深入浅出Python机器学习 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

机器学习正在迅速改变我们的世界。我们几乎每天都会读到机器学习如何改变日常的生活。如果你在淘宝或者*这样的电子商务网站购买商品，或者在爱奇艺或是腾讯视频这样的视频网站观看节目，甚至只是进行一次百度搜索，就已经触碰到了机器学习的应用。使用这些服务的用户会产生数据，这些数据会被收集，在进行预处理之后用来训练模型，而模型会通过这些数据来提供更好的用户体验。此外，目前还有很多使用机器学习技术的产品或服务即将在我们的生活当中普及，如能够解放双手的无人驾驶汽车、聪明伶俐的智能家居产品、善解人意的导购机器人等。可以说要想深入机器学习的应用开发当中，现在就是一个非常理想的时机。 本书内容涵盖了有监督学习、无监督学习、模型优化、自然语言处理等机器学习领域所必须掌握的知识，从内容结构上非常注重知识的实用性和可操作性。全书采用由浅入深、循序渐进的讲授方式，完全遵循和尊重初学者对机器学习知识的认知规律。本书适合有一定程序设计语言和算法基础的读者学习使用。

目 录

第1章 概 述

1.1 什么是机器学习——从一个小故事开始 / 002

1.2 机器学习的一些应用场景——蝙蝠公司的业务单元 / 003

1.3 机器学习应该如何入门——世上无难事 / 005

1.4 有监督学习与无监督学习 / 007

1.5 机器学习中的分类与回归 / 008

1.6 模型的泛化、过拟合与欠拟合 / 008

1.7 小结 / 009

第2章 基于Python语言的环境配置

2.1 Python的下载和安装 / 012

2.2 Jupyter Notebook的安装与使用方法 / 013

2.2.1 使用pip进行Jupyter Notebook的下载和安装 / 013

2.2.2 运行Jupyter Notebook / 014

2.2.3 Jupyter Notebook的使用方法 / 015

2.3 一些必需库的安装及功能简介 / 017

2.3.1 Numpy——基础科学计算库 / 017

2.3.2 Scipy——强大的科学计算工具集 / 018

2.3.3 pandas——数据分析的利器 / 019

2.3.4 matplotlib——画出优美的图形 / 020

深入浅出Python 机器学习

VIII

2.4 scikit-learn——非常流行的Python机器学习库 / 021

2.5 小结 / 022

第3章 K近邻算法——近朱者赤，近墨者黑

3.1 K近邻算法的原理 / 024

3.2 K近邻算法的用法 / 025

3.2.1 K近邻算法在分类任务中的应用 / 025

3.2.2 K近邻算法处理多元分类任务 / 029

3.2.3 K近邻算法用于回归分析 / 031

3.3 K近邻算法项目实战——酒的分类 / 034

3.3.1 对数据集进行分析 / 034

3.3.2 生成训练数据集和测试数据集 / 036

3.3.3 使用K近邻算法进行建模 / 038

3.3.4 使用模型对新样本的分类进行预测 / 039

3.4 小结 / 041

第4章 广义线性模型——“耿直”的算法模型

4.1 线性模型的基本概念 / 044

4.1.1 线性模型的一般公式 / 044

4.1.2 线性模型的图形表示 / 045

4.1.3 线性模型的特点 / 049

4.2 基本的线性模型——线性回归 / 050

4.2.1 线性回归的基本原理 / 050

4.2.2 线性回归的性能表现 / 051

4.3 使用L2正则化的线性模型——岭回归 / 053

4.3.1 岭回归的原理 / 053

4.3.2 岭回归的参数调节 / 054

4.4 使用L1正则化的线性模型——套索回归 / 058

4.4.1 套索回归的原理 / 058

4.4.2 套索回归的参数调节 / 059

4.4.3 套索回归与岭回归的对比 / 060

目

录

IX

4.5 小结 / 062

第5章 朴素贝叶斯——打雷啦，收衣服啊

5.1 朴素贝叶斯基本概念 / 064

5.1.1 贝叶斯定理 / 064

5.1.2 朴素贝叶斯的简单应用 / 064

5.2 朴素贝叶斯算法的不同方法 / 068

5.2.1 贝努利朴素贝叶斯 / 068

5.2.2 高斯朴素贝叶斯 / 071

5.2.3 多项式朴素贝叶斯 / 072

5.3 朴素贝叶斯实战——判断肿瘤是良性还是恶性 / 075

5.3.1 对数据集进行分析 / 076

5.3.2 使用高斯朴素贝叶斯进行建模 / 077

5.3.3 高斯朴素贝叶斯的学习曲线 / 078

5.4 小结 / 080

第6章 决策树与随机森林——会玩读心术的算法

6.1 决策树 / 082

6.1.1 决策树基本原理 / 082

6.1.2 决策树的构建 / 082

6.1.3 决策树的优势和不足 / 088

6.2 随机森林 / 088

6.2.1 随机森林的基本概念 / 089

6.2.2 随机森林的构建 / 089

6.2.3 随机森林的优势和不足 / 092

6.3 随机森林实例——要不要和相亲对象进一步发展 / 093

6.3.1 数据集的准备 / 093

6.3.2 用get_dummies处理数据 / 094

6.3.3 用决策树建模并做出预测 / 096

6.4 小结 / 098

第7章 支持向量机SVM——专治线性不可分

7.1 支持向量机SVM基本概念 / 100

7.1.1 支持向量机SVM的原理 / 100

7.1.2 支持向量机SVM的核函数 / 102

7.2 SVM的核函数与参数选择 / 104

7.2.1 不同核函数的SVM对比 / 104

7.2.2 支持向量机的gamma参数调节 / 106

7.2.3 SVM算法的优势与不足 / 108

7.3 SVM实例——波士顿房价回归分析 / 108

7.3.1 初步了解数据集 / 109

7.3.2 使用SVR进行建模 / 110

7.4 小结 / 114

第8章 神经网络——曾入“冷宫”，如今得宠

8.1 神经网络的前世今生 / 116

8.1.1 神经网络的起源 / 116

8.1.2 个感知器学习法则 / 116

8.1.3 神经网络之父——杰弗瑞·欣顿 / 117

8.2 神经网络的原理及使用 / 118

8.2.1 神经网络的原理 / 118

8.2.2 神经网络中的非线性矫正 / 119

8.2.3 神经网络的参数设置 / 121

8.3 神经网络实例——手写识别 / 127

8.3.1 使用MNIST数据集 / 128

8.3.2 训练MLP神经网络 / 129

8.3.3 使用模型进行数字识别 / 130

8.4 小结 / 131

第9章 数据预处理、降维、特征提取及聚类——快

刀斩乱麻

9.1 数据预处理 / 134

9.1.1 使用StandardScaler进行数据预处理 / 134

9.1.2 使用MinMaxScaler进行数据预处理 / 135

9.1.3 使用RobustScaler进行数据预处理 / 136

9.1.4 使用Normalizer进行数据预处理 / 137

9.1.5 通过数据预处理提高模型准确率 / 138

9.2 数据降维 / 140

9.2.1 PCA主成分分析原理 / 140

9.2.2 对数据降维以便于进行可视化 / 142

9.2.3 原始特征与PCA主成分之间的关系 / 143

9.3 特征提取 / 144

9.3.1 PCA主成分分析法用于特征提取 / 145

9.3.2 非负矩阵分解用于特征提取 / 148

9.4 聚类算法 / 149

9.4.1 K均值聚类算法 / 150

9.4.2 凝聚聚类算法 / 153

9.4.3 DBSCAN算法 / 154

9.5 小结 / 157

第10章 数据表达与特征工程——锦上再添花

10.1 数据表达 / 160

10.1.1 使用哑变量转化类型特征 / 160

10.1.2 对数据进行装箱处理 / 162

10.2 数据“升维” / 166

10.2.1 向数据集添加交互式特征 / 166

10.2.2 向数据集添加多项式特征 / 170

10.3 自动特征选择 / 173

10.3.1 使用单一变量法进行特征选择 / 173

10.3.2 基于模型的特征选择 / 178

10.3.3 迭代式特征选择 / 180

10.4 小结 / 182

第11章 模型评估与优化——只有更好，没有好

11.1 使用交叉验证进行模型评估 / 184

11.1.1 scikit-learn中的交叉验证法 / 184

11.1.2 随机拆分和“挨个儿试试” / 186

11.1.3 为什么要使用交叉验证法 / 188

11.2 使用网格搜索优化模型参数 / 188

11.2.1 简单网格搜索 / 189

11.2.2 与交叉验证结合的网格搜索 / 191

11.3 分类模型的可信度评估 / 193

11.3.1 分类模型中的预测准确率 / 194

11.3.2 分类模型中的决定系数 / 197

11.4 小结 / 198

第12章 建立算法的管道模型——团结就是力量

12.1 管道模型的概念及用法 / 202

12.1.1 管道模型的基本概念 / 202

12.1.2 使用管道模型进行网格搜索 / 206

12.2 使用管道模型对股票涨幅进行回归分析 / 209

12.2.1 数据集准备 / 209

12.2.2 建立包含预处理和MLP模型的管道模型 / 213

12.2.3 向管道模型添加特征选择步骤 / 214

12.3 使用管道模型进行模型选择和参数调优 / 216

12.3.1 使用管道模型进行模型选择 / 216

12.3.2 使用管道模型寻找更优参数 / 217

12.4 小结 / 220

第13章 文本数据处理——亲，见字如“数”

