Spark-机器学习（1）什么是机器学习与MLlib算法库的认识

时间：2024-04-15 07:04:32

从这一系列开始，我会带着大家一起了解我们的机器学习，了解我们spark机器学习中的MLIib算法库，知道它大概的模型，熟悉并认识它。同时，本篇文章为个人spark免费专栏的系列文章，有兴趣的可以收藏关注一下，谢谢。同时，希望我的文章能帮助到每一个正在学习的你们。

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目录

一、什么是机器学习

机器学习 

发展历史 

 机器学习模型

监督模型

无监督模型

概率模型 

二、MLlib算法库

什么是MLlib算法库

MLlib的方法：

一、什么是机器学习

个人认为，机器学习是一个非常庞大的概念，不论是它本身的模型，运用它是产生的海量数据与决策，还是它那涵盖了众多的模型、算法和技术。并且随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，机器学习的影响力和重要性也将继续提升，所以，机器学习目前的热度高，未来很长时间内也不会衰减甚至更值得学习。

机器学习 

 机器学习是一门多领域交叉学科，涉及概率论、统计学、逼近论、凸分析、算法复杂度理论等多门学科。专门研究计算机怎样模拟或实现人类的学习行为，以获取新的知识或技能，重新组织已有的知识结构使之不断改善自身的性能。它是人工智能核心，是使计算机具有智能的根本途径。

机器学习算法通过从数据中自动分析和学习规律，使计算机能够自动获取新知识和能力。它可以处理大量的复杂数据并从中提取出有用的信息，并根据不断的经验来改善自身的性能。机器学习算法构建一个基于样本数据的数学模型，即“训练数据”，以便在没有明确编程来执行任务的情况下进行预测或决策。

发展历史 

机器学习的发展可以追溯到上世纪50年代。1952年，Arthur Samuel在IBM开发了第一个自我学习程序，这标志着机器学习的起步。此后，随着技术的发展，机器学习领域不断取得突破，包括感知机、最近邻算法、决策树、随机森林等算法的提出，以及深度学习的兴起。这些创新推动了机器学习在各个领域的应用和发展。 

有监督学习： 

聚类：

 

 概率图模型：

 深度学习： 

 

强化学习：

 机器学习模型

机器学习模型图

监督模型

工作原理：

  • 数据标注：在监督学习中，训练数据集中的每个样本都被标注了一个目标值或标签。这些标签可以是分类标签（如类别名称）或回归值（如连续的数字）。
  • 模型训练：算法使用这些带有标签的数据来训练模型。它学习如何根据输入特征预测目标值。
  • 预测与评估：一旦模型训练完成，它就可以用于对新的、未标注的数据进行预测。预测的准确性通常通过评估指标（如准确率、召回率、F1分数等）来衡量。

 在监督模型中，我们常用的算法有：

  • 线性回归：用于预测一个连续的目标值，基于输入特征与目标值之间的线性关系。
  • 逻辑回归：虽然名字中有“回归”，但实际上是一种分类算法，用于预测二分类或多分类问题。
  • 支持向量机（SVM）：通过找到一个超平面来最大化不同类别之间的间隔，从而进行分类。
  • 决策树：通过一系列的问题和答案来进行预测，每个问题都基于一个输入特征。
  • 随机森林：由多个决策树组成，通过集成多个树的预测结果来提高准确性。
  • 神经网络：模拟人脑中的神经元结构，通过多层网络进行学习和预测。

广泛应用在：

  • 图像识别：识别图像中的物体或场景。
  • 自然语言处理：情感分析、文本分类、机器翻译等。
  • 金融领域：信用风险评估、股票价格预测等。
  • 医疗诊断：基于医疗图像或患者数据预测疾病。

监督学习模型是机器学习中的核心组成部分，它通过学习带有标签的数据来建立预测模型，并在各种实际应用中发挥着重要作用。

无监督模型

工作原理：

无监督学习模型通过对大量无标签数据进行迭代计算，自动地发现数据的结构和模式。这些模型通常基于数据的相似性、距离或其他度量来构建，从而将数据分组或降维。

 在无监督模型中，我们常用的算法有：

  • 聚类算法：如K-均值聚类（K-means）和层次聚类。这些算法将数据点划分为不同的组或簇，使得同一簇内的数据点尽可能相似，而不同簇之间的数据点尽可能不同。
  • 降维算法：如主成分分析（PCA）和自编码器。这些算法用于减少数据的维度，同时保留数据中的主要特征或结构。降维有助于减少计算复杂性、消除噪声并可视化高维数据。

 广泛应用在：

  • 图像处理：用于图像分割、特征提取和异常检测。
  • 社交网络分析：识别社区、用户群体和社交模式。
  • 市场分析：通过聚类分析消费者行为和市场趋势。
  • 自然语言处理：用于文本聚类和主题建模。

