Chat 严选 | 机器学习必备的数学知识，一次学会

写在最前

学习机器学习，初学者的阻塞点往往不在机器学习本身，而是数学。面对教材中满篇的数学公式时，如果你的数学基础不牢固，就会逐步失去学习信心、丧失学习动力。最终，你投入了时间和精力，却未达到预期的学习效果，也只能沦落个“半吊子”的水平。

有鉴于此，本 Chat 将会拆解机器学习主流模型，找到其背后依赖的数学知识点。再将这些知识点，进行整合归并。因此，这篇 Chat 的背景是机器学习，而讲述的内容是数学知识。我会取其精华、去其糟粕，让你尽可能以较低成本，迅速掌握机器学习必备的数学知识。相信有了这些必备知识之后，你就能轻松读懂其他机器学习教材并快速入门机器学习啦。

本文，我会用第一人称和第二人称来行文。这次我想突破一下自己，一反以往严肃行文的常态，用一种诙谐幽默的方式来行文。本文适合的人群为，每次打开书都被公式搞垮的机器学习初学者。

看完 chat，别忘了再来关注一下我的公众号“算法入门速成班”哦。

热身

在热身环节，我想和你先共同建立信心。高斯和你一样都是两只眼睛，拉格朗日和你一样都是一个鼻子。因此，我想请你找个没人的旮旯，对着镜子中的自己，高呼三声，“别怕，数学就是纸老虎”。

完成热身后，恭喜你，你已经成功了一半！

系统性学习与散点式学习

系统性学习与散点式学习，这是常用的两种学习方式。

• 系统性学习，会让你看到全貌，就是把一本书都给啃了。

• 散点式学习，会快速拿到收益，就是哪里不会学哪里。

对于机器学习而言，你一定并且必须去花时间进行系统性学习。当你的学习进程被数学的某个知识点阻塞时，你也许想过系统性学习数学。当然了，如果你愿意花大量时间系统地研究数学，并且最终把数学也给学会了，这一定是个好事情。可惜，更有可能的结果是，你买了很多数学书，却发现数学根本学不会。此时，你就要学会变通。也就是，尽快把阻塞你的数学知识点突破掉，然后重回机器学习的主流程上来。这样，你就能在机器学习的道路上不断披荆斩棘。因此，你需要系统性学习机器学习，并散点式学习数学。

在这里插入图片描述

机器学习中的数学

既然确定了要散点式学习数学，那就要找出到底是哪些阻塞点需要你去攻克。为此，我制作了下面一幅图。

在这里插入图片描述

机器学习的建模过程包含 3 个步骤，分别是模型、策略、算法。在我的技术专栏和先前的 chat 文章《入门机器学习，有这 3 把金钥匙就够了！》，我喜欢称之为机器学习建模的 3 把金钥匙。你可以直观地理解为，这是 3 个方程。既然是 3 个方程，那么就需要利用数学知识去解方程。根据具体模型的不同，这 3 个方程的形式和解法也会各不相同。因此，上面的图就是不同模型 3 个方程的不同表现形式，也是本次 chat 的总纲。

我们按照图中的知识点进行聚合，可以得到如下机器学习的数学知识要点。

• 平方误差

• 梯度下降法

• 矩阵求解

• 极大似然估计

• 熵的原理

• 启发式算法

知识点就这 6 个。这些知识点，就像打怪通关一样，你只需要各个击破就能在机器学习的世界中兴风作浪。如果你不满足于这些知识点，可以找些大学数学教材多学一些，那自然更好。

好了，下面我们就来闯关，共计六关。

第一关：平方误差

第一关热身为主，比较简单。误差，指的是某个变量的错误程度，也就是

平方误差，则采用一种平方处理的方式来衡量误差。例如，用某个仪器去测量人的身高，这样就有仪器的测量值和人身高的真实值，得到如下表：

姓名	云里金刚	打虎英雄	矮脚虎	炊饼铺老板
身高真实值	1.90	1.95	1.65	1.59
身高测量值	1.92	1.94	1.65	1.63

那么，平方误差就是

由这个例子可以知道，平方误差的计算方法是，每一个样本误差的平方，再求和。则平方误差的公式为

其中， 为第 个样本的真实值， 为第 个样本的预测值。平方误差可能还有一些变种，例如开个根号，除个样本量变成平均值等等。基本上是换汤不换药。这个 chat 就以上面公式的表达形式为例。

好的，到了这里，第一关通过。恭喜你！

在这里插入图片描述

第二关：梯度下降法

第二关开始难度系数增加。先明确大方向，到底梯度下降法是干嘛的呢？其实，你可以简单粗暴地认为，梯度下降法就是求解函数极值的一种算法。因此，为了快速学习梯度下降法，你可能需要从求解函数的极值出发。请看下面例题。