13.1 文本数据的特征提取、中文分词及词袋模型 / 222

13.1.1 使用CountVectorizer对文本进行特征提取 / 222

13.1.2 使用分词工具对中文文本进行分词 / 223

13.1.3 使用词袋模型将文本数据转为数组 / 224

13.2 对文本数据进一步进行优化处理 / 226

13.2.1 使用n-Gram改善词袋模型 / 226

13.2.2 使用tf-idf模型对文本数据进行处理 / 228

13.2.3 删除文本中的停用词 / 234

13.3 小结 / 236

第14章 从数据获取到话题提取——从“研究员”

到“段子手”

14.1 简单页面的爬取 / 238

14.1.1 准备Requests库和User Agent / 238

14.1.2 确定一个目标网站并分析其结构 / 240

14.1.3 进行爬取并保存为本地文件 / 241

14.2 稍微复杂一点的爬取 / 244

14.2.1 确定目标页面并进行分析 / 245

14.2.2 Python中的正则表达式 / 247

14.2.3 使用BeautifulSoup进行HTML解析 / 251

14.2.4 对目标页面进行爬取并保存到本地 / 256

14.3 对文本数据进行话题提取 / 258

14.3.1 寻找目标网站并分析结构 / 259

14.3.2 编写爬虫进行内容爬取 / 261

14.3.3 使用潜在狄利克雷分布进行话题提取 / 263

14.4 小结 / 265

第15章 人才需求现状与未来学习方向——你是不

是下一个“大牛”

15.1 人才需求现状 / 268

15.1.1 全球AI从业者达190万，人才需求3年翻8倍 / 268

15.1.2 AI人才需求集中于一线城市，七成从业者月薪过万 / 269

15.1.3 人才困境仍难缓解，政策支援亟不可待 / 269

15.2 未来学习方向 / 270

15.2.1 用于大数据分析的计算引擎 / 270

15.2.2 深度学习开源框架 / 271

15.2.3 使用概率模型进行推理 / 272

15.3 技能磨炼与实际应用 / 272

15.3.1 Kaggle算法大赛平台和OpenML平台 / 272

15.3.2 在工业级场景中的应用 / 273

15.3.3 对算法模型进行A/B测试 / 273

15.4 小结 / 274

参考文献 / 275

段小手，君兮科技创始人，毕业于北京大学。具有10余年国内一线互联网/电子商务公司项目管理经验。其负责的跨境电子商务项目曾获得“国家发改委电子商务示范项目”“中关村现代服务业试点项目”“北京市信息化基础设施提升项目”“北京市外贸综合公共平台”等专项政策支持。目前重点研究领域为机器学习和深度学习等方面。 

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深入浅出Python机器学习

段小手 著

内 容 简 介

机器学习正在迅速改变我们的世界。我们几乎每天都会读到机器学习如何改变日常的生活。如果你在淘宝或者这样的电子商务网站购买商品，或者在爱奇艺或是腾讯视频这样的视频网站观看节目，甚至只是进行一次百度搜索，就已经触碰到了机器学习的应用。使用这些服务的用户会产生数据，这些数据会被收集，在进行预处理之后用来训练模型，而模型会通过这些数据来提供更好的用户体验。此外，目前还有很多使用机器学习技术的产品或服务即将在我们的生活当中普及，如能够解放双手的无人驾驶汽车、聪明伶俐的智能家居产品、善解人意的导购机器人等。可以说要想深入机器学习的应用开发当中，现在就是一个非常理想的时机。

本书内容涵盖了有监督学习、无监督学习、模型优化、自然语言处理等机器学习领域所必须掌握的知识，从内容结构上非常注重知识的实用性和可操作性。全书采用由浅入深、循序渐进的讲授方式，完全遵循和尊重初学者对机器学习知识的认知规律。本书适合有一定程序设计语言和算法基础的读者学习使用。

本书封面贴有清华大学出版社防伪标签，无标签者不得销售。

版权所有，侵权必究。侵权举报电话：010-62782989 13701121933 

图书在版编目(CIP)数据

深入浅出Python机器学习 / 段小手著. — 北京：清华大学出版社，2018

ISBN 978-7-302-50323-1

Ⅰ. ①深… Ⅱ. ①段… Ⅲ. ①软件工具 程序设计 Ⅳ. ①TP311.561

中国版本图书馆CIP数据核字（2018）第114982号

责任编辑：刘 洋

封面设计：李召霞

版式设计：方加青

责任校对：宋玉莲

责任印制：沈 露

出版发行：清华大学出版社

 网　　址：http://www.tup.com.cn，http://www.wqbook.com 

 地　　址：北京清华大学学研大厦A座 邮　　编：100084

 社 总 机：010-62770175 邮　　购：010-62786544

 投稿与读者服务：010-62776969，c-service@tup.tsinghua.edu.cn

 质　量　反　馈：010-62772015，zhiliang@tup.tsinghua.edu.cn

印 装 者：三河市金元印装有限公司

经　　销：全国新华书店

开　　本：187mm×235mm 印　　张：18.25 字　　数：343千字

版　　次：2018年8月第1版 　 印　　次：2018年8月第1次印刷

定　　价：69.00元

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产品编号：079842-01

前 言

计算机是由程序驱动的，人工智能（AI）不过是一些特殊的算法。只要你有一些程序设计语言的基础，跟随本书，你也能进入人工智能的世界，成为一个AI应用的开发者。

人工智能，火了

仿佛就在一夜之间，人工智能火了，一跃成为IT业内受关注的热点话题。如果读者关注互联网圈子的话，应该会听说在2017年12月乌镇举办的第四届互联网大会上，一众互联网大咖张口闭口都在谈人工智能，使得AI成了毫无疑问的风口。

例如，网易公司的CEO丁磊就表示，人工智能会成为每一个行业的标配。他认为，任何一个行业都可以用到人工智能，并且建议每个企业的领导者都不要忽略人工智能对自己所在领域的影响。

苹果公司的CEO蒂姆·库克也谈到人工智能可以让世界变得更美好。同时，他表示并不担心机器会像人一样思考，但强调必须为技术注入人性，赋予技术应有的价值。

把“All in AI”作为口号的百度，其CEO李彦宏更是极为推崇人工智能。他的观点是，人工智能不可能超越人类的能力，但是随着它的能力逐步逼近人类，就会开始一个行业一个行业地去颠覆了。

还有一位不能不提的人，就是阿里巴巴集团董事局主席马云。在他的演讲中提到，与其担心人工智能会带走很多就业机会，不如拥抱技术，解决新的问题。人工智能只会让人的工作更有价值，更有尊严。

当然，小米的CEO雷军更是不忘在大会上直接做了个硬广告。他告诉与会嘉宾，小米正在拥抱人工智能，在2018年小米手机将深度利用AI技术。

深入浅出Python 机器学习

II

此外，大名鼎鼎的斯坦福大学计算机系教授、Coursera创始人吴恩达，更是人工智能的坚定拥护者。他直言未来政府和企业会在人工智能领域扮演着越来越重要的角色，监管得力才能使AI发展得更好，企业领导者更应该将AI技术融入企业文化中，创造一个AI支持下的未来。

国内的学者也高度重视AI的发展，中国工程院院士倪光南老先生强调，AI是未来非常重要的一个发展方向，会产生什么我们很难预料，但一定会产生重大的影响；同时他指出，未来人和机器应该和谐相处，我们可以把重复性的劳动交给人工智能，人类去做更多有创造力的工作。

诸如此类，我们这里不一一列举了，但从上述这些大咖们的言论之中，人工智能的火爆程度，已然是可见一斑了。

置身事外，还是投身其中

既然各路大咖都如此看好人工智能的前景，那么我们应该怎样面对这一波浪潮呢？

前不久，我们的朋友圈几乎被同一种情绪刷屏，那就是对人工智能即将取代人类的强烈担忧。各路自媒体不惜笔墨地渲染人工智能将逐步蚕食人类的就业机会，并且终取代人类统治世界，以此来博得大众的眼球，吸引粉丝的关注。

对于此，笔者的观点是：这简直是“咸吃萝卜淡操心”！这种通过夸大其词误导大众换取关注的方法是不可取的。纵观人类历史，发生过三次大的工业革命，而在这三次革命当中，确实发生过短暂的对于人类就业的冲击。但是人类自起源以来，依靠强大的适应能力一直存活到今天，并没有被任何机器或者别的物种所取代。相反地，我们的生活质量还在不断提高，享受着新兴技术给我们带来的高效与便捷。

不过，尽管我们不必担心新的技术取代人类，但还是要面对一个现实，那就是每次大的技术革命带来的阶层转换与固化。比如距离我们近的这一次信息技术蓬勃发展，制造了一大批富豪，如微软的比尔·盖茨、亚马逊的贝索斯，国内的李彦宏、马云、马化腾、张朝阳、丁磊等。

如果说，在上一次互联网带来巨大机遇的时候，咱们年龄还小——有可能还在上中学甚至小学，没能抓住这一波浪潮，那么这一波AI带来的机会就真的是“生逢其时”，估计本书的读者朋友年龄段会相对集中在“80后”“90后”这一代，正是青春好年华，体力和脑力都处在一个非常出色的阶段，可以说是完美地“遭遇”了这一千载难逢的好时机。

