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Machine Learning Lecture Notes

2022-02-03 07:07:10 其他

Machine Learning Lecture Notes-1[KCL Financial Mathematics]

  • 1 Introduction
    • 1.1 Machine Learning v.s Statistics
      • Definition
      • Venn diagram: Statictics\data science\AI
    • 1.2 Applications
      • Supervised Learning
      • Unsupervised Learning
      • Data & Tasks & Algorithms
    • 1.3 Deep Learning
      • Definition(supervised & unsupervised)
      • Task
      • Applications in Finance
      • Limits
      • Function
        • 1) Example
        • 2) A Class of Functions Construction
        • 3) Optimal f f f Selection
        • 4) Functions in Deep Learning
      • History of Deep Learning

1 Introduction

1.1 Machine Learning v.s Statistics

Definition

  • Machine Learning : a field that takes an algorithmic approach to data analysis, processing and prediction.

  • Algorithmic :produces good predictions or extracts useful information from data to solve a practical problem

Venn diagram: Statictics\data science\AI

Figure 1 Venn Diagram

1.2 Applications

Supervised Learning

  • Definition:
    Automate decision-making processes by generalising from input-output pairs ( x i , y i ) (x_i , y_i ) (xi?,yi?), i ∈ i ∈ i { 1 , . . . N 1, . . . N 1,...N} for some N ∈ N N ∈ \N NN
  • Drawback
    Creating a dataset of inputs and outputs is often a laborious manual process.
  • Advantage
    Supervised learning algorithms are well-understood and their performance is easy to measure
  • Example(train tickets pricing by distance)

Unsupervised Learning

  • Definition
    Only the input data is known, and no known output data is given to the algorithm.
  • Drawback
    Harder to understand and evaluate than SL.
  • Advantage
    Only the input data is needed and there is no process of “creating input-output pairs” involved.
  • Example(trade portfolio)

Data & Tasks & Algorithms

  1. data(explain with case)
    - data point
    - feature
    - feature extraction/engineering

  2. task(figure: overview of ml tasks)
    - regression
    - classification
    - clustering
    - dimensonality reduction
    < Different tasks have different loss functions, refer to 1.3–Function >

  3. algorithm
    - supportvectormachines(SVMs)
    - nearestneighbours
    - random forest
    - k means
    - matrix factorisaion/autoencoder
    -

1.3 Deep Learning

Definition(supervised & unsupervised)

Deep learning solves Problems by employing neural networks(artificial neural networks), functions constructed by composing alternatingly affine and (simple) non-linear functions.

Task

  • prediction
  • classification
  • image recognition
  • speech recognition and synthesis
  • simulation
  • optimal decision making

  • Task of MAchine Learning

Applications in Finance

  • detect fraud
  • machine read cheques
  • perform credit scoring

Limits

  • limited explainability of deep learning
  • black-box nature of neural networks

Function

f = ( f 1 , . . . , f O ) : R I → R O f =(f_1,...,f_O):R^I →R^O f=(f1?,...,fO?):RIRO

  • inputs
    x 1 , . . . , x I x_1,...,x_I x1?,...,xI? ? ( I ∈ N I \in \N IN)
  • outputs
    f 1 ( x 1 , . . . , x I ) , . . . , f O ( x 1 , . . . , x I ) f_1(x_1,...,x_I),..., f_O(x_1,...,x_I ) f1?(x1?,...,xI?),...,fO?(x1?,...,xI?) ? ( O ∈ N O \in \N ON)
  • loss function
    L ( f ) : = 1 I ∑ i = 1 I l ( f i ^ , f i ) L(f):=\frac{1}{I}\sum_{i=1}^Il(\hat{f_i},f_i) L(f):=I1?i=1I?l(fi?^?,fi?) ? (e.g. squared loss, absolute loss)

1) Example

  • Regression Problem: data fitting
  • Binary Classification Problem:the direction of next price change//credit risk analysis

2) A Class of Functions Construction

  • rich in the sense that it encompasses “almost any” reasonable functional relationship between the outputs and inputs;
  • parameterised by a finite set of parameters,so that we can actually work with it numerically;
  • able to cope with high-dimensional inputs and outputs.

3) Optimal f f f Selection

  • implementable numerically;
  • efficient enough to be able to cope with large numbers of samples;
  • able to avoid the pitfall of overfitting, that is, producing a function f f f that performs well with the training data but poorly with other data.
    在這里插入圖片描述

4) Functions in Deep Learning

  • Function: Affine Function\Activation Function
    f = σ r ? L r ? ? ? ? ? σ 1 ? L 1 : R I → R O f =σ_r ?L_r ?···?σ_1?L_1:R^I →R^O f=σr??Lr??????σ1??L1?:RIRO
    where
    x = ( x 1 , . . . , x d i ) ∈ R d i x =(x_1,...,x_{d_i} )∈R_{d_i} x=(x1?,...,xdi??)Rdi??;
    L i : R d i ? 1 → R d i L_i:R^{d_i-1} → R^{d_i} Li?:Rdi??1Rdi?, ? \forall ? i ∈ N i\in\N iN is an affine function, transmiting d i ? 1 d_{i?1} di?1? signals to d i d_i di? units or neurons;
    σ i ( x ) : = ( σ i ( x 1 ) , . . . , σ i ( x d i ) ) : R → R σ_i(x):=(σ_i(x_1),...,σ_i(x_{d_i} )):R→R σi?(x):=(σi?(x1?),...,σi?(xdi??)):RR is an activation function, transforming d i ? 1 d_{i?1} di?1? siginals.
    在這里插入圖片描述

    < satisfy the 2) requirement>
    < Since there is no specific data definition for the model, it’s super general to fit diverse data.>

  • Optimal f f f:stochastic gradient descent (SGD)
    - the matrices and vectors parameterise its layers
    - a randomly drawn subset of samples(minibatch) is used
    - the gradient is computed using a form of algorithmic differentiation(backpropagation)

  • Loss function
    generally absolute value of residual,but some others in particular

History of Deep Learning

  • Heaviside function< problem sheet1>
    f ( x ; w , b ) : = H ( w ′ x + b ) , f(x;w,b) := H(w^′x +b), f(x;w,b):=H(wx+b), where
    H ( x ) : = { 0 , x < 0 1 , x ≥ 0 H(x):=\begin{cases} 0,\quad x< 0 \\[2ex] 1, \quad x\geq0 \end{cases} H(x):=????0,x<01,x0?
  • Artificial Neuron case
    在這里插入圖片描述
    - 1: if neuron A is activated, then neuron C gets activated as well (since it receives two input signals from neuron A); but if neuron A is off, then neuron C is off as well.
    - 2: (logical AND) Neuron C is activated only when both neurons A and B are activated (a single input signal is not enough to activate neuron C).
    - 3: (logical OR) Neuron C gets activated if either neuron A or neuron B is activated (or both).
    - 4: (logical NOT) Neuron C is activated only if neuron A is active and neuron B is off. If A is active all the time, then neuron C is active when neuron B is off, and vice versa.

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