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這本教科書介紹了Banach空間中優化問題的凸對偶性、積分理論，以及它們在靜態或動態設置中的隨機規劃問題的應用。對隨機規劃的主要算法進行了介紹和分析，并對理論方面進行了細致的論述。 讀者展示了如何這些工具可以應用到各種領域，包括近似理論，半定和二階錐規劃和線性決策規則。 本書推薦給那些愿意用嚴格的方法來研究對偶理論在不確定性優化中的應用中的數學的學生、工程師和研究人員。

凸優化工具箱本章在巴拿赫空間中，通過極大極小法和攝動法，給出優化問題的對偶理論。在一些穩定性(限定)假設下，證明了對偶問題具有一個非空有界解集。這就引出了次微分學，這似乎只是一個偏次微分法則。提供了應用的十進制卷積，以及衰退和透視函數。利用Shapley-Folkman定理，分析了一些非凸問題的松弛性。

半定規劃與半無限規劃本章討論正半定矩陣錐上的最優化問題，以及這類線性問題的對偶理論。我們將凸旋轉不變矩陣函數與譜的凸函數聯系起來;這使得我們可以計算對數勢壘函數的共軛和相關優化問題的對偶。給出了具有非凸二次型代價和約束的半定松弛問題。證明了二階錐優化是半定規劃的一個子類。第二部分研究有限支撐測度空間中的半無限規劃及其對偶問題，并應用于Chebyshev近似和一維多項式優化問題。 集成工具箱本章簡明地介紹了一般測度空間中的積分理論，包括關于積分極限的經典定理。它擴展了在巴拿赫空間中具有值的可測函數所需要的波奇納積分。然后，它展示了如何計算積分泛函的共軛和子微分，無論是在凸情況下，基于凸被積函數理論，或在Carathéodory被積函數的情況下。然后利用Shapley-Folkman定理分析了具有積分代價和約束函數的優化問題。

**風險度量 **將期望最小化幾乎無法控制遠低于期望值的回報的風險。因此，設計函數是很有用的，其最小化將允許人們在風險和期望值之間進行權衡。本章簡要介紹了相應的風險度量理論。在介紹了效用函數之后，引入了風險的貨幣度量，并與它們的接受集相聯系。然后討論了偏差和半偏差的情況，以及(條件)風險值。

抽樣和優化本章討論的不是最小化期望，而是最小化通過獲得獨立事件的樣本得到的樣本近似時會發生什么。該分析依賴于漸近定律理論(δ定理)及其在隨機規劃中的應用。我們將結果推廣到期望約束的情況。

動態隨機優化動態隨機優化問題具有以下信息約束:每個決策必須是相應時刻可用信息的函數。這可以表示為包含條件期望的線性約束。本章在充分觀察狀態的情況下發展了凸問題的相應理論。由此得到的最優系統涉及一個后向共態方程，控制變量是某個哈密頓函數的最小值點.

馬爾可夫決策過程

本章考慮一個受控馬爾可夫鏈過程的最小回報期望問題，無論是有限范圍的馬爾可夫鏈過程，還是有折扣的無限馬爾可夫鏈過程，包括退出時間和停止決策的情況。比較了值和策略(Howard)迭代。對于具有期望約束、局部觀察的問題，對于具有無折現代價的大視界問題的遍歷情況，給出了這些結果的推廣。 算法對于凸的動態隨機優化問題，Bellman函數是凸的，可以近似為仿射函數的有限上極值。從靜態和確定性問題開始，展示了這如何導致有效的隨機對偶動態規劃算法。本章第二部分討論了線性決策規則的一種很有前途的方法，它使我們可以得到隨機優化問題的值函數的上下界。

廣義凸性與運輸理論

本章首先介紹了用任意集上的一般耦合函數代替對偶積時凸性理論的推廣。優化問題的Fenchel共軛、循環單調性和對偶性的概念，對這種設置有一個自然的擴展，其中增廣拉格朗日方法有一個自然的解釋。度量空間上的凸函數，構造為連續函數的積分函數的Fenchel共軛，有時被證明等于其密度的函數的某個積分。這被用于在緊集上的最優運輸理論的表述，以及相關的懲罰問題。本章最后討論了多傳輸環境。

科學用實驗來驗證關于世界的假設。統計學提供了量化這一過程的工具，并提供了將數據(實驗)與概率模型(假設)聯系起來的方法。因為世界是復雜的，我們需要復雜的模型和復雜的數據，因此需要多元統計和機器學習。具體來說，多元統計(與單變量統計相反)涉及隨機向量和隨機矩陣的方法和模型，而不僅僅是隨機單變量(標量)變量。因此，在多元統計中，我們經常使用矩陣表示法。與多元統計(傳統統計學的一個分支)密切相關的是機器學習(ML)，它傳統上是計算機科學的一個分支。過去機器學習主要集中在算法上，而不是概率建模，但現在大多數機器學習方法都完全基于統計多元方法，因此這兩個領域正在收斂。多變量模型提供了一種方法來學習隨機變量組成部分之間的依賴關系和相互作用，這反過來使我們能夠得出有關興趣的潛在機制的結論(如生物或醫學)。

