)A special case of nonparametric classifier© Eric Xing @ CMU, 2006-2009Supervised LearningK-Nearest-Neighbor Classifier:where the h(X) is represented by all the data, and by an algorithm© Eric Xing @ CMU, 2006-20096Recall: Vector Space RepresentationEach document is a vector, one component for each term (= word).Doc 1Word 1 Word 2 Word 3Doc 2 0 8 1 1 0Doc 3 0 1 10 3 0... ... ... ... ... ...3 0 12 0 0... ...Normalize to unit length. High-dimensional vector space:Terms are axes, 10,000+ dimensions, or even 100,000+ Docs are vectors in this space© Eric Xing @ CMU, 2006-2009Classes in a Vector SpaceSports Science Arts© Eric Xing @ CMU, 2006-20097Test Document = ?Sports Science Arts© Eric Xing @ CMU, 2006-2009K-Nearest Neighbor (kNN) classifierVoting kNNSports Science Arts© Eric Xing @ CMU, 2006-20098kNN Is Close to OptimalCover and Hart 1967 Asymptotically, the error rate of 1-nearest-neighbor classification is less than twice the Bayes rate [error rate ofclassifier knowing model that generated data]In particular, asymptotic error rate is 0 if Bayes rate is 0. Where does kNN come from?Nonparametric density estimation© Eric Xing @ CMU, 2006-2009Nearest-Neighbor Learning AlgorithmLearning is just storing the representations of the training examples in D. Testing instance x:Compute similarity between x and all examples in D. Assign x the category of the most similar example in D.Does not explicitly compute a generalization or category prototypes. Also called:Case-based learning Memory-based learning Lazy learning© Eric Xing @ CMU, 2006-20099kNN is an instance of Instance-Based LearningWhat makes an Instance-Based Learner?A distance metricHow many nearby neighbors to look at?A weighting function (optional)How to relate to the local points?© Eric Xing @ CMU, 2006-2009Euclidean Distance MetricD ( x, x ' ) =Or equivalently,∑σi2 i( xi − xi ' )2D ( x, x ' ) = ( x − x ' )T Σ( x − x ' )Other metrics:L1 norm: |x-x'| L∞ norm: max |x-x'| (elementwise …) Mahalanobis: where Σ is full, and symmetric Correlation Angle Hamming distance, Manhattan distance …© Eric Xing @ CMU, 2006-200910Case Study: kNN for Web ClassificationDataset20 News Groups (20 classes) Download :(/jrennie/20Newsgroups/) 61,118 words, 18,774 documents Class labels descriptions© Eric Xing @ CMU, 2006-2008 © Eric Xing @ CMU, 2006-2009Results: Binary ClassesAccuracyalt.atheism vs. comp.graphics rec.autos vs. rec.sport.baseball comp.windows.x vs. rec.motorcyclesk© Eric Xing @ CMU, 2006-2009 2006-200811Results: Multiple ClassesRandom select 5-out-of-20 classes, repeat 10 runs and averageAccuracyAll 20 classesk© Eric Xing @ CMU, 2006-2009 2006-2008Is kNN ideal?© Eric Xing @ CMU, 2006-200912Is kNN ideal? … more later© Eric Xing @ CMU, 2006-2009Effect of ParametersSample sizeThe more the better Need efficient search algorithm for NNDimensionalityCurse of dimensionalityDensityHow smooth?MetricThe relative scalings in the distance metric affect region shapes.WeightSpurious or less relevant points need to be downweightedK© Eric Xing @ CMU, 2006-200913Clustering© Eric Xing @ CMU, 2006-2009Data ClusteringTwo different criteriaCompactness, e.g., k-means, mixture models Connectivity, e.g., spectral clusteringCompactness© Eric Xing @ CMU, 2006-2009Connectivity14Graph-based ClusteringData GroupingiWijjWijWij = f (d ( xi , x j ))G = {V,E}Image sigmentationW = [ wi , j ] Degree matrix: D = diag (d i ) Laplacian matrix: L = D − WAffinity matrix: (bipartite) partition vector:x = [ x1 ,...,x N ] = [1,1,K1,−1,−1, K − 1]© Eric Xing @ CMU, 2006-2009Affinity Function− Xi −X2 j 2Wi , j = eσ2Affinities grow as σ grows How the choice of σ value affects the results? What would be the optimal choice for σ?© Eric Xing @ CMU, 2006-200915A Spectral Clustering AlgorithmNg, Jordan, and Weiss 2003Given a set of points S={s1,…sn}− Si − S j2 2Form the affinity matrixwi , j = eσ2,∀i ≠ j ,wi ,i = 0Define diagonal matrix Dii= Σκ aik Form the matrixL = D −1 / 2WD −1 / 2| | ⎤ ⎡| ⎢x x L x ⎥ X =⎢ 1 2 k⎥ ⎢| | | ⎥ ⎣ ⎦Stack the k largest eigenvectors of L to for the columns of the new matrix X:Renormalize each of X’s rows to have unit length and get new matrix Y. Cluster rows of Y as points in R k© Eric Xing @ CMU, 2006-2009Why it works?K-means in the spectrum space !© Eric Xing @ CMU, 2006-200916More formally …Spectral clustering is equivalent to minimizing a generalized normalized cutk ⎛ cut ( Ar , Ar ) ⎞ ⎟ min Ncut( A1 , A2 K Ak ) = ∑ ⎜ ⎜ ⎟ d Ar r =1 ⎝ ⎠segmentsmin Y DT−1 / 2 TWD−1 / 2Ypixelss.t. Y Y = IY© Eric Xing @ CMU, 2006-2009Toy examplesImages from Matthew Brand (TR-2002-42)© Eric Xing @ CMU, 2006-200917Spectral ClusteringAlgorithms that cluster points using eigenvectors of matrices derived from the data Obtain data representation in the low-dimensional space that can be easily clustered Variety of methods that use the eigenvectors differently (we have seen an example) Empirically very successful Authors disagree:Which eigenvectors to use How to derive clusters from these eigenvectors© Eric Xing @ CMU, 2006-2009SummaryTwo nonparametric methods:kNN classifier Spectrum clusteringA nonparametric method does not rely on any assumption concerning the structure of the underlying density function.Good news:Simple and powerful methods; Flexible and easy to apply to many problems. kNN classifier asymptotically approaches the Bayes classifier, which is theoretically the best classifier that minimizes the probability of classification error. Spectrum clustering optimizes the normalized cutBad news:High memory requirements Very dependant on the scale factor for a specific problem.© Eric Xing @ CMU, 2006-200918。