【例题】求解函数 的最小值。

【解析】

方法一：代数法，将函数转换为“平方项+常数”的形式。即

平方项 。当且仅当 时， 取得最小值 。因此，当 时， 取得最小值 。

方法二：求导法，解函数导数为零的方程。即，方程

解之，得到 处的导数为零，即为极值点。则有

代数法和求导法，是高中数学中常用的极值求解方法。然而，它们又都有着各自的局限性。代数法要求，函数必须可以被调整为多项式平方加常数的形式。求导法要去解方程，需要我们有着极强的方程求解能力。

当目标函数比较复杂时，这两种方法就会失效。例如，求解函数

的极小值。此时，由于有了指数项，代数法不再适用。求导法会得到方程

这个方程只靠简单数学的计算，根本无法找到解。此时就需要用更通用的极值求解方法，这就是梯度下降法。

到这里你一定会问，说了半天，到底什么是梯度。关于梯度，你需要掌握 3 个要点：

• 梯度是某个函数 的，用 来表示

• 梯度是一阶偏导组成的向量

• 梯度表示函数变化率最快的方向

有了这 3 个要点，我们给出计算函数 梯度的定义式，即

看到这里，你千万别害怕。我们再次建立信心，梯度这玩意就是纸老虎，老简单了。看例题。

【例题】计算函数 的梯度。

【解析】根据定义式，这个函数包含两个自变量，分别为 和 。首先计算函数关于每个自变量的偏导，得到 和 。因此，函数的梯度为

到了这里你已经学会了梯度是什么。那么问题来了：1）梯度到底有什么用？2）梯度下降法到底是什么？3）梯度下降法是如何找到函数极值的？

前面说过，连续函数的极值处导数为 0。也就是说，非极值处的导数不为 0。假设有个向上张口的抛物线，这个抛物线一定会存在一个最小值（红色）。如下图。

在这里插入图片描述

在这个线上有个点（橙色），这个点附近的导数值为 2，大于 0。那么这个函数的最小值的横坐标，一定是在这个橙色点的横坐标的左边。反之，如果这个点的导数值小于 0，假设是绿色的点，导数为 -0.9。那么函数的最小值的横坐标，一定在这个绿色点的横坐标的右边。而且这个目标最小值的横坐标与这个观测点（绿色、橙色）的横坐标的距离，与导数的绝对值正相关。即，导数的绝对值越大，极值点越远；反之亦然。

因此，可以得到结论：

• 根据导数的正负号，可以判断最小值的坐标是在左边还是右边。

• 通过导数绝对值的大小，可以判断距离的远近。

用个公式来代替这两条结论的描述，就是

其中， 是个正数。当 时，会得到一个更小的 ，即 向左移动。当 时，会得到一个更大的 ，即 向右移动。且移动的距离 与导数的绝对值正相关，满足所有上面的结论。这样，在多次反复使用上面的公式进行循环迭代后，就能逐步逼近函数的极值。

再仔细看看上面的公式， 不就是梯度嘛。因此，这就是梯度下降法的核心思路。我们给出梯度下降法的算法流程：

【梯度下降法算法】

输入：某个函数 ，学习率参数 。

输出：函数的极小值。

流程：

（1）随机初始化自变量坐标点

（2）计算函数在点 处的梯度

（3）用梯度值来更新 ，更新规则为

（4）如果梯度 不为 0，则跳转到第（2）步

（5）函数的最小值为

期待你能看懂上面的算法。如果看不懂也没关系，来个例题啥都明白了。

【例题】求函数 的最小值。

【解析】我们严格按照上面的算法来求解。

首先，随机初始化一个点，假设 。设置学习率 。

其次，计算梯度 。此时由于函数只有一个自变量，所以梯度可以是个只有一个元素的向量。我们为了简单就直接写成如上的标量。

接下来，进入循环。由于有些计算量，我就以 Python 来进行计算，并以表格形式给出计算结果。代码如下：

import math

x = 0.0  #初始化值
a = 0.5  #设置学习率
for i in range(0,10):   #10次循环
  xold = x                 #本次循环前的 xt 值
  grad = 2*x+2+math.exp(x)   #计算梯度值
  xnew = x - a*grad    #本次循环更新后的 xt 值

  #四舍五入精确到小数点后两位，打印出来
  print str(i+1) + '\t' + str(round(xold,2)) + '\t' + str(round(grad,2)) + '\t' + str(round(xnew,2))

  x = xnew  #保存下来，留着下次循环使用


 

