一、机器学习前的数学基础知识

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你说春天太短

还未来得及看见自己

就要粉碎成灯红酒绿的夏

那就开花呀

开他妈的

1. 求和、求积

1.1 求和

假设现在我们要在纸上写下1加到100的简单求和运算:

1 + 2 +3 + 4 + 5 + ........ + 99 + 100

使用求和符号简化(读作“西格玛”):

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对于不明确要加到多少的情况:

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 对集合使用求和符号:

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1.2 求积

假设现在我们要在纸上写下1乘到100的简单求积运算:

1 * 2 * 3 * 4 * 5 * ........ * 99 * 100

使用求积符号简化(读作“派”):

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对于不明确要乘到多少的情况:

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2. 微分

2.1 微分介绍

在机器学习领域,有很多用来解决最优化问题的方法,其中之一就是使用微分

通过微分,可以知道函数在某个点的斜率,也可以了解函数在瞬间的变化

示例:开车行驶在大街上的场景(走走停停)

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由整个图可以看出,车子在40s内大约行驶了120m,所以这一期间车辆的行驶速度:

120m / 40s = 3m/s

3m/s是车辆的平均速度,从图中可以看出,车子在刚启动时速度慢,且在红灯时速度变为0,即车辆在各个点的时间点的瞬时速度都取值不同。

为了求车辆的“瞬时速度”,我们来渐渐缩小时间间隔。

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可以计算车辆在10s - 20s内的速度:

60m / 10s = 6m/s

同样,一次次缩小时间间隔,求10s - 11s之间的斜率,求10.0s - 10.1s之间的斜率。最后就可以得出10s那一瞬间的斜率,也就是速度。像这样缩小间隔求斜率的方法正是微分。

为了求这种“瞬时变化量”,假设函数为f(x),h为微小的数,那么函数f(x)在点x的斜率就可以表示为:

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3. 偏微分

在前面的微分中,函数f(x)是只有一个变量x的单变量函数。但是,在实际工作中,是存在多个变量的多变量函数。

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怎么来处理多变量函数?

核心:只需要关注微分的变量,把其他变量当作常数来处理,这种微分方法就称为偏微分。

示例:

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函数h对x1的偏微分:

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函数h对x2的偏微分:

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像这样只关注要微分的变量,将其它变量全部作为常数来处理,就可以知道在这个变量下的斜率是多少。不管变量增加到多少,这个方法都是适用的。

4. 复合函数

有下面两个函数:

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像x中代入任意值,可以得到函数的输出值:

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不仅能像函数中代入常数,还可以代入函数进行计算:

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像上面这种由多个函数组成的函数被称为复合函数

示例:复合函数f(g(x))对x求微分

1. 把函数暂时替换为变量:

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2. 分步骤进行微分:

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也就是说,把y对u微分的结果与u对x微分的结果相乘即可

3. 实际微分:

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总结: 对复杂的函数进行微分,可以把函数当作多个简单函数组成而成的符合函数再进行微分,其中关键部分就是如何将函数分割为简单函数

5. 向量和矩阵

向量就是把数字纵向排列的数据结构。

矩阵是把数字纵向和横向排列的数据结构。

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常用小写字母表示向量,大写字母表示矩阵,并且都用黑体。

矩阵分别支持和、差、积的计算。假设有以下两个矩阵A和B,分别来计算一下它的和、差、积。

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计算和、差:

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计算积:需要将左侧矩阵的行与右侧矩阵的列的元素依次相乘,然后将结果加在一起。

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最终结果:

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最后,了解一下转置,交换行和列的操作就叫转置

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在计算向量的积时,经常会向下面一个向量转置之后再计算:

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6. 几何向量

向量拥有大小和方向:

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向量的加法和减法: 

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计算在代数上只是做了向量中各元素的相加和相减:

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向量之间的积:

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像这样,计算向量内积之后得到的已经不是向量,而是普通的数字(大小)了。这种普通数字有一个稍微生僻一点的叫法——标量。所以内积也可以被称为标量积。另外,由于内积的运算符号不是乘法符号“×”,而是点“·”,所以有时它也被称为点积

假设向量a和b之间的夹角为θ,那么内积也可以这样表示:

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设θ为横轴、cosθ为纵轴,那么cos函数的图形如图:

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法线向量指的是与某条直线相垂直的向量:

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7. 指数与对数

指数法则

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指数函数

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对数法则

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对数函数

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自然对数

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对数微分

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