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机器学习——自监督学习与无监督学习

news 2025/6/26 21:21:25

``# 机器学习中的自监督学习与无监督学习

在机器学习的世界中，监督学习、无监督学习和自监督学习都是重要的学习方法。本文将聚焦于自监督学习与无监督学习，探讨它们的原理、应用场景以及技术细节，并通过大量代码示例来揭示这些方法的内在工作机制。本文旨在提供一个深入的、全面的指南，以帮助你理解这些技术的核心理念和应用。

引言

随着深度学习技术的广泛应用，数据的标注成本日益成为机器学习发展的瓶颈之一。无监督学习和自监督学习因此逐渐成为解决这一问题的重要工具。无监督学习主要关注从未标注数据中学习，而自监督学习则试图通过设计辅助任务来利用大量未标注数据，从而提高模型在下游任务中的表现。

在接下来的章节中，我们将深入讨论无监督学习和自监督学习的区别和联系，并且会通过代码实现来展示它们在真实场景中的应用。

无监督学习

无监督学习是一种让模型从未标注数据中提取有用信息的技术。它的主要目标是找出数据的潜在结构。常见的无监督学习算法包括聚类（如 K-Means）、降维（如 PCA）、密度估计等。

聚类分析：K-Means

聚类是无监督学习中的重要任务之一，用于将数据划分为多个簇。K-Means 是最经典的聚类算法之一。我们先通过 Python 实现一个简单的 K-Means 算法。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.datasets import make_blobs# 生成模拟数据
X, y = make_blobs(n_samples=300, centers=4, random_state=42)# 定义 K-Means 算法
def k_means(X, k, max_iters=100):# 随机初始化质心np.random.seed(42)centroids = X[np.random.choice(X.shape[0], k, replace=False)]for _ in range(max_iters):# 计算每个点到质心的距离distances = np.linalg.norm(X[:, np.newaxis] - centroids, axis=2)# 为每个点分配最接近的质心labels = np.argmin(distances, axis=1)# 更新质心位置new_centroids = np.array([X[labels == j].mean(axis=0) for j in range(k)])# 如果质心没有变化，则结束迭代if np.all(centroids == new_centroids):breakcentroids = new_centroidsreturn centroids, labels# 应用 K-Means 算法
centroids, labels = k_means(X, k=4)# 可视化结果
plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c=labels, cmap='viridis')
plt.scatter(centroids[:, 0], centroids[:, 1], s=300, c='red', marker='x')
plt.title('K-Means Clustering')
plt.show()

在上面的代码中，我们实现了 K-Means 算法，它通过迭代来最小化簇内样本的距离。这个过程一直进行，直到质心的位置不再变化为止。

降维：PCA

主成分分析（PCA）是一种用于数据降维的无监督学习技术，它通过找出数据中的主成分来降低数据的维度。

以下是 PCA 的一个实现示例：

from sklearn.decomposition import PCA# 生成高维模拟数据
np.random.seed(42)
X_high_dim = np.random.rand(100, 50)# 使用 PCA 将数据降到二维
pca = PCA(n_components=2)
X_reduced = pca.fit_transform(X_high_dim)# 可视化降维后的数据
plt.scatter(X_reduced[:, 0], X_reduced[:, 1])
plt.title('PCA Dimensionality Reduction')
plt.xlabel('Principal Component 1')
plt.ylabel('Principal Component 2')
plt.show()

PCA 的目标是通过线性变换将原始数据映射到低维空间中，从而保留数据的主要信息。

自监督学习

自监督学习是一种介于监督学习和无监督学习之间的学习方法，模型通过生成和解决预定义的辅助任务来从数据中学习特征。自监督学习的优势在于它利用了未标注的数据，通过设计辅助任务来产生伪标签，从而提升模型的性能。

自监督学习的核心思想

自监督学习的基本思想是通过构建辅助任务，模型在完成这些任务时学会有用的特征，这些特征可以用于下游任务。典型的辅助任务包括：

图像块排序：将一张图像分割为多个块，随机打乱顺序，然后让模型恢复原始顺序。
图像旋转预测：随机旋转图像，让模型预测旋转的角度。

接下来我们通过代码实现一个自监督学习的例子：图像块恢复任务。

图像块恢复任务

在这个任务中，我们将一张图像分割为若干块，随机打乱顺序，然后训练一个卷积神经网络来恢复这些块的正确顺序。

import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import layers, models
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt# 加载 CIFAR-10 数据集
(X_train, _), (_, _) = tf.keras.datasets.cifar10.load_data()# 选择一张图像并将其分割为 3x3 的块
image = X_train[0]
image_height, image_width, _ = image.shape
block_size = image_height // 3
blocks = [image[i * block_size:(i + 1) * block_size, j * block_size:(j + 1) * block_size]for i in range(3) for j in range(3)
]# 打乱这些块
np.random.shuffle(blocks)# 构建 CNN 模型
model = models.Sequential([layers.Input(shape=(block_size, block_size, 3)),layers.Conv2D(32, (3, 3), activation='relu'),layers.MaxPooling2D((2, 2)),layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'),layers.Flatten(),layers.Dense(128, activation='relu'),layers.Dense(9, activation='softmax')
])# 模型编译
model.compile(optimizer='adam', loss='sparse_categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])# 打印模型结构
model.summary()