前 言

III

笔者一直认为，评价一门技术是否值得我们投入时间和精力去认真钻研，一个重要的标准就是它是否能及时地让我们的生活质量得到巨大的提升。更具体一点说，或许它可以让我们“富可敌国”，或许让我们“权倾朝野”，亦或许让我们“转角遇到爱”，总之是要解决具体的问题。当然有些读者朋友会觉得笔者有点过于“实用主义”，但人生苦短，成功需趁早。

前途光明，马上开始

自从2017年下半年开始，笔者强烈感觉到，各大互联网公司在疯狂地抢夺人工智能领域的人才，随手打开微信朋友圈都能看到众多猎头好友在发布人工智能工程师、机器学习工程师、算法工程师等职位，而且一挂就是很久，说明这些职位相当难招。这也导致这些职位的薪酬是水涨船高，随便打开一个招聘网站，搜索一下相关的岗位关键词，你都会发现类似的岗位招聘人数很多，薪酬也都很令人咂舌。

例如，我们打开猎聘，在职位搜索中输入“机器学习”这个关键词，会得到10 000 个结果，我们随便挑一些来看一下，如图0-1所示。

图0-1 “机器学习”搜索结果

从图0-1中我们可以看到，和机器学习相关的职位，即便没有经验的要求，年薪也达到了24万~48万，而一个2年以上工作经验的算法工程师，薪酬更是达到了36万~72万，称得上是“钱途光明”。

看到这里，读者朋友可能已经跃跃欲试，希望能够尽快投身到人工智能的领域当中，但是如何迈出步呢？

要知道，人工智能是一个非常宽广的领域，它涵盖图像识别、自然语言处理、语音识别、数据挖掘等，究竟哪个方向的前景是好的呢？

对于这个问题，笔者是这样考虑的：现在并不需要过分纠结未来深入研究的领域，现阶段应该做的是开始打基础，进行入门知识的学习。在上述若干个领域中，不论应用的场景有多么大的区别，其背后的原理无外乎是使用机器学习算法对数据进行学习，并且得到分类、回归、聚类的结果，因此笔者强烈建议读者朋友从“机器学习”着手，然后向“深度学习”进发，再结合实际工作需求选择一个具体的应用方向进行深入的研究。

本书内容及体系结构

为了让读者的学习过程相对比较轻松愉快，本书写作力求语言生动，并且以实例来进行讲解。

本书第1章先用小C追求女神的故事阐述了什么是机器学习，然后用蝙蝠公司的业务单元展示了机器学习的应用场景，力图让读者对机器学习产生兴趣，并且参考本章给出的建议开始学习。

本章后面的内容会阐述机器学习的基本概念，包括有监督学习和无监督学习、分类与回归的基本概念、模型的泛化，以及什么是过拟合，什么是欠拟合。

本书第2章将会详细地指导读者配置机器学习的环境，这一章中读者将能够掌握Python的下载和安装，以及相关工具的安装和使用方法。

本书第3章~第8章将详细介绍机器学习中常见的一些算法，在这些章节中读者将会掌握常见算法的原理和使用方法。

在第9章和第10章中，读者将可以学习到如何对数据进行预处理和聚类，以便让复杂数据集中的关键点可以使人一目了然。

从第11章和第12章，读者将可以学习如何让算法能够有更良好的表现，以及如何找到模型的参数，还有怎样通过建立流水线让模型协同工作以便达到好的效果。

本书第14章介绍了如何编写一个简单的爬虫来进行数据的获取，并且介绍了如何使用潜在狄利克雷分布进行文本数据的话题提取。

本书的后——第15章，向读者简单介绍了目前“人工智能”领域的人才需求现状和未来的学习方向，以及如何使用常见的竞赛平台磨炼自己的技能。

注意：限于篇幅，本书不会详细介绍Python语言的基本语法和其在机器学习之外的应用。感兴趣的读者可以搜索Python的基础教程来进行学习。但是本书的学习并不要求读者对Python达到精通的水平。

本书特色

1. 内容实用实在、详略得当，讲授符合初学者的认知规律

本书内容涵盖了有监督学习、无监督学习、模型优化、自然语言处理等机器学习领域所必须掌握的知识，从内容结构上非常注重知识的实用性和可操作性。必须掌握的细节处绝不吝惜笔墨、手把手细致到每一次的鼠标点击；仅需要大致了解处绝不铺张浪费纸张、整体结构的描述提纲挈领。这样的安排注重了对初学阶段知识的深入了解，大致了解的知识也能够有所认识，这种由浅入深、循序渐进的讲授完全是遵循和尊重了初学者对机器学习知识的认知规律。

2. 行文幽默诙谐，以实例引导全程，特别适合初学者阅读

本书介绍的基本理论知识、用于分类的机器学习算法、用于回归的机器学习算法、数据预处理、数据表达与特征工程等，都是使用非常贴近生活场景的实例来引导的，这样就避免了知识讲述过于抽象，非常易于理解。同时，作者以幽默诙谐，贴近时代的语言对这些知识进行生动、通俗的一一讲解，犹如一位你的老朋友，帮助你缩短入门机器学习的时间。纵观全书，作者将大学生小C追求女神以及帮助他的朋友处理日常问题同机器学习的理论与操作进行对比介绍，这就使得整个学习过程变得简单、生动起来。

3. 配套的人才培养与引入计划，帮助读者将学习成果转化为真正的生产力

在笔者过去的工作当中，累积了数量可观的各大互联网公司招聘通道资源，以及诸多猎头资源，可以帮助学有所长的读者快速进入一个实际操作的场景中进一步提高自己的实操能力。除此之外，笔者和国内大部分相关的产业发展部门有着密切的联系，对于有志于在人工智能领域创业的创业者来说，也能够帮助其对接政策资源，帮助大家在创业过程中得到有关部门的支持，从而使得创业之路变得不那么坎坷。

本书读者对象

 .想要进入机器学习领域的初学者 .企业中想要向机器学习的工程师、数据科学家转型的非开发岗人员 .机器学习、人工智能方向的培训班学员 .各计算机科学、非计算机科学专业的大中专院校学生 .想要在人工智能领域创业的创业者 .需要使用机器学习知识解决日常问题的人员 .其他对机器学习、人工智能有兴趣爱好的各位自学者

后，还要感谢各位编辑老师的辛勤劳动，使本书可以顺利出版。如果读者朋友在学习过程中有任何问题，或者单纯地想聊聊天，欢迎添加作者本人微信：dynhyper，谢谢大家！

