从本章起进入 AI 的现代篇章:不写规则,给数据让机器自己找规律。机器学习(ML)的定义一句话:从经验(数据)E 中,针对任务 T 和性能度量 P,自动改进的系统(Mitchell)。本章建立 ML 的世界观:三种学习范式、泛化与过拟合(全 ML 最重要的概念)、以及「模型 = 假设空间 + 搜索」的统一视角——后面四章(线性模型、神经网络、CNN、Transformer)都只是这个视角下的具体假设空间。
监督学习(supervised):带标准答案的数据(输入 x,标签 y),学 x → y 的映射。分类(垃圾邮件识别)、回归(房价预测)。它吃标签,标签靠人工标注(成本的大头)。
无监督学习(unsupervised):无标签,自己找结构。聚类(用户分群)、降维(压缩特征)、异常检测(信用卡欺诈)。它回答「数据长什么样」而不是「这个是什么」。
强化学习(reinforcement):智能体在环境中试错,靠奖励信号学习,无标准答案只有延迟反馈。下棋(第 3 章 AlphaZero 的自我对弈)、机器人控制、游戏 AI。它最接近「学习」的本义(婴儿学走路也是试错),也最难训练(奖励稀疏、探索成本高)。
(还有半监督、自监督——大模型的关键:把无标注文本本身变成标签「预测下一个词」,一举吃下全互联网的数据,第 10 章。)
任何监督学习系统拆开都是三件套:
「学习 = 在假设空间中搜索让损失最小的假设」。这个视角的威力:不同模型是不同大小的假设空间——线性模型(百万级假设)简单可控但表达力弱,神经网络(无限维)表达力强但难驾驭;ML 的艺术 = 假设空间与数据量的匹配。第 3 章的搜索(在状态空间)与这里的搜索(在假设空间)是同一门手艺的两次应用。
训练的目标不是在训练数据上表现好(背下答案也能做到),而是泛化:在没见过的数据上表现好。由此产生的三个状态:
经典实验(自己在纸上就能脑补):用 1 次、5 次、15 次多项式拟合 10 个带噪声的点——1 次(直线)欠拟合,15 次(穿过每个点)过拟合,5 次左右恰到好处。模型复杂度与数据量的匹配是永恒主题:数据少就别上大模型,数据多时大模型的容量才吃得满。
工程上的防过拟合三板斧:训练/验证/测试集三分(测试集只许最后碰一次,像高考)、正则化(给损失加复杂度惩罚,「简洁的假设优先」,奥卡姆剃刀的数学化)、交叉验证(数据轮流当验证集,榨干小数据)。铁律:验证集上的表现才是模型的真实水平,训练集分数是自欺。
工业界 ML 项目的真实流水线(和软件工程课第 10 章的 CI/CD 平级):
① 明确任务与指标(第 3 章需求工程的 ML 版:预测什么?什么算准?)
② 收集数据 + 清洗(脏活占 80% 工时;缺失值、异常值、标签错误)
③ 特征工程(把领域知识编码进输入;深度学习时代弱化但没消失)
④ 训练与调参(第 6 章起)
⑤ 评估(第 5.5 的指标;在验证集上)
⑥ 部署与监控(数据分布会漂移:去年的用户画像今年失效,模型要定期重训)
流程里最反直觉的事实:算法只占 ML 工程的 20%,数据和工程占 80%。「模型即产品」是研究视角,「数据管线即产品」是工业视角。
准确率(accuracy)在类别不均衡时会撒谎:欺诈交易占 0.1%,全预测「非欺诈」的蠢模型准确率 99.9%。要看混淆矩阵的四格(真阳/假阳/真阴/假阴)派生的指标:
指标的选型是业务决策:癌症筛查(漏诊致命)保召回,垃圾邮件拦截(误杀烦人)保精确。「指标决定行为」(Goodhart 定律)在 ML 里是字面成立的:优化什么,模型就扭曲什么,第 10 章的大模型对齐困境同源。