03 数学基础 | 窥一斑而知全豹：数理统计

Dec 14, 2017

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03 数学基础 | 窥一斑而知全豹：数理统计

2017-12-14 王天一来自北京

《人工智能基础课》

课程介绍

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讲述：王天一

时长11:12大小5.13M

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在人工智能的研究中，数理统计同样不可或缺。基础的统计理论有助于对机器学习的算法和数据挖掘的结果做出解释，只有做出合理的解读，数据的价值才能够体现。数理统计（mathematical statistics）根据观察或实验得到的数据来研究随机现象，并对研究对象的客观规律做出合理的估计和判断。
虽然数理统计以概率论为理论基础，但两者之间存在方法上的本质区别。概率论作用的前提是随机变量的分布已知，根据已知的分布来分析随机变量的特征与规律；数理统计的研究对象则是未知分布的随机变量，研究方法是对随机变量进行独立重复的观察，根据得到的观察结果对原始分布做出推断。
用一句不严谨但直观的话讲：数理统计可以看成是逆向的概率论。用买彩票打个比方，概率论解决的是根据已知的摇奖规律判断一注号码中奖的可能性，数理统计解决的则是根据之前多次中奖 / 不中奖的号码记录以一定的精确性推测摇奖的规律，虽然这种尝试往往无功而返。
在数理统计中，可用的资源是有限的数据集合，这个有限数据集被称为样本（sample）。相应地，观察对象所有的可能取值被称为总体（population）。数理统计的任务就是根据样本推断总体的数字特征。样本通常由对总体进行多次独立的重复观测而得到，这保证了不同的样本值之间相互独立，并且都与总体具有相同的分布。
在统计推断中，应用的往往不是样本本身，而是被称为统计量的样本的函数。统计量本身是一个随机变量，是用来进行统计推断的工具。样本均值和样本方差是两个最重要的统计量：
样本均值：Xˉ=n1​i=1∑n​Xi​
样本方差：S2=n−11​i=1∑n​(Xi​−Xˉ)2
统计推断的基本问题可以分为两大类：参数估计（estimation theory）和假设检验（hypothesis test）。
参数估计参数估计是通过随机抽取的样本来估计总体分布的方法，又可以进一步划分为点估计（point estimation）和区间估计（interval estimation）。在已知总体分布函数形式，但未知其一个或者多个参数时，借助于总体的一个样本来估计未知参数的取值就是参数的点估计。点估计的核心在于构造合适的统计量 θ^，并用这个统计量的观察值作为未知参数 θ 的近似值。点估计的具体方法包括矩估计法（method of moments）和最大似然估计法（maximum likelihood estimation）。
矩表示的是随机变量的分布特征，k 阶矩的定义为随机变量的 k 次方的均值，即 E(Xk)。矩估计法的思想在于用样本的 k 阶矩估计总体的 k 阶矩，其理论依据在于样本矩的函数几乎处处收敛于总体矩的相应函数，这意味着当样本的容量足够大时，几乎每次都可以根据样本参数得到相应总体参数的近似值。
相对于基于大数定律的矩估计法，最大似然估计法源于频率学派看待概率的方式。对最大似然估计的直观理解是：既然抽样得到的是已有的样本值，就可以认为取到这一组样本值的概率较大，因而在估计参数 θ 的时候就需要让已有样本值出现的可能性最大。
在最大似然估计中，似然函数被定义为样本观测值出现的概率，确定未知参数的准则是让似然函数的取值最大化，也就是微积分中求解函数最大值的问题。由于不同的样本值之间相互独立，因而似然函数可以写成若干概率质量函数 / 概率密度函数相乘的形式，并进一步转化为对数方程求解。
矩估计法和最大似然估计法代表了两种推断总体参数的思路，但对于同一个参数，用不同的估计方法求出的估计量很可能存在差异，这就引出了如何对估计量进行评价的问题。在实际应用中，估计量的评价通常要考虑以下三个基本标准。
无偏性：估计量的数学期望等于未知参数的真实值；
有效性：无偏估计量的方差尽可能小；
一致性：当样本容量趋近于无穷时，估计量依概率收敛于未知参数的真实值。
