各种机器学习算法的应用场景

转载自:各种机器学习算法的应用场景分别是什么(比如朴素贝叶斯、决策树、K 近邻、SVM、逻辑回归最大熵模型)? - xyzh的回答 - 知乎
https://www.zhihu.com/question/26726794/answer/151282052

该博主结合14年一篇文章做过一个实验(论文题为:Do we Need Hundreds of Classifiers to Solve Real World Classification Problems? 该研究比较在不同数据集上(121个),不同的分类器(179个)的实际效果。),自己的理解、一些最近的实验,对目前比较流行的分类器(Classifier)的应用场景和各自的优缺点进行了归纳总结。
Summary:
没有最好的分类器,只有最合适的分类器
随机森林平均来说最强,但也只在9.9%的数据集上拿到了第一,优点是鲜有短板。
SVM的平均水平紧随其后,在10.7%的数据集上拿到第一。
神经网络(13.2%)和boosting(~9%)表现不错。
数据维度越高,随机森林就比AdaBoost强越多,但是整体不及SVM[2]。
数据量越大,神经网络就越强。

一、近邻法 (Nearest Neighbor)

典型的例子是KNN,它的思路就是——对于待判断的点,找到离它最近的几个数据点,根据它们的类型决定待判断点的类型。
它的特点是完全跟着数据走,没有数学模型可言。
适用情景
需要一个特别容易解释的模型的时候。比如需要向用户解释原因的推荐算法。

二、贝叶斯(Bayesian)方法

典型的例子是Naive Bayes,核心思路是根据条件概率计算待判断点的类型。
是相对容易理解的一个模型,至今依然被垃圾邮件过滤器使用。
适用情景
需要一个比较容易解释,而且不同维度之间相关性较小的模型的时候。
可以高效处理高维数据,虽然结果可能不尽如人意。

三、决策树(Decision tree)模型

决策树的特点是它总是在沿着特征做切分。随着层层递进,这个划分会越来越细。
虽然生成的树不容易给用户看,但是数据分析的时候,通过观察树的上层结构,能够对分类器的核心思路有一个直观的感受。
举个简单的例子,当我们预测一个孩子的身高的时候,决策树的第一层可能是这个孩子的性别。男生走左边的树进行进一步预测,女生则走右边的树。这就说明性别对身高有很强的影响。
适用情景
因为它能够生成清晰的基于特征(feature)选择不同预测结果的树状结构,数据分析师希望更好的理解手上的数据的时候往往可以使用决策树。
同时它也是相对容易被攻击的分类器[3]。这里的攻击是指人为的改变一些特征,使得分类器判断错误。常见于垃圾邮件躲避检测中。因为决策树最终在底层判断是基于单个条件的,攻击者往往只需要改变很少的特征就可以逃过监测。
受限于它的简单性,决策树更大的用处是作为一些更有用的算法的基石。

四、随机森林(Random forest)

提到决策树就不得不提随机森林。顾名思义,森林就是很多树。
严格来说,随机森林其实算是一种集成算法。它首先随机选取不同的特征(feature)和训练样本(training sample),生成大量的决策树,然后综合这些决策树的结果来进行最终的分类。
随机森林在现实分析中被大量使用,它相对于决策树,在准确性上有了很大的提升,同时一定程度上改善了决策树容易被攻击的特点。
适用情景
数据维度相对低(几十维),同时对准确性有较高要求时。
因为不需要很多参数调整就可以达到不错的效果,基本上不知道用什么方法的时候都可以先试一下随机森林。

五、支持向量机 SVM (Support vector machine)

SVM的核心思想就是找到不同类别之间的分界面,使得两类样本尽量落在面的两边,而且离分界面尽量远。
最早的SVM是平面的,局限很大。但是利用核函数(kernel function),我们可以把平面投射(mapping)成曲面,进而大大提高SVM的适用范围。

提高之后的SVM同样被大量使用,在实际分类中展现了很优秀的正确率。
适用情景
SVM在很多数据集上都有优秀的表现。
相对来说,SVM尽量保持与样本间距离的性质导致它抗攻击的能力更强。
和随机森林一样,这也是一个拿到数据就可以先尝试一下的算法。

六、逻辑斯蒂回归 (Logistic regression)