作 者 

2018年3月

目 录

第1章 概 述

1.1 什么是机器学习——从一个小故事开始 / 002

1.2 机器学习的一些应用场景——蝙蝠公司的业务单元 / 003

1.3 机器学习应该如何入门——世上无难事 / 005

1.4 有监督学习与无监督学习 / 007

1.5 机器学习中的分类与回归 / 008

1.6 模型的泛化、过拟合与欠拟合 / 008

1.7 小结 / 009

第2章 基于Python语言的环境配置

2.1 Python的下载和安装 / 012

2.2 Jupyter Notebook的安装与使用方法 / 013

2.2.1 使用pip进行Jupyter Notebook的下载和安装 / 013

2.2.2 运行Jupyter Notebook / 014

2.2.3 Jupyter Notebook的使用方法 / 015

2.3 一些必需库的安装及功能简介 / 017

2.3.1 Numpy——基础科学计算库 / 017

2.3.2 Scipy——强大的科学计算工具集 / 018

2.3.3 pandas——数据分析的利器 / 019

2.3.4 matplotlib——画出优美的图形 / 020

深入浅出Python 机器学习

VIII

2.4 scikit-learn——非常流行的Python机器学习库 / 021

2.5 小结 / 022

第3章 K近邻算法——近朱者赤，近墨者黑

3.1 K近邻算法的原理 / 024

3.2 K近邻算法的用法 / 025

3.2.1 K近邻算法在分类任务中的应用 / 025

3.2.2 K近邻算法处理多元分类任务 / 029

3.2.3 K近邻算法用于回归分析 / 031

3.3 K近邻算法项目实战——酒的分类 / 034

3.3.1 对数据集进行分析 / 034

3.3.2 生成训练数据集和测试数据集 / 036

3.3.3 使用K近邻算法进行建模 / 038

3.3.4 使用模型对新样本的分类进行预测 / 039

3.4 小结 / 041

第4章 广义线性模型——“耿直”的算法模型

4.1 线性模型的基本概念 / 044

4.1.1 线性模型的一般公式 / 044

4.1.2 线性模型的图形表示 / 045

4.1.3 线性模型的特点 / 049

4.2 基本的线性模型——线性回归 / 050

4.2.1 线性回归的基本原理 / 050

4.2.2 线性回归的性能表现 / 051

4.3 使用L2正则化的线性模型——岭回归 / 053

4.3.1 岭回归的原理 / 053

4.3.2 岭回归的参数调节 / 054

4.4 使用L1正则化的线性模型——套索回归 / 058

4.4.1 套索回归的原理 / 058

4.4.2 套索回归的参数调节 / 059

4.4.3 套索回归与岭回归的对比 / 060

目 录

IX

4.5 小结 / 062

第5章 朴素贝叶斯——打雷啦，收衣服啊

5.1 朴素贝叶斯基本概念 / 064

5.1.1 贝叶斯定理 / 064

5.1.2 朴素贝叶斯的简单应用 / 064

5.2 朴素贝叶斯算法的不同方法 / 068

5.2.1 贝努利朴素贝叶斯 / 068

5.2.2 高斯朴素贝叶斯 / 071

5.2.3 多项式朴素贝叶斯 / 072

5.3 朴素贝叶斯实战——判断肿瘤是良性还是恶性 / 075

5.3.1 对数据集进行分析 / 076

5.3.2 使用高斯朴素贝叶斯进行建模 / 077

5.3.3 高斯朴素贝叶斯的学习曲线 / 078

5.4 小结 / 080

第6章 决策树与随机森林——会玩读心术的算法

6.1 决策树 / 082

6.1.1 决策树基本原理 / 082

6.1.2 决策树的构建 / 082

6.1.3 决策树的优势和不足 / 088

6.2 随机森林 / 088

6.2.1 随机森林的基本概念 / 089

6.2.2 随机森林的构建 / 089

6.2.3 随机森林的优势和不足 / 092

6.3 随机森林实例——要不要和相亲对象进一步发展 / 093

6.3.1 数据集的准备 / 093

6.3.2 用get_dummies处理数据 / 094

6.3.3 用决策树建模并做出预测 / 096

6.4 小结 / 098

第7章 支持向量机SVM——专治线性不可分

7.1 支持向量机SVM基本概念 / 100

7.1.1 支持向量机SVM的原理 / 100

7.1.2 支持向量机SVM的核函数 / 102

7.2 SVM的核函数与参数选择 / 104

7.2.1 不同核函数的SVM对比 / 104

7.2.2 支持向量机的gamma参数调节 / 106

7.2.3 SVM算法的优势与不足 / 108

7.3 SVM实例——波士顿房价回归分析 / 108

7.3.1 初步了解数据集 / 109

7.3.2 使用SVR进行建模 / 110

7.4 小结 / 114

第8章 神经网络——曾入“冷宫”，如今得宠

8.1 神经网络的前世今生 / 116

8.1.1 神经网络的起源 / 116

8.1.2 个感知器学习法则 / 116

8.1.3 神经网络之父——杰弗瑞·欣顿 / 117

8.2 神经网络的原理及使用 / 118

8.2.1 神经网络的原理 / 118

8.2.2 神经网络中的非线性矫正 / 119

8.2.3 神经网络的参数设置 / 121

8.3 神经网络实例——手写识别 / 127

8.3.1 使用MNIST数据集 / 128

8.3.2 训练MLP神经网络 / 129

8.3.3 使用模型进行数字识别 / 130

8.4 小结 / 131

第9章 数据预处理、降维、特征提取及聚类——快刀斩乱麻

9.1 数据预处理 / 134

9.1.1 使用StandardScaler进行数据预处理 / 134

9.1.2 使用MinMaxScaler进行数据预处理 / 135

9.1.3 使用RobustScaler进行数据预处理 / 136

9.1.4 使用Normalizer进行数据预处理 / 137

9.1.5 通过数据预处理提高模型准确率 / 138

9.2 数据降维 / 140

9.2.1 PCA主成分分析原理 / 140

9.2.2 对数据降维以便于进行可视化 / 142

9.2.3 原始特征与PCA主成分之间的关系 / 143

9.3 特征提取 / 144

9.3.1 PCA主成分分析法用于特征提取 / 145

9.3.2 非负矩阵分解用于特征提取 / 148

9.4 聚类算法 / 149

9.4.1 K均值聚类算法 / 150

9.4.2 凝聚聚类算法 / 153

9.4.3 DBSCAN算法 / 154

9.5 小结 / 157

第10章 数据表达与特征工程——锦上再添花

10.1 数据表达 / 160

10.1.1 使用哑变量转化类型特征 / 160

10.1.2 对数据进行装箱处理 / 162

10.2 数据“升维” / 166

10.2.1 向数据集添加交互式特征 / 166

10.2.2 向数据集添加多项式特征 / 170

10.3 自动特征选择 / 173

10.3.1 使用单一变量法进行特征选择 / 173

10.3.2 基于模型的特征选择 / 178

10.3.3 迭代式特征选择 / 180

10.4 小结 / 182

第11章 模型评估与优化——只有更好，没有好

11.1 使用交叉验证进行模型评估 / 184

11.1.1 scikit-learn中的交叉验证法 / 184

11.1.2 随机拆分和“挨个儿试试” / 186

11.1.3 为什么要使用交叉验证法 / 188

11.2 使用网格搜索优化模型参数 / 188

11.2.1 简单网格搜索 / 189

11.2.2 与交叉验证结合的网格搜索 / 191

11.3 分类模型的可信度评估 / 193

11.3.1 分类模型中的预测准确率 / 194

11.3.2 分类模型中的决定系数 / 197

11.4 小结 / 198

第12章 建立算法的管道模型——团结就是力量

12.1 管道模型的概念及用法 / 202

12.1.1 管道模型的基本概念 / 202

12.1.2 使用管道模型进行网格搜索 / 206

12.2 使用管道模型对股票涨幅进行回归分析 / 209

12.2.1 数据集准备 / 209

12.2.2 建立包含预处理和MLP模型的管道模型 / 213

12.2.3 向管道模型添加特征选择步骤 / 214

12.3 使用管道模型进行模型选择和参数调优 / 216

12.3.1 使用管道模型进行模型选择 / 216

12.3.2 使用管道模型寻找更优参数 / 217

12.4 小结 / 220

第13章 文本数据处理——亲，见字如“数”

13.1 文本数据的特征提取、中文分词及词袋模型 / 222

13.1.1 使用CountVectorizer对文本进行特征提取 / 222

13.1.2 使用分词工具对中文文本进行分词 / 223

13.1.3 使用词袋模型将文本数据转为数组 / 224

13.2 对文本数据进一步进行优化处理 / 226

13.2.1 使用n-Gram改善词袋模型 / 226

13.2.2 使用tf-idf模型对文本数据进行处理 / 228

13.2.3 删除文本中的停用词 / 234

13.3 小结 / 236

第14章 从数据获取到话题提取——从“研究员”到“段子手”

14.1 简单页面的爬取 / 238

14.1.1 准备Requests库和User Agent / 238

14.1.2 确定一个目标网站并分析其结构 / 240

14.1.3 进行爬取并保存为本地文件 / 241

14.2 稍微复杂一点的爬取 / 244

14.2.1 确定目标页面并进行分析 / 245

14.2.2 Python中的正则表达式 / 247

14.2.3 使用BeautifulSoup进行HTML解析 / 251

14.2.4 对目标页面进行爬取并保存到本地 / 256

14.3 对文本数据进行话题提取 / 258

14.3.1 寻找目标网站并分析结构 / 259

14.3.2 编写爬虫进行内容爬取 / 261

14.3.3 使用潜在狄利克雷分布进行话题提取 / 263

14.4 小结 / 265

第15章 人才需求现状与未来学习方向——你是不是下一个“大牛”

15.1 人才需求现状 / 268

15.1.1 全球AI从业者达190万，人才需求3年翻8倍 / 268

15.1.2 AI人才需求集中于一线城市，七成从业者月薪过万 / 269

15.1.3 人才困境仍难缓解，政策支援亟不可待 / 269

15.2 未来学习方向 / 270

15.2.1 用于大数据分析的计算引擎 / 270

15.2.2 深度学习开源框架 / 271

15.2.3 使用概率模型进行推理 / 272

15.3 技能磨炼与实际应用 / 272

15.3.1 Kaggle算法大赛平台和OpenML平台 / 272

15.3.2 在工业级场景中的应用 / 273

15.3.3 对算法模型进行A/B测试 / 273

15.4 小结 / 274

参考文献 / 275

第1章 概 述

近年来，全球新一代信息技术创新浪潮迭起。作为全球信息领域产业竞争的新一轮焦点，人工智能的发展迎来了第三次浪潮，它正在推动工业发展进入新的阶段，掀起第四次工业革命的序幕。而作为人工智能的重要组成部分，机器学习也成了炙手可热的概念。本章将向读者介绍机器学习的基础知识，为后面的学习打好基础。

本章主要涉及的知识点有：

 .什么是机器学习 .机器学习的主要应用场景 .机器学习应该如何入门 .有监督学习和无监督学习的概念 .分类、回归、泛化、过拟合与欠拟合等概念

深入浅出Python 机器学习

002

1.1 什么是机器学习——从一个小故事开始

要搞清楚什么是机器学习，我们可以从一个小故事开始。

小C是一个即将毕业的大学生、单身的小伙子，他一直在暗地里喜欢隔壁班的女神，可是又苦于没有机会接近她，于是在很长一段时间里，小C只能保持这种暗恋的状态。

突然有一天，在一个很偶然的机会下，小C得到了女神的微信号，并且添加了她。然后开始密切关注她的朋友圈，观察她的一举一动。

不久小C就有了重大发现，女神在朋友圈经常发三种类型的内容：书籍、电影和旅游。这可是个了不起的发现，对于小C来说，千载难逢的机会来了。

接下来，小C把女神喜欢的书名和特征（Features）保存在电脑上，做成一个数据集（Dataset），然后根据这个数据集用“算法（Algorithm）”建立了一个“模型（Model）”，并且通过这个模型预测出了女神会喜欢哪一本新书，之后小C买下了模型预测出来的书，作为礼物送给了女神。

收到新书的女神很开心，也对小C产生了好感。

后来小C又用同样的方法预测出了女神喜欢的电影，并买票请女神去看。不出所料，每次女神的观影体验都棒极了，两个人的关系也越来越近。

再后来，小C又预测了女神会喜欢的旅游地点，订好机票和酒店，对女神发出了邀请。当然，女神不会拒绝小C了，因为这次旅游的目的地可是她一直想去的地方呢！

整个旅途愉快极了，小C总能像手术刀一样精准地切到女神感兴趣的话题上。女神觉得太不可思议了，她问小C：“为什么你会这么了解我呢？”小C按捺住内心的喜悦，故作镇定地说道：“这是机器学习的力量。”

