机械学习

机器学习（Machine Learning, ML）是人工智能（AI）的核心分支之一，其核心思想是让计算机通过对数据的学习，自动发现规律、改进性能，并用于解决预测、决策、模式识别等问题。与传统编程 “手动编写规则” 不同，机器学习通过算法从数据中 “自主学习” 规律，实现对未知数据的有效处理。

机器学习的本质是 “从数据中学习”：

• 无需人类显式编写处理规则，而是通过算法从大量数据中挖掘潜在模式（如特征与结果的关联）。
• 随着数据量增加或训练迭代，模型性能会逐渐优化（“学习” 过程）。

机械学习分类

根据数据是否包含 “标签”（即是否有明确的输出结果），机器学习可分为以下几类：

1. 监督学习

• 特点：训练数据包含 “输入特征” 和对应的 “标签（输出结果）”，模型通过学习特征与标签的映射关系，实现对新数据的预测。
• 典型任务
  • 分类（Classification）：预测离散标签（如 “垃圾邮件 / 正常邮件”“肿瘤良性 / 恶性”）。
  • 回归（Regression）：预测连续数值（如房价、气温、股票价格）。
• 常见算法：线性回归、逻辑回归、决策树、随机森林、支持向量机（SVM）、神经网络等。

2. 半监督学习

• 特点：训练数据中只有少量标签，大部分为无标签数据，模型结合两种数据进行学习（适用于标签获取成本高的场景，如医学影像标注）。
• 典型应用：文本分类（少量标注文本 + 大量未标注文本训练模型）。

3. 无监督学习

• 特点：训练数据只有 “输入特征”，无标签，模型需自主发现数据中的隐藏结构（如聚类、分布规律）。
• 典型任务
  • 聚类（Clustering）：将相似数据分组（如用户分群、商品分类）。
  • 降维（Dimensionality Reduction）：简化数据维度（如将高维图像特征压缩为低维向量，便于可视化或计算）。
  • 异常检测（Anomaly Detection）：识别与多数数据差异显著的样本（如信用卡欺诈检测）。
• 常见算法：K-Means 聚类、层次聚类、主成分分析（PCA）、t-SNE（降维可视化）等。

4. 强化学习

• 特点：模型通过与环境的 “交互” 学习：智能体（Agent）在环境中执行动作，根据动作结果获得 “奖励” 或 “惩罚”，最终学习出最大化累积奖励的策略。
• 典型任务：游戏 AI（如 AlphaGo 下棋）、机器人控制（如自动驾驶避障）、资源调度等。
• 常见算法：Q-Learning、策略梯度（Policy Gradient）、深度强化学习（如 DQN）等。

机械学习的项目开发步骤

1.数据集的收集与获取：

• 确定数据来源：从数据库、API、文件或第三方获取数据。
• 数据采集：编写脚本或使用工具（如 Scrapy、Pandas）收集数据。
• 数据标注：如果是监督学习，需标注训练数据（如人工标注图像分类标签）。

2.数据预处理：

• 特征工程
  • 特征提取：从原始数据中提取有用特征（如文本分词、图像特征提取）。
  • 特征转换：标准化 / 归一化数值特征，编码分类特征。
  • 特征选择：筛选对目标变量最有预测力的特征。
• 数据集划分：将数据分为训练集、验证集和测试集

3.模型选择与训练

以模型的形式选择适当的算法和数据表示

清理后的数据分为两部分 - 训练和测试。第一部分（训练数据）用于开发模型。第二部分（测试数据）用作参考依据。

4.模型评估与优化

使用验证集评估模型性能，选择合适的评估指标

scikit-learn

Scikit-learn（简称 sklearn）是 Python 中最流行的开源机器学习库之一，提供了丰富的工具和算法，用于数据预处理、模型选择、训练和评估。

Scikit-learn官网：https://scikit-learn.org/stable/#

1 scikit-learn安装

pip install -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple scikit-learn

2 sklearn数据集

1. sklearn 玩具数据集

无需额外下载：直接通过 sklearn 导入，方便快捷。

鸢尾花数据集

• 样本数：150 条。
• 特征数：4 个（花萼长度、花萼宽度、花瓣长度、花瓣宽度）。

from sklearn.datasets import load_iris
# 加载数据集
iris = load_iris()
print(iris)#--字典
print(iris.data)#数据每一朵花的特征值（特点数据，特征数据）
print(iris.feature_names)#特征名称：萼片长、萼片宽、花瓣长、花瓣宽
print(iris.target)#每朵花的标签：0、1、2
print(iris.target_names)#标签名称：山鸢尾、变色鸢尾、维吉尼亚鸢尾