这段代码执行后，打印的结果如下表：

循环次数	循环前的	梯度值	更新后的
1	0.0	3.0	-1.5
2	-1.5	-0.78	-1.11
3	-1.11	0.11	-1.16
4	-1.16	-0.02	-1.16
5	-1.16	0.0	-1.16
6	-1.16	-0.0	-1.16
7	-1.16	0.0	-1.16
8	-1.16	-0.0	-1.16
9	-1.16	0.0	-1.16
10	-1.16	-0.0	-1.16

可见，从第 4 次循环开始后， 的结果不再发生变化，即收敛。最终，原函数的最小值发生在 处，最小值为

【例题】求函数 的最小值。

【解析】根据代数法、求导法，你都能轻松计算出当 、 时，。虽然这个答案是对的，但显然这不是我们想阐述的内容。接下来，我们用梯度下降法来求解。

我们随机初始化 ，设置学习率 。求解函数的偏导 ，。

这样，得到函数的梯度为 。接着进入循环迭代计算，代码如下。

import math

x = 1.0  #初始化值
y = 1.0  #初始化值
a = 0.3  #设置学习率
for i in range(0,10):  #10次循环
   xold = x   #本次循环前的 x 值
   yold = y   #本次循环前的 y 值
   xgrad = 2*x-4   #本次循环的梯度1
   ygrad = 2*y+6  #本次循环的梯度2
   xnew = x - a*xgrad   #本次循环后的 x 值
   ynew = y - a*ygrad   #本次循环后的 y 值

   #四舍五入，精确到小数点后两位，打印出来
   print str(i+1) + '\t' + str(round(xold,2)) + '\t' + str(round(yold,2)) + '\t' + str(round(xgrad,2)) + '\t' + str(round(ygrad,2)) + '\t' + str(round(xnew,2)) + '\t' + str(round(ynew,2))

   x = xnew   #保存下来，留着下次循环使用
   y = ynew   #保存下来，留着下次循环使用

 

这段代码执行后，打印的结果如下表：

循环次数	循环前的	梯度向量	更新后的
1	(1.0,1.0)	(-2.0,8.0)	(1.6,-1.4)
2	(1.6,-1.4)	(-0.8,3.2)	(1.84,-2.36)
3	(1.84,-2.36)	(-0.32,1.28)	(1.94,-2.74)
4	(1.94,-2.74)	(-0.13,0.51)	(1.97,-2.9)
5	(1.97,-2.9)	(-0.05,0.2)	(1.99,-2.96)
6	(1.99,-2.96)	(-0.02,0.08)	(2.0,-2.98)
7	(2.0,-2.98)	(-0.01,0.03)	(2.0,-2.99)
8	(2.0,-2.99)	(-0.0,0.01)	(2.0,-3.0)
9	(2.0,-3.0)	(-0.0,0.01)	(2.0,-3.0)
10	(2.0,-3.0)	(-0.0,0.0)	(2.0,-3.0)

可见，最终结果收敛至 ，则有

好的，到了这里，第二关通过。恭喜你！

在这里插入图片描述

由于篇幅有限不能展示全部内容，

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面对机器学习，初学者的阻塞点往往不在于机器学习本身，而是数学。机器学习是计算机技术，但它的底层是数学。通常，在机器学习相关的教材中，通篇都是复杂的数学公式。初学者如果数学基础不牢固，面对满篇的数学公式时，就会逐步失去学习信心、减少学习动力，而达不到预期的学习效果，最终只能沦落个“半吊子”的水平。

有鉴于此，本 Chat 将会拆解机器学习主流模型，找到主流模型背后依赖的数学知识点。再讲这些数学相关的知识点，进行统一整合归并。因此，这篇 Chat 的背景是机器学习，而讲述的内容是数学知识。我会用尽可能简单的方式，取其精华、去其糟粕，让你尽可能以极低成本，迅速掌握机器学习必备的数学知识。相信有了这些必备知识之后，你就能轻松读懂其他机器学习教材并快速入门机器学习啦。

本 Chat 内容：

• 机器学习主流模型依赖的数学知识要点拆解

• 梯度，利用梯度下降法求解函数极值

• 向量与矩阵，求各种积、求逆

• 求导大法，函数求导、向量求导、矩阵求导

• 概率计算，对于事物不确定性概率的计算、极大似然的原理

• 信息量的度量，熵、条件熵、信息增益、信息增益率

• 统计量，均值、方差、最小二乘

• 统计学的圣经，中心极限定理、假设检验

适合人群：

• 每次打开书都被公式搞垮的机器学习初学者

最后一句，写好每篇 Chat 是对我的要求，更是对你的尊重。