“什么是机器学习啊？”女神不解。

是时候让小C展现出扎实的学术底蕴了，他抬头45°仰望星空，深沉地说道：

“机器学习，早是由一位人工智能领域的先驱，Arthur Samuel（见图1-1），在1959年提出来的。本意指的是一种让计算机在不经过明显编程的情况下，对数据进行学习，并且做出预测的方法，属于计算机科学领域的一个子集。公认的世界上个自我学习项目，就是Samuel跳棋游戏。而我也是通过机器学习的方法，通过你在社交媒体的数据预测出你的喜好的。”

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003

图1-1 Arthur Samuel和他的跳棋游戏

毫无悬念地，女神对小C产生了深深的崇拜感，并且芳心暗许。从此以后，两个人走在了一起，并过上了幸福的生活。

对于一部童话来说，故事到这里就可以结束了。可是对于一本机器学习的入门书来说，我们才刚刚开始。

有了女朋友的小C也要背负起自己的责任了，他需要一份工作，才能为两个人的生活提供经济来源。很幸运的是，他通过校园招聘进入了国内的互联网公司——蝙蝠公司，成为一名机器学习工程师，从此开始了他的职业生涯。

1.2 机器学习的一些应用场景——蝙蝠公司的业务单元

小C入职的蝙蝠公司，作为国内互联网行业的龙头企业，其业务覆盖面十分广泛，包括电子商务、社交网络、互联网金融以及新闻资讯等。每一个方向在内部都被称为一个BU（业务单元）。每个BU相对独立运作，有自己完善的体系。但机器学习技术，在每个BU都有非常深入的应用。下面我们来大致了解一下。

1. 电子商务中的智能推荐

蝙蝠公司的电子商务BU是国内的在线零售平台，其用户接近5亿，每天在线商品数超过8亿，平均每分钟会售出4.8万件商品。正因此，电子商务BU拥有海量的用户和商品数据。当然，为了让平台的成交总额（Gross merchandise Volume，GMV）不断提高，电子商务BU必须精确地为用户提供商品优惠信息。和小C预测女神的喜好类似，电子商务BU要通过机器学习，来对用户的行为进行预测。但在如此海量的数据下，模型要比小C的模型复杂很多。

比如某个男性用户的浏览记录和购买记录中有大量的数码产品，而且系统识别出该

用户访问平台时使用的设备是iPhone 7，则算法很有可能会给该用户推荐iPhone X的购买链接。而另外一个女性用户浏览和购买多的是化妆品和奢侈品，那么机器就会把款的Hermès或者Chanel产品推荐给她。

2. 社交网络中的效果广告

蝙蝠公司旗下的社交网络平台目前有超过9亿的月活跃用户（Monthly Active Users，MAU），其主要盈利模式是通过在社交网络中投放效果广告，从而为商家提供精准营销的服务。在这种盈利模式下，该BU需要保证广告的投放尽可能精准地到达目标受众，并转化为销售。因此需要机器学习算法来预测用户可能感兴趣的广告内容，并且将符合要求的内容展示给用户。

比如用户经常转发或点赞和汽车有关的信息，那么系统就会把某品牌新车上市的广告展示给用户，而如果用户经常转发或点赞的是和时尚相关的信息，那么系统推荐的广告就会是新一季的服装搭配潮流等。

3. 互联网金融中的风控系统

蝙蝠公司旗下另外一个业务单元——互联网金融事业部，主要是为用户提供小额贷款和投资理财服务。目前该BU拥有4.5亿用户，具有每秒处理近9万笔支付的能力。而且它的资产损失比率仅有0.001%，这是一个非常恐怖的数字！要知道全球老牌的在线支付工具资产损失比率也要0.2%。要达到如此低的资产损失比率，必须要有强大的风控系统作为支撑，而风控系统背后，就是机器学习算法的应用。

例如，在这个场景中，风控系统要能够收集已知的用户欺诈行为，并对欺诈者的行为数据进行分析，再建立模型，在类似的欺诈行为再度发生之前就把它们扼杀在摇篮里，从而降低平台的资产损失比率。

4. 新闻资讯中的内容审查

蝙蝠公司旗下的新闻资讯业务单元的表现也同样让人眼前一亮。这个BU的产品主要是新闻客户端APP，据称其激活用户数已经超过6亿，而平均每个用户使用时长达到了76分钟。而令人咂舌的是，这个业务单元下据说没有编辑人员，所有的内容处理都是通过机器学习算法自动完成的。

比如该产品的“精准辟谣”功能，就是主要依赖机器学习的算法，对内容进行识别。如果判断为是虚假信息，则会提交给审核团队，审核属实之后，虚假信息就会被系统屏蔽，不会给用户进行推送。

当然，蝙蝠公司的业务单元远远不止上述这几个，同时机器学习在这些业务单元中的应用也远远不止上述这几个方面。限于篇幅，本书就不再一一罗列了。

5. 机器学习在蝙蝠公司之外的应用

蝙蝠公司代表的是互联网行业，然而在互联网行业之外，机器学习也被广泛的应用。例如在医疗行业中所使用的专家系统，典型的案例就是诞生于20世纪70年代的MYCIN系统，该系统由斯坦福大学研制，它可以用患者的病史、症状和化验结果等作为原始数据，运用医疗专家的知识进行逆向推理，找出导致感染的细菌。若是多种细菌，则用0到1的数字给出每种细菌的可能性，并在上述基础上给出针对这些可能的细菌的药方。

此外，还有诸如智能物流、智能家居、无人驾驶等领域。可以说机器学习，已经非常深切地融入了我们的生活与工作当中。

6. 一些炫酷的“黑科技”

除了上述我们提到的已经广泛应用的领域，还有一些代表着未来发展趋势的案例，例如：2016年，Google旗下的AI程序AlphaGo首次战胜了人类围棋世界冠军。2017年，埃隆·马斯克创办的OpenAI公司开发的人工智能程序在电子竞技游戏DOTA中战胜了人类世界冠军Dendi。除此之外，还有很多诸如AI写新闻稿、画插画、写诗词等消息充斥着各大新闻网站的首页，仿佛用不了多久，AI就会在各个方面全面替代人类，进而统治世界了。

本书并不想争论AI究竟会让人类生活得更美好，还是会成为地球的主宰者奴役我们。在这里只想和大家一起探究一下这些案例背后的原理。不管是AlphaGo还是OpenAI，其背后的原理都是机器学习中的深度学习，它们的崛起在全球范围内掀起了一阵人工智能和深度学习的热潮。

实际上，人工智能这个概念并不是近几年才出现的。早在20世纪60年代，人工智能就被提出，并且分为诸多学派。其中联结学派就是神经网络，或者说深度学习的代表。但受限于当时的计算能力，人工智能的发展也出现了停滞。

而随着时代的发展，现在的芯片计算能力越来越强，同时用户的数据量也越来越大，为人工智能的进一步发展提供了必要的先决条件，而机器学习、深度学习、神经网络等概念也随之火爆起来。同时在人才市场上，机器学习工程师、算法工程师、数据分析师等职位也呈现出了供不应求的场面，因此有更多的人开始投身到机器学习的研究当中。

1.3 机器学习应该如何入门——世上无难事

相信在看了上面的内容之后，一些读者朋友也已经动心，想要加入机器学习的领域当中了。保不齐能像故事中的小C一样，既能抱得美人归，又能找到一份心仪的工作。

但另外，又会担心自己基础薄弱，不知道从何入手。

不用担心！只要你肯多动脑，勤动手，相信很快就可以入门的。下面是我们给大家的一点学习方面的建议。

1. 从一种编程语言开始

如果你之前完全没有编程的基础，那么我们建议先从一门编程语言开始。目前市面上常用的编程语言有很多种，如C 、Java、Python、R等。那么该选择哪一种呢？不必纠结，编程语言并没有的“好”和“不好”的区别，只是它们各自有各自的特点而已。而且如果你掌握了其中的一种，再学习其他的编程语言时，上手会快得多。

本书使用的语言是Python，主要原因是：在数据科学领域，Python已经成为了一门通用的编程语言。它既有通用编程语言的强大能力，同时还具有诸如MATLAB或者R之类针对某个专门领域语言的易用性。同时丰富和强大的库，让Python在数据挖掘、数据可视化、图像处理、自然语言处理等领域都有非常不俗的表现。

Python还被称为“胶水语言”，因为它能够把用其他语言编写的各种模块轻松连接在一起。而它简洁清晰的语法和强制缩进的特点，都让Python对初学者非常友好。此外，它还是完全开源的，用户完全不需要支付任何费用。

由于Python语言的简洁性、易读性以及可扩展性，在国外用Python做科学计算的研究机构日益增多，一些知名大学已经采用Python来教授程序设计课程。众多开源的科学计算软件包都提供了Python的调用接口，如著名的计算机视觉库OpenCV、三维可视化库VTK、医学图像处理库ITK。Google的深度学习框架TensorFlow兼容得好的语言之一，也是Python。

