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实例详解机器学习如何解决问题

[日期:2015-02-06] 来源:美团技术团队   作者:美团技术团队 [字体: ]

前言

        随着大数据时代的到来,机器学习成为解决问题的一种重要且关键的工具。不管是工业界还是学术界,机器学习都是一个炙手可热的方向,但是学术界和工 业界对机器学习的研究各有侧重,学术界侧重于对机器学习理论的研究,工业界侧重于如何用机器学习来解决实际问题。我们结合美团在机器学习上的实践,进行一 个实战(InAction)系列的介绍(带“机器学习InAction系列”标签的文章),介绍机器学习在解决工业界问题的实战中所需的基本技术、经验和 技巧。本文主要结合实际问题,概要地介绍机器学习解决实际问题的整个流程,包括对问题建模、准备训练数据、抽取特征、训练模型和优化模型等关键环节;另外 几篇则会对这些关键环节进行更深入地介绍。

        下文分为1)机器学习的概述,2)对问题建模,3)准备训练数据,4)抽取特征,5)训练模型,6)优化模型,7)总结 共7个章节进行介绍。

机器学习的概述:

什么是机器学习?

        随着机器学习在实际工业领域中不断获得应用,这个词已经被赋予了各种不同含义。在本文中的“机器学习”含义与wikipedia上的解释比较契 合,如下:Machine learning is a scientific discipline that deals with the construction and study of algorithms that can learn from data.

        机器学习可以分为无监督学习(unsupervised learning)和有监督学习(supervised learning),在工业界中,有监督学习是更常见和更有价值的方式,下文中主要以这种方式展开介绍。如下图中所示,有监督的机器学习在解决实际问题 时,有两个流程,一个是离线训练流程(蓝色箭头),包含数据筛选和清洗、特征抽取、模型训练和优化模型等环节;另一个流程则是应用流程(绿色箭头),对需 要预估的数据,抽取特征,应用离线训练得到的模型进行预估,获得预估值作用在实际产品中。在这两个流程中,离线训练是最有技术挑战的工作(在线预估流程很 多工作可以复用离线训练流程的工作),所以下文主要介绍离线训练流程。

什么是模型(model)?

        模型,是机器学习中的一个重要概念,简单的讲,指特征空间到输出空间的映射;一般由模型的假设函数和参数w组成(下面公式就是Logistic Regression模型的一种表达,在训练模型的章节做稍详细的解释);一个模型的假设空间(hypothesis space),指给定模型所有可能w对应的输出空间组成的集合。工业界常用的模型有Logistic Regression(简称LR)、Gradient Boosting Decision Tree(简称GBDT)、Support Vector Machine(简称SVM)、Deep Neural Network(简称DNN)等。

        模型训练就是基于训练数据,获得一组参数w,使得特定目标最优,即获得了特征空间到输出空间的最优映射,具体怎么实现,见训练模型章节。

为什么要用机器学习解决问题?

  • 目前处于大数据时代,到处都有成T成P的数据,简单规则处理难以发挥这些数据的价值;
  • 廉价的高性能计算,使得基于大规模数据的学习时间和代价降低;
  • 廉价的大规模存储,使得能够更快地和代价更小地处理大规模数据;
  • 存在大量高价值的问题,使得花大量精力用机器学习解决问题后,能获得丰厚收益。

机器学习应该用于解决什么问题?

  • 目标问题需要价值巨大,因为机器学习解决问题有一定的代价;
  • 目标问题有大量数据可用,有大量数据才能使机器学习比较好地解决问题(相对于简单规则或人工);
  • 目标问题由多种因素(特征)决定,机器学习解决问题的优势才能体现(相对于简单规则或人工);
  • 目标问题需要持续优化,因为机器学习可以基于数据自我学习和迭代,持续地发挥价值。

对问题建模

        本文以DEAL(团购单)交易额预估问题为例(就是预估一个给定DEAL一段时间内卖了多少钱),介绍使用机器学习如何解决问题。首先需要:

  • 收集问题的资料,理解问题,成为这个问题的专家;
  • 拆解问题,简化问题,将问题转化机器可预估的问题。

        深入理解和分析DEAL交易额后,可以将它分解为如下图的几个问题:

单个模型?多个模型?如何来选择?

