假设空间机器学习

绝地灬酷狼 2023-09-26 15:34 61阅读 0赞

**归纳**(induction)：从特殊到一般的“泛化”(generalization)过程，即从具体的事实归结出一般性规律；

**演绎**(deduction)：从一般到特殊的“特化”(specialization)过程，即从基础原理推演出具体状况.例如，在数学公理系统中，基于一组公理和推理规则推导出与之 相洽的定理，这是演绎；

而 “从样例中学习”显然是一个归纳的过程，因此亦称 “**归纳学习** ”(inductive learning).

广义的归纳学习大体相当于从样例中学习,

狭义的归纳学习则要求从训练数据中学得概念(concept),因此亦称为“**概念学习** ”或 “**概念形成**”.

概念学习技术目前研究、应用都比较少，因为要学得 泛化性能好且语义明确的概念实在太困难了，现实常用的技术大多是产生“黑 箱”模型.然而，对概念学习有所了解,有助于理解机器学习的一些基础思想.

概念学习中最基本的是布尔概念学习，即 对 “是” “不是”这样的可表示 为 0/1布尔值的目标概念的学习.举一个简单的例子，假定我们获得了这样一 个训练数据集：

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这里要学习的目标是“好瓜”.暂 且 假 设 “好瓜”可 由 “色泽” “根蒂” “敲声”这三个因素完全确定，换言之，只要某个瓜的这三个属性取值明确了, 我们就能判断出它是不是好瓜.于是，我们学得的将是“好瓜是某种色泽、某 种根蒂、某种敲声的瓜”这样的概念,用布尔表达式写出来则是“好 瓜 分(色 电了呼常会普 泽=?) A (根蒂=?) A (敲声= ? ) " ，这 里 表 示 尚 未 确 定 的 取 值 ,而 我 们 的 任 合范或 务就是通过对表1.1的训练集进行学习，把 确 定 下 来 .

读者可能马上发现，表 1.1第一行： “(色泽二青绿)A (根蒂=蜷缩)A (敲 声=浊响)”不就是好瓜吗？是的，但这是一个已见过的瓜,别忘了我们学习的 目的是“泛化”，即通过对训练集中瓜的学习以获得对没见过的瓜进行判断的能力.如果仅仅把训练集中的瓜“记住”，今后再见到一模一样的瓜当然可判 断,但是,对没见过的瓜,例如“（色泽=浅白）A （根蒂= 蜷缩）A （敲声= 浊响）” 怎么办呢？

我们可以把学习过程看作一个在所有假设（hypothesis）组成的空间中进行 搜索的过程,搜索目标是找到与训练集“匹配”（班）的假设，即能够将训练集中 的瓜判断正确的假设.假设的表示一旦确定，假设空间及其规模大小就确定了. 这里我们的假设空间由形如“（色泽= ?）A （根蒂= ?）A （敲声= ?）" 的可能取值 所形成的假设组成.例如色泽有“青绿” “乌黑” “浅白”这三种可能取值; 还需考虑到，也 许 “色泽”无论取什么值都合适，我 们 用 通 配 符 来 表 示 , 例 如 “好 瓜 》 （色泽= \*）A （根蒂= 蜷缩）A （敲声= 浊响）”，即 “好瓜是根蒂蜷 缩、敲声浊响的瓜，什么色泽都行”. 此外，还需考虑极端情况：有 可 能 “好 瓜”这个概念根本就不成立，世界上没有“好瓜”这种东西;我们用0 表示这 个假设.这样，若 “色泽” “根蒂” “敲声”分别有3、2、2 种可能取值，则我 们面临的假设空间规模大小为4 x 3 x 3 + 1 = 37. 图 1.1直观地显示出了这个 西瓜问题假设空间.

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可以有许多策略对这个假设空间进行搜索，例如自顶向下、从一般到特殊, 或是自底向上、从特殊到一般，搜索过程中可以不断删除与正例不一致的假 设、和（或）与反例一致的假设.最终将会获得与训练集一致（即对所有训练样本 能够进行正确判断）的假设,这就是我们学得的结果.

需注意的是，现实问题中我们常面临很大的假设空间，但学习过程是基于 有限样本训练集进行的，因此，可能有多个假设与训练集一致，即存在着一个与 训练集一致的“假设集合”，我们称之为“版本空间”（version space）. 例如, 在西瓜问题中，与 表 1.1训练集所对应的版本空间如图1.2所示。

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