2017年7月20日，IEEE发布2017年编程语言排行榜：Python高居首位。

还有一个重要的原因，对于用户来说，Python的学习成本是非常低的。哪怕是完全零基础的读者，在一个月左右的努力学习之后，也可以大致掌握它的基本语法和主要的功能模块。

因此我们推荐读者使用Python进行机器学习方面的研究与开发，在后面的章节我们会带大家配置基于Python的开发环境。

2. 熟悉机器学习中的基本概念

在对编程语言有了基本的掌握之后，读者朋友需要熟悉机器学习中的一些基本概念，比如什么是“有监督学习”，什么是“无监督学习”，它们之间的区别是什么，在应用方面有什么不同。另外，对机器学习的“分类”和“回归”有基本认知，清楚在什么场景下使用分类算法，在什么场景下使用回归算法。后理解模型的“泛化”，明白在什

么情况下模型会出现“过拟合”的现象，在什么情况下会出现“欠拟合”的现象。

3. 了解机器学习中常见的算法

在了解了基本概念之后，读者朋友就可以开始了解机器学习中常用的一些算法了。比如K近邻算法、线性模型、朴素贝叶斯、决策树、随机森林、SVMs、神经网络等。

在这个过程中，读者需要了解每种算法的基本原理和用途，它们的特性分别是什么，在不同的数据集中表现如何，如何使用它们建模，模型的参数如何调整等。

4. 掌握对数据进行处理的技巧

读者朋友可根据前述内容，对小数据集进行建模并且做出一些预测。但是在真实世界中，数据往往比我们拿来实验的小数据集复杂很多倍。它们的特征变量会大很多，也就是说数据的维度会高很多，同时可能完全没有训练数据集供你使用，这时候读者就需要掌握一些数据处理的技能，比如如何对数据进行降维，或者聚类，从而让数据更容易被理解，并从中找到关键点，为建模奠定基础。

5. 学会让模型更好地工作

学会用算法建模和对数据进行处理之后，读者朋友要做的是如何让模型更好地工作。例如，怎样做可以让算法的效率更高，怎样找到适合的模型，模型的参数是什么，以及如何打造一个流水线，让几个模型在其中共同协作，以解决你的问题等。

6. 动手，一定要动手操作

学习一门知识好的办法就是使用它，因此建议读者朋友一定要自己动手实操。不要嫌麻烦，尽可能把本书中的代码全部自己敲一下这样才能对内容有更加深刻的理解。如果觉得不够过瘾，还可以到知名的Kaggle大赛平台，或者“天池”算法大赛平台上，使用那些来自真实世界的数据来磨炼自己的技能。

当然，还有个更好的方法，那就是去企业中寻找一个机器学习工程师或是算法工程师的职位，在工作中学习，效果是好的了。

1.4 有监督学习与无监督学习

在机器学习领域，有监督学习和无监督学习是两种常用的方法。有监督学习是通过现有训练数据集进行建模，再用模型对新的数据样本进行分类或者回归分析的机器学习方法。在监督式学习中，训练数据集一般包含样本特征变量及分类标签，机器使用不同的算法通过这些数据推断出分类的方法，并用于新的样本中。目前有监督学习算法已经比较成熟，并且在很多领域都有很好的表现。

而无监督学习，或者说非监督式学习，则是在没有训练数据集的情况下，对没有标签的数据进行分析并建立合适的模型，以便给出问题解决方案的方法。在无监督学习当中，常见的两种任务类型是数据转换和聚类分析。

其中数据转换的目的是，把本来非常复杂的数据集通过非监督式学习算法进行转换，使其变得更容易理解。常见的数据转换方法之一便是数据降维，即通过对特征变量较多的数据集进行分析，将无关紧要的特征变量去除，保留关键特征变量（例如，把数据集降至二维，方便进行数据可视化处理）。

而聚类算法则是通过把样本划归到不同分组的算法，每个分组中的元素都具有比较接近的特征。目前，聚类算法主要应用在统计数据分析、图像分析、计算机视觉等领域。

1.5 机器学习中的分类与回归

分类和回归是有监督学习中两个常见的方法。对于分类来说，机器学习的目标是对样本的类标签进行预测，判断样本属于哪一个分类，结果是离散的数值。而对于回归分析来说，其目标是要预测一个连续的数值或者是范围。

这样讲可能会有一点抽象，我们还是用小C的例子来理解一下这两个概念。

比如，小C在使用算法模型预测女神的电影喜好时，他可以将电影分为“女神喜欢的”和“女神不喜欢的”两种类型，这就是二元分类，如果他要把电影分为“女神特别喜欢的” “女神有点喜欢的” “女神不怎么喜欢的”以及“女神讨厌的”四种类型，那么这就属于多元分类。

但如果小C要使用算法模型预测女神对某部电影的评分，例如，女神会给“速度与激情8”打多少分，从0到100，分数越高说明女神越喜欢，终模型预测女神会给这部电影打88分，这个过程就称为回归。小C需要将女神给其他电影的评分和相对应的电影特征作为训练数据集，通过建立回归模型，来给“速度与激情8”打分。

1.6 模型的泛化、过拟合与欠拟合

在有监督学习中，我们会在训练数据集上建立一个模型，之后会把这个模型用于新的，之前从未见过的数据中，这个过程称为模型的泛化（generalization）。当然我们希望模型对于新数据的预测能够尽可能准确，这样才能说模型泛化的准确度比较高。

那么我们用什么样的标准来判断一个模型的泛化是比较好的，还是比较差的呢？

我们可以使用测试数据集对模型的表现进行评估。如果你在训练数据集上使用了一个非常复杂的模型，以至于这个模型在拟合训练数据集时表现非常好，但是在测试数据集的表现非常差，说明模型出现了过拟合（overfitting）的问题。

相反，如果模型过于简单，连训练数据集的特点都不能完全考虑到的话，那么这样的模型在训练数据集和测试数据集的得分都会非常差，这个时候我们说模型出现了欠拟合（underfitting）的问题。

而只有模型在训练数据集和测试数据集得分都比较高的情况下，我们才会认为模型对数据拟合的程度刚刚好，同时泛化的表现也会更出色。

1.7 小结

现在我们来对本章的内容进行一下总结。在本章开始的部分，我们通过一个小故事了解了机器学习的基本概念，之后又对机器学习的部分应用场景进行了初步的学习。

之所以说“部分”应用场景，是因为机器学习的应用范围实在太广，我们很难穷举，相信读者朋友日后还会接触到更多元化的案例。

当读者朋友对机器学习产生兴趣之后，还可以在本章中找到对于机器学习入门的步骤和一些建议。当然，每个人有自己独到的学习方法，本章所列的方法仅仅供读者朋友参考，你也完全可以根据自身的情况安排自己的学习计划。

同时，为了让读者朋友能够更加顺利地学习后面的章节，本章还初步介绍了一些机器学习领域的术语，如监督学习、无监督学习、过拟合和欠拟合等。但请读者朋友注意，这部分内容也并非是将所有的术语进行罗列，如半监督学习和强化学习的概念，本章还没有涉及。相信日后随着读者朋友学习进程的加深，还会解锁更多新的知识点。

在第2章，本书将用手把手的方式，和读者朋友一起搭建机器学习的开发环境，相信乐于动手的你会找到很多乐趣。

第2章 基于Python语言的环境配置

在看完第1章的内容后，相信有一部分读者朋友可能已经忍不住想要动手操作一下了。工欲善其事，必先利其器。本章将帮助读者朋友把实验环境配置好。

事实上，有一些第三方机构发行了一些已经集成好必要的库的Python开发工具，如Anaconda、Enthought Canopy、Python（x,y）等，它们的主要功能是用于进行科学计算和大规模数据处理。如果你不想自己去动手逐步配置环境，那么直接下载这些工具也是不错的选择。但是对于新手而言，我强烈建议下载Python的原始安装文件，并尝试自己安装这些库，这样可以充分锻炼自己的动手能力。

本章主要涉及的知识点有：

 .Python的下载和安装 .Jupyter Notebook的安装及使用方法 .Numpy、Scipy、matplotlib、pandas、scikit-learn等库的安装和使用方法

2.3 一些必需库的安装及功能简介

现在我们已经安装好了Python和Jupyter Notebook，但是这还不够，我们还需要安装一些库，才能完成本书内容的学习与练习。这些库包括Numpy、Scipy、matplotlib、pandas、IPython，以及非常核心的scikit-learn。下面我们一起来安装这些库。

首先，如果你用的是MAC OS X，那安装的过程会令人很舒服，你只需要在MAC的终端中输入一行命令：

sudo pip3 install numpy scipy matplotlib ipython pandas scikit-learn

然后安静地等待计算机把这些库逐一下载并安装好就可以了。

但如果是Windows系统，你可能会在安装Scipy这一步时遇到一些问题，解决方法是在下面这个链接中手动下载Numpy MKL的安装文件和Scipy的安装文件。

http://www.lfd.uci.edu/～gohlke/pythonlibs/

在这个链接的页面中分别找到和你的系统及Python版本相对应的Numpy MKL安装文件和Scipy安装文件，并下载到本地计算机；然后以管理员身份运行Windows命令提示符，在命令提示符中进入两个安装文件所在的目录，输入命令如下：

pip install 安装文件全名

一定要先安装Numpy MKL安装包，再安装Scipy才能成功。安装完成后，在Python IDLE中输入import 库名称来验证是否安装成功，例如，想知道Scipy是否安装成功，就在IDLE中输入如下代码：

import scipy

如果没有报错，则说明安装已经成功，可以使用了。现在我们一起来看一下这些库的主要功能。

注意 如果操作系统是Windows 10，那么记得用管理员身份运行命令提示符，否则安装过程中可能会提示拒绝访问。

2.3.1 Numpy——基础科学计算库

Numpy是一个Python中非常基础的用于进行科学计算的库，它的功能包括高维数组（array）计算、线性代数计算、傅里叶变换以及生产伪随机数等。Numpy对于scikit-learn来说是至关重要的，因为scikit-learn使用Numpy数组形式的数据来进行处理，所以我们需要把数据都转化成Numpy数组的形式，而多维数组（n-dimensional array）也是