无监督学习模型为处理未标记数据提供了强大的工具，能够发现数据中的结构和模式，为各种实际应用提供了有力支持。 

概率模型 

工作原理：

在机器学习中，概率模型通过给定的数据来估计和计算不同事件或结果发生的概率。这通常涉及到数据的统计分析和概率推断，以确定模型参数的最优值。一旦模型建立完成，它就可以用于预测新数据的行为或结果，并根据概率分布给出相应的预测概率。

常用的算法有：

  • 朴素贝叶斯算法：这是一种基于贝叶斯定理和特征条件独立假设的分类方法。它常用于文本分类、垃圾邮件过滤等任务。朴素贝叶斯算法根据先验概率和特征条件概率来计算后验概率，从而进行分类。根据应用场景的不同，朴素贝叶斯算法可以分为GaussianNB、MultinomialNB和BernoulliNB等变种。

  • 隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model, HMM）：HMM是一种统计模型，它用来描述一个含有隐含未知参数的马尔可夫过程。HMM常被用于时序数据的建模，如语音识别、自然语言处理等。

  • 最大熵模型：最大熵原理是一种选择概率模型的原则，它认为在满足约束条件的模型集合中，选择熵最大的模型是最好的模型。最大熵模型可以用于各种分类和回归任务。

  • 概率图模型：包括一系列基于图结构的概率模型，如马尔可夫随机场、信念网络等。这些模型通过图来表示变量之间的关系，并利用图论和概率论的方法来进行推理和学习。

  • 混合高斯模型（Gaussian Mixture Model, GMM）：GMM是一种概率模型，它假设所有数据都是由有限个高斯分布混合而成的。GMM常用于聚类分析和密度估计。

  • 期望最大化算法（Expectation-Maximization, EM）：EM算法是一种迭代方法，常用于概率模型中的参数估计。它通过在E步（期望步）计算期望，然后在M步（最大化步）最大化这个期望，来找到参数的最优估计。

  • 变分推断（Variational Inference）：这是一种在概率图模型中进行近似推断的方法。它通过优化一个易于处理的分布来近似难以处理的真实后验分布。

  • 蒙特卡洛方法：这是一种基于随机抽样的统计方法，用于估计复杂函数的积分和解决各种概率问题。在机器学习中，蒙特卡洛方法常用于模型参数的估计和复杂概率分布的计算。

二、MLlib算法库

什么是MLlib算法库

MLlib是Spark的机器学习库，旨在简化机器学习的工程实践工作，并方便扩展到更大规模的数据集。它提供了一组丰富的机器学习算法和工具，用于数据预处理、特征提取、模型训练和评估等任务。MLlib是基于Spark的分布式计算引擎构建的，可以处理大规模数据集，并利用分布式计算的优势来加速机器学习任务的执行。

MLlib提供了丰富的算法实现，包括线性回归、逻辑回归、决策树、随机森林、梯度提升树、K-means聚类等，以及用于特征提取、转换和选择的工具。此外，MLlib还支持使用管道（Pipeline）API将多个机器学习步骤组合成一个统一的流程，从而简化模型训练和调优的过程。

MLlib的方法：

方法 作用 使用方式
分类 用于预测离散型目标变量 使用MLlib的分类算法（如逻辑回归、决策树、随机森林等）训练模型，然后对新的数据进行预测。
回归 用于预测连续型目标变量 使用MLlib的回归算法（如线性回归、决策树回归等）训练模型，用于预测数值型结果。
聚类 用于将数据划分为具有相似性的不同簇 利用MLlib的聚类算法（如K-means）对数据进行分组，发现数据中的结构和模式。
协同过滤 用于推荐系统中的用户或物品的相似度计算 应用MLlib的协同过滤算法，根据用户的历史行为和其他用户的相似性生成推荐。
特征工程 提取、转换和选择特征，提高模型性能 使用MLlib的特征化工具进行特征提取、降维、转换和选择，优化特征表示。
管道(Pipeline) 构建、评估和调整机器学习管道 利用MLlib的管道API，将多个机器学习步骤组合成一个统一的流程，方便管理和调优。
模型持久化 保存和加载模型，以便复用和部署 使用MLlib的持久化功能，将训练好的模型保存到文件或数据库中，方便后续的预测和部署。

最后，MLlib是基于Spark的分布式计算引擎构建的，因此在使用MLlib时，我们需要熟悉Spark的基本概念和编程模型，如RDD（弹性分布式数据集）和DataFrame等。通过编写Spark应用程序，我们可以利用MLlib提供的算法和工具来处理大规模数据集，并进行高效的机器学习任务。

一起开始我们的spark机器学习之旅吧~ 

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