        按照上图进行拆解后,预估DEAL交易额就有2种可能模式,一种是直接预估交易额;另一种是预估各子问题,如建立一个用户数模型和建立一个访购率模型(访问这个DEAL的用户会购买的单子数),再基于这些子问题的预估值计算交易额。

  • 不同方式有不同优缺点,具体如下:
模式缺点优点
单模型 1. 预估难度大2. 风险比较高 1. 理论上可以获得最优预估(实际上很难)2. 一次解决问题
多模型 1. 可能产生积累误差2. 训练和应用成本高 1. 单个子模型更容易实现比较准地预估2. 可以调整子模型的融合方式,以达到最佳效果
  • 选择哪种模式?

    1)问题可预估的难度,难度大,则考虑用多模型;

    2)问题本身的重要性,问题很重要,则考虑用多模型;

    3)多个模型的关系是否明确,关系明确,则可以用多模型。

  • 如果采用多模型,如何融合?可以根据问题的特点和要求进行线性融合,或进行复杂的融合。以本文问题为例,至少可以有如下两种:

模型选择

        对于DEAL交易额这个问题,我们认为直接预估难度很大,希望拆成子问题进行预估,即多模型模式。那样就需要建立用户数模型和访购率模型,因为机器学习解决问题的方式类似,下文只以访购率模型为例。要解决访购率问题,首先要选择模型,我们有如下的一些考虑:

  • 主要考虑

    1)选择与业务目标一致的模型;

    2)选择与训练数据和特征相符的模型。

    训练数据少,High Level特征多,则使用“复杂”的非线性模型(流行的GBDT、Random Forest等);
    训练数据很大量,Low Level特征多,则使用“简单”的线性模型(流行的LR、Linear-SVM等)。
  • 补充考虑

    1)当前模型是否被工业界广泛使用;

    2)当前模型是否有比较成熟的开源工具包(公司内或公司外);

    3)当前工具包能够的处理数据量能否满足要求;

    4)自己对当前模型理论是否了解,是否之前用过该模型解决问题。

        为实际问题选择模型,需要转化问题的业务目标为模型评价目标,转化模型评价目标为模型优化目标;根据业务的不同目标,选择合适的模型,具体关系如下:

        通常来讲,预估真实数值(回归)、大小顺序(排序)、目标所在的正确区间(分类)的难度从大到小,根据应用所需,尽可能选择难度小的目标进行。 对于访购率预估的应用目标来说,我们至少需要知道大小顺序或真实数值,所以我们可以选择Area Under Curve(AUC)或Mean Absolute Error(MAE)作为评估目标,以Maximum likelihood为模型损失函数(即优化目标)。综上所述,我们选择spark版本 GBDT或LR,主要基于如下考虑:

1)可以解决排序或回归问题;

2)我们自己实现了算法,经常使用,效果很好;

3)支持海量数据;

4)工业界广泛使用。

准备训练数据

        深入理解问题,针对问题选择了相应的模型后,接下来则需要准备数据;数据是机器学习解决问题的根本,数据选择不对,则问题不可能被解决,所以准备训练数据需要格外的小心和注意:

注意点:

  • 待解决问题的数据本身的分布尽量一致;
  • 训练集/测试集分布与线上预测环境的数据分布尽可能一致,这里的分布是指(x,y)的分布,不仅仅是y的分布;
  • y数据噪音尽可能小,尽量剔除y有噪音的数据;
  • 非必要不做采样,采样常常可能使实际数据分布发生变化,但是如果数据太大无法训练或者正负比例严重失调(如超过100:1),则需要采样解决。

常见问题及解决办法

  • 待解决问题的数据分布不一致:
    1)访购率问题中DEAL数据可能差异很大,如美食DEAL和酒店DEAL的影响因素或表现很不一致,需要做特别处理;要么对数据提前归一化,要么将分布不一致因素作为特征,要么对各类别DEAL单独训练模型。
  • 数据分布变化了:
    1)用半年前的数据训练模型,用来预测当前数据,因为数据分布随着时间可能变化了,效果可能很差。尽量用近期的数据训练,来预测当前数据,历史的数据可以做降权用到模型,或做transfer learning。
  • y数据有噪音:
    1)在建立CTR模型时,将用户没有看到的Item作为负例,这些Item是因为用户没有看到才没有被点击,不一定是用户不喜欢而没有被点击,所以这些 Item是有噪音的。可以采用一些简单规则,剔除这些噪音负例,如采用skip-above思想,即用户点过的Item之上,没有点过的Item作为负例 (假设用户是从上往下浏览Item)。
  • 采样方法有偏,没有覆盖整个集合:
    1)访购率问题中,如果只取只有一个门店的DEAL进行预估,则对于多门店的DEAL无法很好预估。应该保证一个门店的和多个门店的DEAL数据都有;
    2)无客观数据的二分类问题,用规则来获得正/负例,规则对正/负例的覆盖不全面。应该随机抽样数据,进行人工标注,以确保抽样数据和实际数据分布一致。