%matplotlib inline

#激活matplotlib

import matplotlib.pyplot as plt

#下面先生成一个从-20到20，元素数为10的等差数列

x = np.linspace(-20,20,10)

#再令 y = x^3 2x^2 6x 5

y = x**3 2*x**2 6*x 5

#下面画出这条函数的曲线

plt.plot(x,y, marker = "o")

运行代码可以得到结果如图2-15所示。

图2-15 使用matplotlib绘制的图像

注意 在代码开头的%matplotlib inline允许Jupyter Notebook进行内置实时绘图。如果不写这一行代码，则需要在后加入plt.show()这一句，才能让图形显示出来。这两种方法在本书中都会涉及。

2.4 scikit-learn——非常流行的Python机器学习库

scikit-learn是如此重要，以至于我们需要单独对它进行一些介绍。scikit-learn是一个建立在Scipy基础上的用于机器学习的Python模块。而在不同的应用的领域中，已经发展出为数众多的基于Scipy的工具包，它们被统一称为Scikits。而在所有的分支版本中，scikit-learn是有名的。它是开源的，任何人都可以免费地使用它或者进行二次发行。

scikit-learn包含众多机器学习算法，它主要有六大类的基本功能，分别是分类、回归、聚类、数据降维、模型选择和数据预处理。scikit-learn拥有非常活跃的用户社区，

基本上其所有的功能都有非常详尽的文档供用户查阅，我们也建议读者可以抽时间认真研究一下scikit-learn的用户指南以及文档，以便对其算法的使用有更充分了解。

2.5 小结

回顾一下，在这一章中，我们一起配置好了开发环境，并学习了Numpy、Scipy、matplotlib、pandas、scikit-learn等库的安装和基本使用方法，同时对Jupyter Notebook以及Python自带的IDLE编辑器也有了一定的了解。接下来在第3章中，我们将详细介绍K近邻算法以及它的使用方法，希望读者能够从中学到对自己有用的知识。

第3章 K近邻算法——近朱者赤，近墨者黑

眼看没几天，就要到七夕佳节了，小C打算筹备个烛光晚餐，和女朋友浪漫一下。说到烛光晚餐，自然是得有瓶好酒助兴。可惜小C同学对酒实在没有什么研究，连基本的酒的分类也说不清楚，看来又得求助机器学习了。

本章我们将介绍K近邻算法（K-Nearest Neighbors， KNN）的原理和它的基本应用，并用它来帮助小C对酒进行分类。

本章主要涉及的知识点有：

 .K近邻算法的原理 .K近邻算法在分类任务中的应用 .K近邻算法在回归分析中的应用 .使用K近邻算法对酒的分类进行建模

3.1 K近邻算法的原理

K近邻算法的原理，正如我们本章标题所说——近朱者赤，近墨者黑。想象一下我们的数据集里面有一半是“朱”（图中浅色的点），另一半是“墨”（图中深色的点）。现在有了一个新的数据点，颜色未知，我们怎么判断它属于哪一个分类呢？如图3-1所示。

图3-1 判断新数据点属于“朱”还是“墨”

对于K近邻算法来说，这个问题就很简单：新数据点离谁近，就和谁属于同一类，从图3-1中我们可以看出，新数据点距离它8点钟方向的浅色数据点近，那么理所应当地，这个新数据点应该属于浅色分类了，如图3-2所示。

图3-2 近邻数等于1时的分类

看起来，K近邻算法真是够简单的，这么轻松就完成了分类的工作。别急，我们还没说完。刚才只是举的简单的例子，选的近邻数等于1。但如果我们在模型训练过程中让近邻数等于1的话，那么非常可能会犯了“一叶障目，不见泰山”的错误，试想一下，万一和新数据点近的数据恰好是一个测定错误的点呢？

所以需要我们增加近邻的数量，例如把近邻数增加到3，然后让新数据点的分

类和3个当中多的数据点所处的分类保持一致，如图3-3所示。

图3-3 近邻数等于3时的分类

从图3-3中我们看到，当我们令新数据点的近邻数等于3的时候，也就是找出离新数据点近的3个点，这时我们发现与新数据点距离近的3个点中，有2个是深色，而只有1个是浅色。这样一来，K近邻算法就会把新数据点放进深色的分类当中。

以上就是K近邻算法在分类任务中的基本原理，实际上K这个字母的含义就是近邻的个数。在scikit-learn中，K近邻算法的K值是通过n_neighbors参数来调节的，默认值是5。

注意 K近算法也可以用于回归，原理和其用于分类是相同的。当我们使用K近邻回归计算某个数据点的预测值时，模型会选择离该数据点近的若干个训练数据集中的点，并且将它们的y值取平均值，并把该平均值作为新数据点的预测值。

3.2 K近邻算法的用法

在这一小节中，我们会向大家展示K近邻算法在分类和回归任务当中的应用，请大家准备好Jupyter notebook，和我们一起进行实验吧。

3.2.1 K近邻算法在分类任务中的应用

在scikit-learn中，内置了若干个玩具数据集（Toy Datasets），还有一些API让我们可以自己动手生成一些数据集。接下来我们会使用生成数据集的方式来进行展示，请大家在Jupyter notebook中输入代码如下：

#导入数据集生成器

from sklearn.datasets import make_blobs

#导入KNN分类器

from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier

#导入画图工具

import matplotlib.pyplot as plt

#导入数据集拆分工具

from sklearn.model_selection import train_test_split

#生成样本数为200，分类为2的数据集

data = make_blobs(n_samples=200, centers =2,random_state=8)

X, y = data

#将生成的数据集进行可视化

plt.scatter(X[:,0], X[:,1], c=y, cmap=plt.cm.spring, edgecolor='k')

plt.show()

在这段代码中，我们使用了scikit-learn的make_blobs函数来生成一个样本数量为200，分类数量为2的数据集，并将其赋值给X和y，然后我们用matplotlib将数据用图形表示出来，运行代码，会得到如图3-4所示的结果。

图3-4 使用make_blobs生成的数据集

【结果分析】从图3-4中可以看出，make_blobs生成的数据集一共有两类，其中一类用深色表示，而另外一类用浅色表示。读者朋友可能有点疑惑：这不是已经进行好分类了吗？我们还需要K近邻算法做什么呢？

这确实是初学者非常容易提出的问题，答案是这样的——我们这里生成的数据集，可以看作机器学习的训练数据集，是已知的数据。我们就是基于这些数据用算法进行模型的训练，然后再对新的未知数据进行分类或者回归。

下面我们就使用K近邻算法来拟合这些数据，输入代码如下：

import numpy as np

clf = KNeighborsClassifier()

clf.fit(X,y)

#下面的代码用于画图

x_min, x_max = X[:, 0].min() - 1, X[:, 0].max() 1

y_min, y_max = X[:, 1].min() - 1, X[:, 1].max() 1

xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, .02),

 np.arange(y_min, y_max, .02))

Z = clf.predict(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])

Z = Z.reshape(xx.shape)

plt.pcolormesh(xx, yy, Z, cmap=plt.cm.Pastel1)

plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c=y, cmap=plt.cm.spring, edgecolor='k')

plt.xlim(xx.min(), xx.max())

plt.ylim(yy.min(), yy.max())

plt.title("Classifier:KNN")

plt.show()

运行代码，会得到如图3-5所示的结果。

图3-5 使用K近邻算法创建的分类模型

【结果分析】从图3-5中我们可以看到，K近邻算法基于数据集创建了一个分类模型，就是图中粉色区域和灰色区域组成的部分。那么如果有新的数据输入的话，模型就会自动将新数据分到对应的分类中。

例如，我们假设有一个数据点，它的两个特征值分别是6.75和4.82，我们来试验下模型能不能将它放到正确的分类中，首先我们可以在上面那段代码中，plt.show()之前加一行代码如下：

3.2.2 K近邻算法处理多元分类任务

接下来，我们要先生成多元分类任务所使用的数据集，为了让难度足够大，这次我们通过修改make_blobs的centers参数，把数据类型的数量增加到5个，同时修改n_samlpes参数，把样本量也增加到500个，输入代码如下：

#生成样本数为500，分类数为5的数据集

data2 = make_blobs(n_samples=500, centers=5,random_state=8)

X2,y2 = data2

#用散点图将数据集进行可视化

plt.scatter(X2[:,0],X2[:,1],c=y2, cmap=plt.cm.spring,edgecolor='k')

plt.show()

运行代码，会得到结果如图3-8所示的结果。

图3-8 分类数量为5的数据集

【结果分析】从图3-8中我们可以看到，新的数据集的分类数量变成了5个，而其中有两类数据还有一些重合（图片中心位置的点），这下难度提高了不少。

让我们再次用K近邻算法建立模型来拟合这些数据，输入代码如下：

clf = KNeighborsClassifier()

clf.fit(X2,y2)

