机器学习中的归一化

文章目录

• 机器学习中为什么需要归一化
• 归一化为什么能提高梯度下降求解最优解的速度？
• 归一化可能提高精度
• 归一化常用的方法
• 归一化与其中标准化的区别
• 使用标准化与归一化的场景
• 哪些机器学习书算法不需要归一化

机器学习中为什么需要归一化

1. 归一化后加快了梯度下降求最优解的速度；
2. 归一化有可能提高精度

归一化为什么能提高梯度下降求解最优解的速度？

如上图所示，蓝色圆圈代表两个特征的的等高线。

3. 左图中两个特征区别相差特别大。其中一个特征X1的区间是[0,2000],一个特征X2[1,5],所形成的等高线比较尖锐。当时用梯度下降法时，很可能要垂直等高线走，需要很多次迭代才能收敛。
4. 右图中对两个原始特征进行了归一化处理，其对应的等高线相对来说比较圆，在梯度下降时，可以较快的收敛。

归一化可能提高精度

有些分类器需要计算样本之间的距离，例如k-means。如果一个特征的值域范围特别大。那么距离计算就主要取决于这个特征，有时会与实际情况相违背。（比如这时实际情况是值域范围小的特征更重要）

归一化常用的方法

1. 线性比例变换法
   $y_i=\frac{x_i}{max(x)}$yi​=max(x)xi​​

2. 极差变换法：
   $y_i=\frac{x_i-min(x)}{max(x)-min(x)}$yi​=max(x)−min(x)xi​−min(x)​
   其中max为样本数据的最大值，min为样本数据的最小值，这种方法有缺陷
   1）当有新数据加入时，可能导致max和min的变化，需要重新定义
   2）存在极端的最大最小值

3. 0均值标准化（Z-score方法标准化）
   $y_i=\frac{x_i-mean(x)}{\sigma}$yi​=σxi​−mean(x)​

归一化与其中标准化的区别

• 归一化和标准化本质上就是一种线性变换。
  在数据给定下，$\alpha=X_{max}-X-{min}$α=Xmax​−X−min,常数$\beta=X_{min}$β=Xmin​那么归一化的新的形式就是$\frac{X_i-\beta}{\alpha}$αXi​−β​.与标准化类似，可以变一下
  $\frac{X_i-\beta}{\alpha}=\frac{X_i}{\alpha}-\frac{\beta}{\alpha}=\frac{X_i}{\alpha}-c$αXi​−β​=αXi​​−αβ​=αXi​​−c
  事实上就是对向量 X按照比例压缩$\alpha$α再进行平移 c。所以归一化和标准化的本质就是一种线性变换。
• 归一化与标准化的区别

  1. 归一化的缩放是统一到区间（仅由极值决定），而标准化的缩放是更加“弹性”和“动态”的，和整体样本的分布有很大的关系。

  2. 归一化：缩放仅仅与最大最小值有关。
     标准化：缩放与每个点有关。通过方差和均值体现出来。

  3. 归一化：输出范围在0-1之间
     标准化：输出范围是负无穷到正无穷

使用标准化与归一化的场景

• 如果对输出结果范围有要求，用归一化
• 如果数据较为稳定，不存在极端的最大最小值，用归一化
• 如果数据存在异常值和较多噪音，用标准化，可以间接通过中心化避免异常值和极端值的影响

哪些机器学习书算法不需要归一化

概率模型不需要归一化，因为它们不关心变量的值，而是关心变量的分布和变量之间的条件概率，如决策树、rf。而像 adaboost、svm、lr、KNN、KMeans 之类的最优化问题就需
要归一化。