糖尿病数据集

• 样本数：442 条。
• 特征数：10 个
• 特征含义
  1. 年龄
  2. 性别
  3. 体质指数（BMI）
  4. 平均血压
  5. S1~S6：血液中 6 种血清指标
• 目标变量
  • 一年后糖尿病病情进展的定量测量值（数值越大表示病情越严重）

from sklearn.datasets import load_diabetes
# 获取数据集
diabetes = load_diabetes()
# 查看数据集
# print(diabetes)
#特征值 和 目标值
x,y = load_diabetes(return_X_y=True)
# print(x,y)
print(x.shape,y.shape)#(442, 10) (442,)
print("特征名称:", diabetes.feature_names)
#['age', 'sex', 'bmi', 'bp', 's1', 's2', 's3', 's4', 's5', 's6']

葡萄酒数据集

• 样本数：178 个
• 特征数：13 个（均为连续型数值特征）
• 特征含义
  1. 酒精含量
  2. 苹果酸含量
  3. 灰分
  4. 灰分碱度
  5. 镁含量
  6. 总酚含量
  7. 黄酮类化合物含量
  8. 非黄酮类酚含量
  9. 原花青素含量
  10. 颜色强度
  11. 色调
  12. 稀释葡萄酒的 OD280/OD315 值
  13. 脯氨酸含量
• 目标变量
  • 葡萄酒的三个类别
  • class_0 有 59 个样本，class_1 有 71 个样本，class_2 有 48 个样本

from sklearn.datasets import load_wine
# 获取数据集
wine = load_wine()
# 查看数据集
print(wine)
#特征值 和 目标值
x,y = load_wine(return_X_y=True)
# print(x,y)
print(x.shape,y.shape)#(178, 13) (178,)
print("特征名称:", wine.feature_names)
#['alcohol', 'malic_acid', 'ash', 'alcalinity_of_ash', 'magnesium', 'total_phenols', 'flavanoids', 'nonflavanoid_phenols', 'proanthocyanins', 'color_intensity', 'hue', 'od280/od315_of_diluted_wines', 'proline']
print("类别名称:", wine.target_names)
#['class_0' 'class_1' 'class_2']

2. sklearn现实世界数据集

使用 fetch_* 函数下载更大的现实世界数据集，这些数据需要联网获取并存储在本地。

20 新闻组数据集

• 任务类型：文本分类（20 个主题）。
• 样本数：约 20,000 条新闻文章。
• 特征数：文本特征（需通过 TF-IDF 等方法转换）。

from sklearn.datasets import fetch_20newsgroups
from sklearn import datasets
download_file_path = datasets.get_data_home()
print(datasets.get_data_home())# 获取20newsgroups数据集
news_data = fetch_20newsgroups(data_home='../src',subset='all')
print(news_data.data[0])

3. 数据集的划分

scikit-learn 中，将数据集划分为训练集（Training Set）和测试集（Test Set）

**sklearn.model_selection.train_test_split(*arrays，**options)

• array 这里用于接收1到多个"列表、numpy数组、稀疏矩阵或padas中的DataFrame"。
• 参数
  • test_size 值为0.0到1.0的小数，表示划分后测试集占的比例
  • random_state 随机种子，确保结果可复现。
  • strxxxx 分层划分,填y
  • shuffle：是否在划分前打乱数据（默认为 True）。

最常用的方法，随机将数据集划分为训练集和测试集。

from sklearn.model_selection import train_test_split
a=[10,20,30,40,50,60,70,80,90,100]
a_train , a_test = train_test_split(a)
# print(a_train,a_test)
#[10, 40, 70, 20, 30, 90, 50] [80, 100, 60]

a=[10,20,30,40,50,60,70,80,90,100]
b=[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]
#指定训练集和测试集的比例
# a_train , a_test , b_train , b_test = train_test_split(a,b,train_size=5)
# 随机种子
a_train , a_test , b_train , b_test = train_test_split(a,b,train_size=0.8,random_state=42)
print(a_train,a_test,b_train,b_test)

特征工程

• 实例化转换器对象，转换器类有很多，都是Transformer的子类, 常用的子类有:

  DictVectorizer  	字典特征提取
  CountVectorizer 	文本特征提取
  TfidfVectorizer 	TF-IDF文本特征词的重要程度特征提取 
  MinMaxScaler 		归一化
  StandardScaler 		标准化
  VarianceThreshold 	底方差过滤降维
  PCA  				主成分分析降维
  

• 转换器对象调用fit_transform()进行转换, 其中fit用于计算数据，transform进行最终转换

  fit_transform()可以使用fit()和transform()代替

  data_new = transfer.fit_transform(data)
  可写成
  transfer.fit(data)
  data_new = transfer.transform(data)
  

1 DictVectorizer - 字典列表特征提取

将字典格式的数据（如 JSON）转换为数值特征矩阵，特别适合处理混合类型（数值 + 分类）的特征。

创建转换器对象:

sklearn.feature_extraction.DictVectorizer(sparse=True)

参数:

• sparse=True返回类型为csr_matrix的稀疏矩阵

• sparse=False表示返回的是数组,数组可以调用.toarray()方法将稀疏矩阵转换为数组

转换器对象:

转换器对象调用**fit_transform(data)**函数，参数data为一维字典数组或一维字典列表,返回转化后的矩阵或数组

转换器对象get_feature_names_out()方法获取特征名

[示例1] 提取为稀疏矩阵对应的数组

from sklearn.feature_extraction import DictVectorizerdata = [{'city': '北京','temperature': 100,'weather': '晴','wind': '微风','humidity': 80, },{'city': '上海','temperature': 80,'weather': '阴','wind': '小风','humidity': 60},{'city': '广州','temperature': 70,'weather': '雨','wind': '强风','humidity': 40}           
]
#模型研究x与y的关系前 必须保证xy中全是数字#创建转换器
#spare = False 输出结果为矩阵
transfer = DictVectorizer(sparse = False)
data = transfer.fit_transform(data)
print(data)
# 查看转换后数据的特征名称
print(transfer.get_feature_names_out())

[[  0.   1.   0.  80. 100.   1.   0.   0.   0.   0.   1.][  1.   0.   0.  60.  80.   0.   1.   0.   1.   0.   0.][  0.   0.   1.  40.  70.   0.   0.   1.   0.   1.   0.]]
['city=上海' 'city=北京' 'city=广州' 'humidity' 'temperature' 'weather=晴''weather=阴' 'weather=雨' 'wind=小风' 'wind=强风' 'wind=微风']

[示例2 ]提取为稀疏矩阵

from sklearn.feature_extraction import DictVectorizerdata = [{'city': '北京','temperature': 100,'weather': '晴','wind': '微风','humidity': 80, },{'city': '上海','temperature': 80,'weather': '阴','wind': '小风','humidity': 60},{'city': '广州','temperature': 70,'weather': '雨','wind': '强风','humidity': 40}           
]
#模型研究x与y的关系前 必须保证xy中全是数字#创建转换器
#sparse = True 返回一个三元组表对象--稀松矩阵
transfer = DictVectorizer(sparse = True)
data = transfer.fit_transform(data)
print(data)
# 查看转换后数据的特征名称
print(transfer.get_feature_names_out())
# 稀松矩阵转换为数组
print(data.toarray())

则输出为

<Compressed Sparse Row sparse matrix of dtype 'float64'with 15 stored elements and shape (3, 11)>Coords	Values(0, 1)	1.0(0, 3)	80.0(0, 4)	100.0(0, 5)	1.0(0, 10)	1.0(1, 0)	1.0(1, 3)	60.0(1, 4)	80.0(1, 6)	1.0(1, 8)	1.0(2, 2)	1.0(2, 3)	40.0(2, 4)	70.0(2, 7)	1.0(2, 9)	1.0
['city=上海' 'city=北京' 'city=广州' 'humidity' 'temperature' 'weather=晴''weather=阴' 'weather=雨' 'wind=小风' 'wind=强风' 'wind=微风']
[[  0.   1.   0.  80. 100.   1.   0.   0.   0.   0.   1.][  1.   0.   0.  60.  80.   0.   1.   0.   1.   0.   0.][  0.   0.   1.  40.  70.   0.   0.   1.   0.   1.   0.]]