以上三个要求构成了对点估计量的整体判定标准。无偏性意味着给定样本值时，根据估计量得到的估计值可能比真实值更大，也可能更小。但如果保持估计量的构造不变，而是进行多次重新抽样，每次都用新的样本计算估计值，那么这些估计值与未知参数真实值的偏差在平均意义上等于 0，这意味着不存在系统误差。
虽然估计值与真实值之间的偏差不可避免，但个体意义上的偏差越小意味着估计的性能越精确，有效性度量的正是估计量和真实值之间的偏离程度。而偏离程度不仅仅取决于估计量的构造方式，还取决于样本容量的大小，一致性考虑的就是样本容量的影响。一致性表示的是随着样本容量的增大，估计量的值将稳定在未知参数的真实值上。不具备一致性的估计量永远无法将未知参数估计得足够精确，因而是不可取的。
对估计量的判别标准涉及了估计误差的影响，这是和估计值同样重要的参量。在估计未知参数 θ 的过程中，除了求出估计量，还需要估计出一个区间，并且确定这个区间包含 θ 真实值的可信程度。在数理统计中，这个区间被称为置信区间（confidence interval），这种估计方式则被称为区间估计。
置信区间可以用如下的方式直观解释：对总体反复抽样多次，每次得到容量相同的样本，则根据每一组样本值都可以确定出一个置信区间 (θ​,θ)，其上界和下界是样本的两个统计量，分别代表了置信上限和置信下限。
每个置信区间都存在两种可能性：包含 θ 的真实值或不包含 θ 的真实值。如果对所有置信区间中包含 θ 真实值的比率进行统计，得到的比值就是置信水平。因此，区间估计相当于在点估计的基础上进一步提供了取值范围和误差界限，分别对应着置信区间和置信水平。
假设检验参数估计的对象是总体的某个参数，假设检验的对象则是关于总体的某个论断，即关于总体的假设。假设检验中的假设包含原假设 H0​ 和备择假设 H1​；检验的过程就是根据样本在 H0​ 和 H1​ 之间选择一个接受的过程。
理想的情况是假设 H0​(H1​) 为真并且这个假设被接受。但由于检验是基于样本做出的，错误的决策终归会出现，其形式可以分为两种：第 I 类错误对应假设 H0​ 为真但是被拒绝的情况，也就是“弃真”类型的错误；第 II 类错误对应假设 H0​ 不真但是被接受的情况，也就是“取伪”类型的错误。
假设检验的思维方式建立在全称命题只能被证伪不能被证实的基础上。要证明原假设 H0​ 为真，更容易的方法是证明备择假设 H1​ 为假，因为只要能够举出一个反例就够了。但在假设检验中，反例并非绝对意义上对假设的违背，而是以小概率事件的形式出现。
在数理统计中，发生概率小于 1% 的事件被称作小概率事件，在单次实验中被认为是不可能发生的。如果在一次观测得到的样本中出现了小概率事件，那么就有理由认为这不是真正意义上的小概率事件，原始的假设也就此被推翻。如果是备择假设被推翻，就意味着接受原假设；反之，如果是原假设被推翻，则意味着拒绝原假设。
从数理统计的角度看，监督学习算法的任务就是在假设空间中搜索能够针对特定问题做出良好预测的假设。学习器通过对测试数据集的学习得到具有普适性的模型，这个模型适用于不属于测试集的新样本的能力被称为泛化能力。显然，泛化能力越强，学习器就越好。
假设检验的作用就在于根据学习器在测试集上的性能推断其泛化能力的强弱，并确定所得结论的精确程度，可以进一步推广为比较不同学习器的性能。由于度量学习器性能的常用指标是错误率，假设检验中的假设就是对学习器的泛化错误率的推断，推断的依据就是在测试数据集上的测试错误率。具体的检验方式有很多种，在此不做赘述。
除了推断之外，对泛化性能的解释也是机器学习算法分析的重要内容。泛化误差的构成可以分为三部分：偏差（bias）、方差（variance）和噪声（noise）。
偏差表示算法预测值和真实结果之间的偏离程度，刻画的是模型的欠拟合特性；方差表示数据的扰动对预测性能的影响，刻画的是模型的过拟合特性；噪声表示在当前学习任务上能够达到的最小泛化误差，刻画的是任务本身的难度。对任何实际的模型来说，偏差和方差都难以实现同时优化，反映出欠拟合与过拟合之间难以调和的矛盾。
今天我和你分享了人工智能必备的数理统计基础，着重于抽象概念的解释而非具体的数学公式，其要点如下：
数理统计的任务是根据可观察的样本反过来推断总体的性质；
推断的工具是统计量，统计量是样本的函数，是个随机变量；
参数估计通过随机抽取的样本来估计总体分布的未知参数，包括点估计和区间估计；
假设检验通过随机抽取的样本来接受或拒绝关于总体的某个判断，常用于估计机器学习模型的泛化错误率。
既然机器学习和数理统计关注的都是利用数据提取信息或者规律，机器学习中的很多算法也依赖于数理统计作为基础，那么如何看待两者之间的区别和联系呢？
欢迎发表你的观点。