回归类方法的一个变体。回归方法的核心就是为函数找到最合适的参数,使得函数的值和样本的值最接近。例如线性回归(Linear regression)就是对于函数f(x)=ax+b,找到最合适的a,b。
逻辑回归拟合的就不是线性函数了,它拟合的是一个概率学中的函数,f(x)的值这时候就反映了样本属于这个类的概率。
适用情景
逻辑回归同样是很多分类算法的基础组件,它的好处是输出值自然地落在0到1之间,并且有概率意义。
因为它本质上是一个线性的分类器,所以处理不好特征之间相关的情况。
虽然效果一般,却胜在模型清晰,背后的概率学经得住推敲。它拟合出来的参数就代表了每一个特征(feature)对结果的影响。也是一个理解数据的好工具。

七、判别分析 (Discriminant analysis)

判别分析的典型例子是线性判别分析(Linear discriminant analysis),简称LDA。(这里注意不要和隐含狄利克雷分布(Latent Dirichlet allocation)弄混,虽然都叫LDA但说的不是一件事。)
LDA的核心思想是把高维的样本投射(project)到低维上,如果要分成两类,就投射到一维。要分三类就投射到二维平面上。这样的投射当然有很多种不同的方式,LDA投射的标准就是让同类的样本尽量靠近,而不同类的尽量分开。对于未来要预测的样本,用同样的方式投射之后就可以轻易地分辨类别了。
使用情景:判别分析适用于高维数据需要降维的情况,自带降维功能使得我们能方便地观察样本分布。它的正确性有数学公式可以证明,所以同样是很经得住推敲的方式。
但是它的分类准确率往往不是很高,所以不是统计系的人就把它作为降维工具用吧。
同时注意它是假定样本成正态分布的,所以那种同心圆形的数据就不要尝试了。

八、神经网络 (Neural network)
神经网络现在是火得不行啊。它的核心思路是利用训练样本(training sample)来逐渐地完善参数。还是举个例子预测身高的例子,如果输入的特征中有一个是性别(1:男;0:女),而输出的特征是身高(1:高;0:矮)。那么当训练样本是一个个子高的男生的时候,在神经网络中,从“男”到“高”的路线就会被强化。同理,如果来了一个个子高的女生,那从“女”到“高”的路线就会被强化。
最终神经网络的哪些路线比较强,就由我们的样本所决定。
神经网络的优势在于,它可以有很多很多层。如果输入输出是直接连接的,那它和LR就没有什么区别。但是通过大量中间层的引入,它就能够捕捉很多输入特征之间的关系。卷积神经网络有很经典的不同层的可视化展示(visulization),我这里就不赘述了。
神经网络的提出其实很早了,但是它的准确率依赖于庞大的训练集,原本受限于计算机的速度,分类效果一直不如随机森林和SVM这种经典算法。
使用情景:数据量庞大,参数之间存在内在联系的时候。
当然现在神经网络不只是一个分类器,它还可以用来生成数据,用来做降维,这些就不在这里讨论了。

九、Rule-based methods
它里面典型的算法是C5.0 Rules,一个基于决策树的变体。因为决策树毕竟是树状结构,理解上还是有一定难度。所以它把决策树的结果提取出来,形成一个一个两三个条件组成的小规则。
使用情景:它的准确度比决策树稍低,很少见人用。大概需要提供明确小规则来解释决定的时候才会用吧。

十、提升算法(Boosting)
接下来讲的一系列模型,都属于集成学习算法(Ensemble Learning),基于一个核心理念:三个臭皮匠,顶个诸葛亮。
翻译过来就是:当我们把多个较弱的分类器结合起来的时候,它的结果会比一个强的分类器更好。
典型的例子是AdaBoost。AdaBoost的实现是一个渐进的过程,从一个最基础的分类器开始,每次寻找一个最能解决当前错误样本的分类器。用加权取和(weighted sum)的方式把这个新分类器结合进已有的分类器中。
它的好处是自带了特征选择(feature selection),只使用在训练集中发现有效的特征(feature)。这样就降低了分类时需要计算的特征数量,也在一定程度上解决了高维数据难以理解的问题。
最经典的AdaBoost实现中,它的每一个弱分类器其实就是一个决策树。这就是之前为什么说决策树是各种算法的基石。
使用情景:好的Boosting算法,它的准确性不逊于随机森林。虽然在[1]的实验中只有一个挤进前十,但是实际使用中它还是很强的。因为自带特征选择(feature selection)所以对新手很友好,是一个“不知道用什么就试一下它吧”的算法。