2 CountVectorizer - 文本特征提取

将文本转换为词频矩阵（Bag of Words 模型），统计每个词在文档中出现的次数。

sklearn.feature_extraction.text.CountVectorizer

​ 构造函数关键字参数stop_words，值为list，表示词的黑名单(不提取的词)

fit_transform函数的返回值为稀疏矩阵

英文文本提取

from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
data=['hello my name is naci','my age is 18','my dog name is nacy']
counter = CountVectorizer()
# 文本词频转换为矩阵
data = counter.fit_transform(data)
print(data.toarray())
print(counter.get_feature_names_out())

[[0 0 0 1 1 1 1 0 1][1 1 0 0 1 1 0 0 0][0 0 1 0 1 1 0 1 1]]
['18' 'age' 'dog' 'hello' 'is' 'my' 'naci' 'nacy' 'name']

此矩阵应该竖着看，对应所有的词语，例如‘18’只在第二个文章出现，所以第一列只有第二行为1，以此类推

中文文本提取

from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
data=['今天天气不错', '今天天气不错，但有风']
counter = CountVectorizer()
# 文本词频转换为矩阵
data = counter.fit_transform(data)
print(data.toarray())
print(counter.get_feature_names_out())

[[1 0][1 1]]
['今天天气不错' '但有风']

有结果可知，中文没有空格来分割，所以以逗号分割，一句为一词

若要统计中文词组的词频，则需要使用jieba分词，然后通过空格连接起来，再使用ContVectorizer

import jieba
from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
arr = jieba.cut('今天天真好')
print(list(arr))def cut_word(words):return ' '.join(jieba.cut(words))
data=['今天天真好','我的猫很可爱']
data2 =[cut_word(i) for i in data]
print(data2)count = CountVectorizer()
# 文本词频转为矩阵
data2 = count.fit_transform(data2)
print(data2.toarray())

['今天', '天真', '好']
['今天 天真 好', '我 的 猫 很 可爱']
[[1 0 1][0 1 0]]

3 TfidfVectorizer TF-IDF - 文本特征词的重要程度特征提取

将文本转换为 TF-IDF 值矩阵，评估词在文档中的重要性（稀有词权重更高）。

• 词频（TF）：一个词在文档中出现的频率越高，通常对该文档的代表性越强。
• 逆文档频率（IDF）：一个词在所有文档中出现的频率越高（即越常见），其区分度越低，权重也就越低；反之，稀有词的权重更高。

1. 词频（Term Frequency, TF） 计算公式：
   $$\text{TF}(t,d)=\frac{\text{词 }t\text{ 在文档 }d\text{ 中出现的次数}}{\text{文档 }d\text{ 中的总词数}}$$

   部分实现会使用对数变换：
   $$\text{TF}(t,d)=1+\log (\text{词 }t\text{ 在文档 }d\text{ 中出现的次数})$$

2. 逆文档频率（Inverse Document Frequency, IDF）

   IDF 的计算公式是：

   $$IDF(t)=\log (\frac{总文档数}{包含词t的文档数+1})$$

   在 TfidfVectorizer 中，IDF 的默认计算公式是：

   $$IDF(t)=\log (\frac{总文档数+1}{包含词t的文档数+1})+1$$

3. 分母中的 +1 是平滑处理，避免出现除以零的情况。

4. TF-IDF 值 计算公式：
   $$\text{TF-IDF}(t,d)=\text{TF}(t,d)\times \text{IDF}(t)$$

sklearn.feature_extraction.text.TfidfVectorizer()

​ 构造函数关键字参数stop_words，表示词特征黑名单

fit_transform函数的返回值为稀疏矩阵

import jieba
from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer,TfidfVectorizerdef cut_word(words):return ' '.join(jieba.cut(words))data = ["教育学会会长期间坚定支持民办教育事业！","热忱关心、扶持民办学校发展","事业做出重大贡献！"]
data2 =[cut_word(i) for i in data]
print(data2)transfer = TfidfVectorizer()
data=transfer.fit_transform(data2)
print(data.toarray())
print(transfer.get_feature_names_out())

['教育 学会 会长 期间 坚定 支持 民办教育 事业 ！', '热忱 关心 、 扶持 民办学校 发展', '事业 做出 重大贡献 ！']
[[0.27626457 0.36325471 0.         0.         0.         0.363254710.36325471 0.         0.36325471 0.36325471 0.36325471 0.0.36325471 0.         0.        ][0.         0.         0.         0.4472136  0.4472136  0.0.         0.4472136  0.         0.         0.         0.44721360.         0.4472136  0.        ][0.4736296  0.         0.62276601 0.         0.         0.0.         0.         0.         0.         0.         0.0.         0.         0.62276601]]
['事业' '会长' '做出' '关心' '发展' '坚定' '学会' '扶持' '支持' '教育' '期间' '民办学校' '民办教育' '热忱''重大贡献']