访购率问题的训练数据

  • 收集N个月的DEAL数据(x)及相应访购率(y);
  • 收集最近N个月,剔除节假日等非常规时间 (保持分布一致);
  • 只收集在线时长>T 且 访问用户数 > U的DEAL (减少y的噪音);
  • 考虑DEAL销量生命周期 (保持分布一致);
  • 考虑不同城市、不同商圈、不同品类的差别 (保持分布一致)。

抽取特征

        完成数据筛选和清洗后,就需要对数据抽取特征,就是完成输入空间到特征空间的转换(见下图)。针对线性模型或非线性模型需要进行不同特征抽取,线性模型需要更多特征抽取工作和技巧,而非线性模型对特征抽取要求相对较低。

        通常,特征可以分为High Level与Low Level,High Level指含义比较泛的特征,Low Level指含义比较特定的特征,举例来说:

    DEAL A1属于POIA,人均50以下,访购率高;
    DEAL A2属于POIA,人均50以上,访购率高;
    DEAL B1属于POIB,人均50以下,访购率高;
    DEAL B2属于POIB,人均50以上,访购率底;

        基于上面的数据,可以抽到两种特征,POI(门店)或人均消费;POI特征则是Low Level特征,人均消费则是High Level特征;假设模型通过学习,获得如下预估:

如果DEALx 属于POIA(Low Level feature),访购率高;
如果DEALx 人均50以下(High Level feature),访购率高。

        所以,总体上,Low Level 比较有针对性,单个特征覆盖面小(含有这个特征的数据不多),特征数量(维度)很大。High Level比较泛化,单个特征覆盖面大(含有这个特征的数据很多),特征数量(维度)不大。长尾样本的预测值主要受High Level特征影响。高频样本的预测值主要受Low Level特征影响。

        对于访购率问题,有大量的High Level或Low Level的特征,其中一些展示在下图:

  • 非线性模型的特征

    1)可以主要使用High Level特征,因为计算复杂度大,所以特征维度不宜太高;

    2)通过High Level非线性映射可以比较好地拟合目标。

  • 线性模型的特征

    1)特征体系要尽可能全面,High Level和Low Level都要有;

    2)可以将High Level转换Low Level,以提升模型的拟合能力。

特征归一化

        特征抽取后,如果不同特征的取值范围相差很大,最好对特征进行归一化,以取得更好的效果,常见的归一化方式如下:

  • Rescaling:

    归一化到[0,1] 或 [-1,1],用类似方式:

  • Standardization:

    为x分布的均值,

    为x分布的标准差;

  • Scaling to unit length:

    归一化到单位长度向量

特征选择

        特征抽取和归一化之后,如果发现特征太多,导致模型无法训练,或很容易导致模型过拟合,则需要对特征进行选择,挑选有价值的特征。

  • Filter:假设特征子集对模型预估的影响互相独立,选择一个特征子集,分析该子集和数据Label的关系,如果存在某种正相关,则认为该特征子集有效。衡量特征子集和数据Label关系的算法有很多,如Chi-square,Information Gain。

  • Wrapper:选择一个特征子集加入原有特征集合,用模型进行训练,比较子集加入前后的效果,如果效果变好,则认为该特征子集有效,否则认为无效。

  • Embedded:将特征选择和模型训练结合起来,如在损失函数中加入L1 Norm ,L2 Norm。

训练模型

        完成特征抽取和处理后,就可以开始模型训练了,下文以简单且常用的Logistic Regression模型(下称LR模型)为例,进行简单介绍。

        设有m个(x,y)训练数据,其中x为特征向量,y为label, ;w为模型中参数向量,即模型训练中需要学习的对象。

        所谓训练模型,就是选定假说函数和损失函数,基于已有训练数据(x,y),不断调整w,使得损失函数最优,相应的w就是最终学习结果,也就得到相应的模型。

模型函数

        1)假说函数,即假设x和y存在一种函数关系:

2)损失函数,基于上述假设函数,构建模型损失函数(优化目标),在LR中通常以(x,y)的最大似然估计为目标:

优化算法

  • 梯度下降(Gradient Descent)

    即w沿着损失函数的负梯度方向进行调整,示意图见下图,

    的梯度即一阶导数(见下式),梯度下降有多种类型,如随机梯度下降或批量梯度下降。

    随机梯度下降(Stochastic Gradient Descent),每一步随机选择一个样本

    ,计算相应的梯度,并完成w的更新,如下式,

    批量梯度下降(Batch Gradient Descent),每一步都计算训练数据中的所有样本对应的梯度,w沿着这个梯度方向迭代,即

  • 牛顿法(Newton’s Method)

    牛顿法的基本思想是在极小点附近通过对目标函数做二阶Taylor展开,进而找到L(w)的极小点的估计值。形象地讲,在w k 处做切线,该切线与L(w)=0的交点即为下一个迭代点w k+1 (示意图如下)。w的更新公式如下,其中目标函数的二阶偏导数,即为大名鼎鼎的Hessian矩阵。

    拟牛顿法(Quasi-Newton Methods):计算目标函数的二阶偏导数,难度较大,更为复杂的是目标函数的Hessian矩阵无法保持正定;不用二阶偏导数而构造出可以近似Hessian矩阵的逆的正定对称阵,从而在"拟牛顿"的条件下优化目标函数。

    BFGS: 使用BFGS公式对H(w)进行近似,内存中需要放H(w),内存需要O(m 2 )级别;

    L-BFGS:存储有限次数(如k次)的更新矩阵

    ,用这些更新矩阵生成新的H(w),内存降至O(m)级别;

    OWLQN: 如果在目标函数中引入L1正则化,需要引入虚梯度来解决目标函数不可导问题,OWLQN就是用来解决这个问题。

  • Coordinate Descent

    对于w,每次迭代,固定其他维度不变,只对其一个维度进行搜索,确定最优下降方向(示意图如下),公式表达如下:

优化模型

经过上文提到的数据筛选和清洗、特征设计和选择、模型训练,就得到了一个模型,但是如果发现效果不好?怎么办?

【首先】

反思目标是否可预估,数据和特征是否存在bug。

【然后】

分析一下模型是Overfitting还是Underfitting,从数据、特征和模型等环节做针对性优化。

Underfitting & Overfitting

所谓Underfitting,即模型没有学到数据内在关系,如下图左一所示,产生分类面不能很好的区分X和O两类数据;产生的深层原因,就是模 型假设空间太小或者模型假设空间偏离。所谓Overfitting,即模型过渡拟合了训练数据的内在关系,如下图右一所示,产生分类面过好地区分X和O两 类数据,而真实分类面可能并不是这样,以至于在非训练数据上表现不好;产生的深层原因,是巨大的模型假设空间与稀疏的数据之间的矛盾。

        在实战中,可以基于模型在训练集和测试集上的表现来确定当前模型到底是Underfitting还是Overfitting,判断方式如下表:

训练集表现测试集表现问题
< 期望目标值 < 期望目标值 Underfitting
> 期望目标值 接近或略逊于训练集 合适
> 期望目标值 远差于训练集 Overfitting

怎么解决Underfitting和Overfitting问题?

问题数据特征模型
Underfitting 清洗数据 1. 增加特征2. 删除噪音特征 1. 调低正则项的惩罚参数
2. 换更“复杂”的模型(如把线性模型换为非线性模型)
3. 多个模型级联或组合
Overfitting 增加数据 1. 进行特征选择
2. 降维(如对特征进行聚类、主题模型进行处理等)
1. 提高正则项的惩罚参数
2. 减少训练迭代次数
3. 换更“简单”的模型(如把非线性模型换为线性模型)

总结

        综上所述,机器学习解决问题涉及到问题建模、准备训练数据、抽取特征、训练模型和优化模型等关键环节,有如下要点:

  1. 理解业务,分解业务目标,规划模型可预估的路线图。
  2. 数据:
    y数据尽可能真实客观;
    训练集/测试集分布与线上应用环境的数据分布尽可能一致。
  3. 特征:
    利用Domain Knowledge进行特征抽取和选择;
    针对不同类型的模型设计不同的特征。
  4. 模型:
    针对不同业务目标、不同数据和特征,选择不同的模型;
    如果模型不符合预期,一定检查一下数据、特征、模型等处理环节是否有bug;
    考虑模型Underfitting和Qverfitting,针对性地优化。




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