#下面的代码用于画图

x_min, x_max = X2[:, 0].min() - 1, X2[:, 0].max() 1

y_min, y_max = X2[:, 1].min() - 1, X2[:, 1].max() 1

xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, .02),

 np.arange(y_min, y_max, .02))

Z = clf.predict(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])

Z = Z.reshape(xx.shape)

plt.pcolormesh(xx, yy, Z, cmap=plt.cm.Pastel1)

【结果分析】看来虽然我们故意刁难了K近邻算法一下，但它仍然能够将96%的数据点放进正确的分类中，这个结果可以说还是相当不错的。

接下来，我们再试试使用K近邻算法来进行回归分析，看看结果如何。

3.2.3 K近邻算法用于回归分析

在scikit-learn的数据集生成器中，有一个非常好的用于回归分析的数据集生成器，make_regression函数，这里我们使用make_regression生成数据集来进行实验，演示K近邻算法在回归分析中的表现。

首先我们还是先来生成数据集，输入代码如下：

#导入make_regression数据集生成器

from sklearn.datasets import make_regression

#生成特征数量为1，噪音为50的数据集

X, y = make_regression(n_features=1,n_informative=1, noise=50,random_state=8)

#用散点图将数据点进行可视化

plt.scatter(X,y,c='orange',edgecolor='k')

plt.show()

为了方便画图，我们选择样本的特征数量仅为1个，同时为了增加难度。我们添加标准差为50的noise，运行代码，将会得到如图3-11所示的结果。

图3-11 使用make_regression生成的数据集

【结果分析】从图3-11中我们可以看到，横轴代表的是样本特征的数值，范围大概在-3～3；纵轴代表样本的测定值，范围大致在-250～250。

下面我们使用K近邻算法来进行回归分析，输入代码如下：

#导入用于回归分析的KNN模型

from sklearn.neighbors import KNeighborsRegressor

reg = KNeighborsRegressor()

#用KNN模型拟合数据

reg.fit(X,y)

#把预测结果用图像进行可视化

z = np.linspace(-3,3,200).reshape(-1,1)

plt.scatter(X,y,c='orange',edgecolor='k')

plt.plot(z, reg.predict(z),c='k',linewidth=3)

#向图像添加标题

plt.title('KNN Regressor')

plt.show()

运行代码，将会得到如图3-12所示的结果。

图3-12 使用K近邻算法对数据进行回归分析

【结果分析】图3-12中黑色的曲线代表的就是K近邻算法拟合make_regression生成数据所进行的模型。直观来看，模型的拟合程度并不是很好，有大量的数据点都没有被模型覆盖到。

现在我们尝试给模型进行评分，看看结果如何，输入代码如下：

print('nnn')

print('代码运行结果：')

print('==============================')

print('模型评分：{:.2f}'.format(reg.score(X,y)))

print('==============================')

print('nnn')

运行代码，会得到结果如图3-13所示。

【结果分析】从图3-17中我们可以看出，酒数据集中共有178个样本，每条数据有13个特征变量。

更细节的信息，我们可以通过打印DESCR键来获得，下面我们输入代码如下：

#打印酒的数据集中的简短描述

print(wine_dataset['DESCR'])

运行代码，我们将会看到一段很长的描述，如图3-18所示。

图3-18 酒数据集的部分简短描述

【结果分析】从结果中我们可以看出，酒数据集中的178个样本被归入3个类别中，分别是class_0，class_1和class_2，其中class_0中包含59个样本，class_1中包含71个样本，class_2中包含48个样本。而从1）至13）分别是13个特征变量，包括酒精含量、苹果酸、镁含量、青花素含量、色彩饱和度等。我们先不用管每一个变量具体的含义，接下来先对数据进行一些处理。

3.3.2 生成训练数据集和测试数据集

在我们创建一个能够自动将酒进行分类的机器学习的算法模型之前，先要能够对模型的可信度进行评判，否则我们无法知道它对于新的酒所进行的分类是否准确。那么问题来了，如果我们用生成模型的数据去评估算法模型，那得分肯定是满分，这就好像我们按照一个体重75kg的人的身材数据缝制了一件衣服，那么这件衣服对于这个人肯定是百分之一百合身的，但如果换了一个体重85kg的人，这件衣服就不一定合适了。

所以我们现在要做的工作是，把数据集分为两个部分：一部分称为训练数据集；另一部分称为测试数据集。训练数据集就好比我们缝制衣服时所用到的模特的身材，而测

试数据集则是用来测试这件衣服，对于别人来说究竟有多合身的模特。

在scikit-learn中，有一个train_test_split函数，它是用来帮助用户把数据集拆分的工具。其工作原理是：train_test_split函数将数据集进行随机排列，在默认情况下将其中75%的数据及所对应的标签划归到训练数据集，并将其余25%的数据和所对应的标签划归到测试数据集。

注意 我们一般用大写的X表示数据的特征，而用小写的y表示数据对应的标签。这是因为X是一个二维数组，也称为矩阵；而y是一个一维数组，或者说是一个向量。

接下来，我们使用train_test_split函数将酒的数据集中的数据分为训练数据集和测试数据集。在Jupyter Notebook中输入代码如下：

#导入数据集拆分工具

from sklearn.model_selection import train_test_split

#将数据集拆分为训练数据集和测试数据集

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(

wine_dataset['data'], wine_dataset['target'], r

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书摘插图

前言

前 言

计算机是由程序驱动的，人工智能（AI）不过是一些特殊的算法。只要你有一些程序设计语言的基础，跟随本书，你也能进入人工智能的世界，成为一个AI应用的开发者。

人工智能，火了

仿佛就在一夜之间，人工智能火了，一跃成为IT业内受关注的热点话题。如果读者关注互联网圈子的话，应该会听说在2017年12月乌镇举办的第四届互联网大会上，一众互联网大咖张口闭口都在谈人工智能，使得AI成了毫无疑问的风口。

例如，网易公司的CEO丁磊就表示，人工智能会成为每一个行业的标配。他认为，任何一个行业都可以用到人工智能，并且建议每个企业的领导者都不要忽略人工智能对自己所在领域的影响。

苹果公司的CEO蒂姆·库克也谈到人工智能可以让世界变得更美好。同时，他表示并不担心机器会像人一样思考，但强调必须为技术注入人性，赋予技术应有的价值。

把“All in AI”作为口号的百度，其CEO李彦宏更是极为推崇人工智能。他的观点是，人工智能不可能超越人类的能力，但是随着它的能力逐步逼近人类，就会开始一个行业一个行业地去颠覆了。

还有一位不能不提的人，就是阿里巴巴集团董事局主席马云。在他的演讲中提到，与其担心人工智能会带走很多就业机会，不如拥抱技术，解决新的问题。人工智能只会让人的工作更有价值，更有尊严。

当然，小米的CEO雷军更是不忘在大会上直接做了个硬广告。他告诉与会嘉宾，小米正在拥抱人工智能，在2018年小米手机将深度利用AI技术。

深入浅出Python 机器学习

II

此外，大名鼎鼎的斯坦福大学计算机系教授、Coursera创始人吴恩达，更是人工智能的坚定拥护者。他直言未来政府和企业会在人工智能领域扮演着越来越重要的角色，监管得力才能使AI发展得更好，企业领导者更应该将AI技术融入企业文化中，创造一个AI支持下的未来。

国内的学者也高度重视AI的发展，中国工程院院士倪光南老先生强调，AI是未来非常重要的一个发展方向，会产生什么我们很难预料，但一定会产生重大的影响；同时他指出，未来人和机器应该和谐相处，我们可以把重复性的劳动交给人工智能，人类去做更多有创造力的工作。

诸如此类，我们这里不一一列举了，但从上述这些大咖们的言论之中，人工智能的火爆程度，已然是可见一斑了。

置身事外，还是投身其中

既然各路大咖都如此看好人工智能的前景，那么我们应该怎样面对这一波浪潮呢？

前不久，我们的朋友圈几乎被同一种情绪刷屏，那就是对人工智能即将取代人类的强烈担忧。各路自媒体不惜笔墨地渲染人工智能将逐步蚕食人类的就业机会，并且终取代人类统治世界，以此来博得大众的眼球，吸引粉丝的关注。

对于此，笔者的观点是：这简直是“咸吃萝卜淡操心”！这种通过夸大其词误导大众换取关注的方法是不可取的。纵观人类历史，发生过三次大的工业革命，而在这三次革命当中，确实发生过短暂的对于人类就业的冲击。但是人类自起源以来，依靠强大的适应能力一直存活到今天，并没有被任何机器或者别的物种所取代。相反地，我们的生活质量还在不断提高，享受着新兴技术给我们带来的高效与便捷。

不过，尽管我们不必担心新的技术取代人类，但还是要面对一个现实，那就是每次大的技术革命带来的阶层转换与固化。比如距离我们近的这一次信息技术蓬勃发展，制造了一大批富豪，如微软的比尔·盖茨、亚马逊的贝索斯，国内的李彦宏、马云、马化腾、张朝阳、丁磊等。

如果说，在上一次互联网带来巨大机遇的时候，咱们年龄还小——有可能还在上中学甚至小学，没能抓住这一波浪潮，那么这一波AI带来的机会就真的是“生逢其时”，估计本书的读者朋友年龄段会相对集中在“80后”“90后”这一代，正是青春好年华，体力和脑力都处在一个非常出色的阶段，可以说是完美地“遭遇”了这一千载难逢的好时机。