# 手动实现tfidf向量
from sklearn.feature_extraction.text import TfidfVectorizer
import numpy as np
from sklearn.preprocessing import normalize
def myTfidfVectorizer(data):# 提取词频tansfer = CountVectorizer()data = tansfer.fit_transform(data)TF = data.toarray()#词频矩阵IDF = np.log((len(TF)+1)/(1+np.sum(TF!=0,axis=0))+1)'''TF!=0 求出布尔矩阵sum(TF!=0,axis=0) 求出每列非零元素个数-->包含该词的文档数len(TF) 矩阵的行数-->文档数'''tf_idf = TF*IDF #TF-IDF矩阵#对 TF-IDF 矩阵进行 L2 范数归一化处理tf_idf = normalize(tf_idf,norm='l2')return tf_idfdef cut_word(words):return ' '.join(jieba.cut(words))data = ["教育学会会长期间坚定支持民办教育事业！","热忱关心、扶持民办学校发展","事业做出重大贡献！"]
data2 =[cut_word(i) for i in data]
res = myTfidfVectorizer(data2)
print(res)

4 无量纲化-预处理

无量纲化（Normalization/Standardization） 是数据预处理的关键步骤，用于消除不同特征间量纲和尺度差异的影响，确保模型能够公平地对待每个特征。

1. MaxAbsScaler

将特征缩放到 [-1,1] 范围，适合稀疏数据：

对于每个特征x:

若要缩放到其他区间，可以使用公式：x=x*(max-min)+min;

sklearn.preprocessing.MinMaxScaler(feature_range)

参数:feature_range=(0,1) 归一化后的值域,可以自己设定

fit_transform函数归一化的原始数据类型可以是list、DataFrame和ndarray, 不可以是稀疏矩阵

fit_transform函数的返回值为ndarray

缺点：最大值和最小值容易受到异常点影响，所以鲁棒性较差

from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
data=[[1,2,3],[4,5,6],[7,8,9]]
transfer = MinMaxScaler()
data_new = transfer.fit_transform(data)
print(data_new)

[[0.  0.  0. ][0.5 0.5 0.5][1.  1.  1. ]]

若要指定范围，则设定feature_range

from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
data=[[1,2,3],[4,5,6],[7,8,9]]
transfer = MinMaxScaler(feature_range=(-10,10))
data_new = transfer.fit_transform(data)
print(data_new)

[[-10. -10. -10.][  0.   0.   0.][ 10.  10.  10.]]

2. normalize归一化

归一化通过缩放每个样本向量，使其具有单位范数。

<1> L1归一化

绝对值相加作为分母,特征值作为分子

公式：
$$\Vert x{\Vert }_1=\sum _{i=1}^n|x_i|$$

<2> L2归一化

平方相加作为分母,特征值作为分子

公式：
$$\Vert x{\Vert }_2=\sqrt{\sum _{i=1}^n{x}_i^2}$$
<3> max归一化

max作为分母,特征值作为分子

sklearn.preprocessing.normalize

• X：输入的特征矩阵（二维数组）。
• norm：范数类型，可选'l1'、'l2'或'max'（按最大值缩放）。
• axis：指定归一化的方向，axis=0表示按列归一化，axis=1（默认）表示按行归一化。

from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler, normalize
from sklearn.datasets import load_iris
x,y = load_iris(return_X_y=True)
#axis=1 按列进行归一化
x = normalize(x,norm = 'l2',axis=1)
print(x)

3. StandardScaler

其核心原理是通过减去均值并除以标准差，将特征转换为均值为 0、方差为 1 的标准正态分布。这有助于消除不同特征间的量纲差异，尤其适用于依赖正态分布假设或梯度优化的算法。

z是转换后的数值，x是原始数据的值，μ是该特征的均值，σ是该特征的 标准差

sklearn.preprocessing.StandardScale

from sklearn.preprocessing import StandardScaler
data=[[1,2,3,5],[4,5,6,8],[7,8,9,11]]transfer = StandardScaler()
data_new = transfer.fit_transform(data)
print(data_new)
print(transfer.mean_)# 均值
print(transfer.var_)# 方差

[[-1.22474487 -1.22474487 -1.22474487 -1.22474487][ 0.          0.          0.          0.        ][ 1.22474487  1.22474487  1.22474487  1.22474487]]
[4. 5. 6. 8.]
[6. 6. 6. 6.]