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精选留言(29)

MJ小朋友
2017-12-18
对我们大二学的概率论与数理统计这本书的总结
24
小太白
2018-02-07
有点疑惑，数理统计和贝叶斯方法中的后验概率计算之间有何区别和联系? 谢谢！
作者回复: 思路是类似的，但数理统计是从有限的数据出发进行推测，因此除了给出待估计的参数的取值之外，还要计算出取值的可信程度，就像一个从不把话说死的人。
10
宋不肥
2019-05-21
研一快结束了，修完了矩阵论，数理统计，最优化和数值分析，重新来听了一遍，感觉讲了很不错，讲的很精炼，但感觉对真正完全的初学者不是很友好。。。比如上学期刚开学的我。。。
作者回复: 有点基础能更快地进入节奏
共 2 条评论
6
吴文敏
2018-01-09
范化误差的三部分中，我知道偏差和方差是和模型相关的，我们可以通过调整假设改变模型进而trade-off两者。噪音是和模型无关的吗？也就是说噪音表示当前学习任务的理论瓶颈？
作者回复: 关于噪声可以这么理解，因为再好的模型也不会降低问题的难度。梯子可以让你爬得更好，却没法把墙变矮。
5
Sdylan
2018-01-16
【数理统计与AI】数理统计是理论基础，AI是其一个应用场景，数理统计此基础科学的发展，也会促进AI的发展，反之亦然。
4
听天由己
2017-12-28
继续补课中，数理统计更要花功夫了。我想了想，今天的思考题答案如下：两者的相同点在于，它们都是着眼于从数据中学习，探讨如何从数据中提取人们需要的信息或规律，如何辅助人类决策或者分析。两者的不同点在于，它们分析的方式可能不尽相同，机器学习强调最终的精确程度，也就是老师所说的性能优化，而且并不需要对有关变量之间的潜在关系提出先验假设，只是需要更多维度的数据来增加分析，数理统计中关心推导方式，还要了解估量值和数据特征，那三个标准就是我们研究所必须了解的内容，否则会容易造成偏差。
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4
多动脑少废话
2017-12-24
这篇文章可以当成数理统计的大纲，深入学习还是要看数理统计的教材
4
杨家荣
2019-12-19
打卡第一天(1/21): <<人工智能基础课03>> 机器学习本质上是一种算法，这种算法由数据分析习得，而且不依赖于规则导向的程序设计；统计建模则是以数据为基础，利用数学方程式来探究变量变化规律的一套规范化流程。机器学习和数理统计的确具有相同的目标：从数据中学习, 他们的核心都是探讨如何从数据中提取人们需要的信息或规律; 不同点: 1,机器学习更多地强调优化和性能，而统计学则更注重推导。 2,机器学习是数据越多，预测通常就越准确,是黑盒; 相比较数理统计:则必须了解数据的收集方式，估计量（包括p值和无偏估计）的统计特征，被研究人群的潜在分布规律，以及多次试验的期望参数的类型。研究人员需要非常清楚自己在做什么，并提出具有预测能力的参数。而且统计建模通常用于较低维度的数据集; 总的来说，我们可以认为机器学习和统计建模是预测建模领域的两个不同分支。这两者之间的差距在过去的 10 年中正在不断缩小，而且它们之间存在许多相互学习和借鉴的地方。未来，它们之间的联系将会更加紧密。今天学到了: 数理统计与概率论的不同是在于:概率论在找下一个点,数理统计是局部推整体数理统计相关名词:数理统计,概率论,样本均值,样本方差,点估计(矩估计,最大似然估计法[无偏性,有效性,一致性]),区间估计,置信区间,泛化误差(偏差,方差,噪声)
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作者回复: 打卡效果max！
4
上善若水
2019-10-30
人工智能只能在样本限定范围内来做推演
作者回复: 人类自己的思维方式也是这样，从有限到无限，从特殊到一般
2
hockidoggy
2017-12-28
我觉得数理统计更偏向于从理论角度研究方法论，进而探讨如何应用。而机器学习是基于一类场景，从解决问题的角度出发来寻找适合的方法，是数理统计在具体应用层面的一个分支。
作者回复: 可以这么理解，机器学习的各种算法是数理统计思想的载体。
2
斌
2017-12-27
是不是要先学微积分和线性代数，然后学概率论和数理统计，最后再学统计学，才算有了初步的基础。
共 1 条评论
2
黄俊萌
2021-04-22
感觉可以简述下p值、Z、F检验，不过确实只是基础课可能不用那么细
1
IT.ThinkMan
2021-03-29
感觉对初学者不是很友好，看不太懂，我这还是大厂高级数据专家，大学的东西都还给老师了，泪目...有实际案例配合的话就好多了
1
斜阳宰
2021-02-03
我发现AI,是所有技术里面最需要数学理论的，我没学过微积分和线性代数，这门课学不了！！
1
Geek_7389a6
2020-03-30
原来，研究生学习的线性代数、概率论在实际中是这么产生和应用的，之前真是知其然而不知其所以然
1
上善若水
2019-10-30
股市不能预测，因为导致概率变化的条件不能穷尽，而且那种条件有时很难作为独立事件
作者回复: 是的，要预测股市需要把所有人的行为，以及他们之间的互相影响都进行建模，这种微观预测是实现不了的。
2
Hanan
2019-07-13
模型的偏差越大就越欠拟合，也就是训练误差越大；方差越大就是越过拟合，也就是测试误差越大。请问可以这样理解吗？
作者回复: 可以这么理解，但欠拟合的测试误差也会很大，所以两个都是要避免的情况。
1
Geek_jianghao
2019-06-22
为什么学习器不是通过对训练数据学习到具有普适性的模型呢？
作者回复: 是的，就是训练集，犯了个低级错误。
1
进击的mosquito
2019-04-05
数理统计是机器学习中使用方法之一，是机器学习的工具。
1
Bellaxy
2018-11-07
全是干货。细节还要自己去看。
1

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