十一、装袋算法(Bagging)
同样是弱分类器组合的思路,相对于Boosting,其实Bagging更好理解。它首先随机地抽取训练集(training set),以之为基础训练多个弱分类器。然后通过取平均,或者投票(voting)的方式决定最终的分类结果。
因为它随机选取训练集的特点,Bagging可以一定程度上避免过度拟合(overfit)。在[1]中,最强的Bagging算法是基于SVM的。如果用定义不那么严格的话,随机森林也算是Bagging的一种。
使用情景:相较于经典的必使算法,Bagging使用的人更少一些。一部分的原因是Bagging的效果和参数的选择关系比较大,用默认参数往往没有很好的效果。虽然调对参数结果会比决策树和LR好,但是模型也变得复杂了,没事有特别的原因就别用它了。

十二、Stacking
它所做的是在多个分类器的结果上,再套一个新的分类器。
这个新的分类器就基于弱分类器的分析结果,加上训练标签(training label)进行训练。一般这最后一层用的是LR。
Stacking在[1]里面的表现不好,可能是因为增加的一层分类器引入了更多的参数,也可能是因为有过渡拟合(overfit)的现象。
使用情景:没事就别用了。(修订:@庄岩 提醒说stacking在数据挖掘竞赛的网站kaggle上很火,相信参数调得好的话还是对结果能有帮助的。http://blog.kaggle.com/2016/12/27/a-kagglers-guide-to-model-stacking-in-practice/ 这篇文章很好地介绍了stacking的好处。在kaggle这种一点点提升就意味着名次不同的场合下,stacking还是很有效的,但是对于一般商用,它所带来的提升就很难值回额外的复杂度了。)

十三、多专家模型(Mixture of Experts)
最近这个模型还挺流行的,主要是用来合并神经网络的分类结果。我也不是很熟,对神经网络感兴趣,而且训练集异质性(heterogeneity)比较强的话可以研究一下这个。
讲到这里分类器其实基本说完了。讲一下问题里面其他一些名词吧。

十四、最大熵模型 (Maximum entropy model)
最大熵模型本身不是分类器,它一般是用来判断模型预测结果的好坏的。
对于它来说,分类器预测是相当于是:针对样本,给每个类一个出现概率。比如说样本的特征是:性别男。我的分类器可能就给出了下面这样一个概率:高(60%),矮(40%)。
而如果这个样本真的是高的,那我们就得了一个分数60%。最大熵模型的目标就是让这些分数的乘积尽量大。LR其实就是使用最大熵模型作为优化目标的一个算法[4]。

十五、期望最大化法 EM (Expectation-maximization algorithm)
就像最大熵模型一样,EM不是分类器,而是一个思路。很多算法都是基于这个思路实现的。
@刘奕驰 已经讲得很清楚了,我就不多说了。

十六、隐马尔科夫 (Hidden Markov model)
这是一个基于序列的预测方法,核心思想就是通过上一个(或几个)状态预测下一个状态。
之所以叫“隐”马尔科夫是因为它的设定是状态本身我们是看不到的,我们只能根据状态生成的结果序列来学习可能的状态。
适用场景
可以用于序列的预测,可以用来生成序列。

十七、条件随机场 (Conditional random field)
典型的例子是linear-chain CRF。
具体的使用 @Aron 有讲,我就不献丑了,因为我从来没用过这个。
就是这些啦。

References:
[1]: Do we need hundreds of classifiers to solve real world classification problems.Fernández-Delgado, Manuel, et al. J. Mach. Learn. Res 15.1 (2014)
[2]: An empirical evaluation of supervised learning in high dimensions.Rich Caruana, Nikos Karampatziakis, and Ainur Yessenalina. ICML '08
[3]: Man vs. Machine: Practical Adversarial Detection of Malicious Crowdsourcing WorkersWang, G., Wang, T., Zheng, H., & Zhao, B. Y. Usenix Security'14
[4]: http://www.win-vector.com/dfiles/L

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