兩個主要任務: 無監督學習(尋找結構，聚類) 監督學習(從標記數據進行訓練，然后進行預測)

挑戰: 模型的復雜性需要適合問題和可用數據， 高維使估計和推斷困難 計算問題。

本書是由德國慕尼黑大學博士Christoph Molnar完成的第二版，長達330頁，是僅有的一本系統介紹可解釋性機器學習的書籍。

機器學習雖然對改進產品性能和推進研究有很大的潛力，但無法對它們的預測做出解釋，這是當前面臨的一大障礙。本書是一本關于使機器學習模型及其決策具有可解釋性的書。本書探索了可解釋性的概念，介紹了簡單的、可解釋的模型，例如決策樹、決策規則和線性回歸，重點介紹了解釋黑盒模型的、與模型無關的方法，如特征重要性和累積局部效應，以及用Shapley值和LIME解釋單個實例預測。本書對所有的解釋方法進行了深入說明和批判性討論，例如它們如何在黑盒下工作、它們的優缺點是什么、如何解釋它們的輸出。本書將解答如何選擇并正確應用解釋方法。本書的重點是介紹表格式數據的機器學習模型，較少涉及計算機視覺和自然語言處理任務。

本書適合機器學習從業者、數據科學家、統計學家和所有對使機器學習模型具有可解釋性感興趣的人閱讀。

本教材提供了一個全面的介紹統計原理，概念和方法，是必不可少的現代統計和數據科學。涵蓋的主題包括基于可能性的推理，貝葉斯統計，回歸，統計測試和不確定性的量化。此外，這本書討論了在現代數據分析中有用的統計思想，包括bootstrapping，多元分布的建模，缺失數據分析，因果關系以及實驗設計的原則。本教材包括兩個學期課程的充足材料，旨在為數據科學、統計和計算機科學的碩士學生掌握概率論的基本知識。對于想要加強統計技能的數據科學從業者來說也是有用的。

第一章對為什么統計和統計思想在數據科學領域具有重要意義進行了一般性討論。本書的這一章還將本書與側重于統計和機器學習的其他書進行了對比。后面的第2-5章可以看作是統計估計理論的簡要介紹。這兩種方法我們都包括，頻率理論和貝葉斯理論。換句話說，我們引入似然模型，就像解釋數值方法一樣，比如貝葉斯模型中的蒙特卡羅馬爾可夫鏈。第6章討論了統計檢驗，它與使用置信區間進行不確定性量化、貝葉斯推理和分類的方法相同。前六章提供了核心教學大綱，當然更多地關注理論和概念，但較少地關注應用。第7章著眼于回歸模型的廣泛領域，雖然本章更適用于此，但它肯定沒有涵蓋該領域，因為它應該與數據科學項目的普通教育有關。在我們看來，回歸是統計學和數據科學的一個基本概念，應該在單獨的講座/課程中討論;因此，這些材料需要包含在一個單獨的書中，其中一些我們在我們的書中引用。然而，我們認為，一本不涉及回歸的統計書也是不合適的。

//github.com/SFRI-SDS-lmu/book_first_edition/

在過去的十年里，人們對人工智能和機器學習的興趣有了相當大的增長。從最廣泛的意義上說，這些領域旨在“學習一些有用的東西”，了解生物體所處的環境。如何處理收集到的信息導致了算法的發展——如何處理高維數據和處理不確定性。在機器學習和相關領域的早期研究階段，類似的技術在相對孤立的研究社區中被發現。雖然不是所有的技術都有概率論的自然描述，但許多都有，它是圖模型的框架(圖和概率論的結合)，使從統計物理、統計、機器學習和信息理論的想法的理解和轉移。在這種程度上，現在有理由期待機器學習研究人員熟悉統計建模技術的基礎知識。這本書集中在信息處理和機器學習的概率方面。當然，沒有人說這種方法是正確的，也沒有人說這是唯一有用的方法。事實上，有人可能會反駁說，這是沒有必要的，因為“生物有機體不使用概率論”。無論情況是否如此，不可否認的是，圖模型和概率框架幫助機器學習領域出現了新算法和模型的爆炸式增長。我們還應該清楚，貝葉斯觀點并不是描述機器學習和信息處理的唯一方法。貝葉斯和概率技術在需要考慮不確定性的領域中發揮了自己的作用。

//www0.cs.ucl.ac.uk/staff/d.barber/brml/

本書結構

本書第一部分的目的之一是鼓勵計算機科學專業的學生進入這一領域。許多現代學生面臨的一個特別困難是有限的正規微積分和線性代數訓練，這意味著連續和高維分布的細節可能會讓他們離開。在以概率作為推理系統的一種形式開始時，我們希望向讀者展示他們可能更熟悉的邏輯推理和動態規劃的想法如何在概率環境中有自然的相似之處。特別是，計算機科學的學生熟悉的概念，算法為核心。然而，在機器學習中更常見的做法是將模型視為核心，而如何實現則是次要的。從這個角度來看，理解如何將一個數學模型轉換成一段計算機代碼是核心。

第二部分介紹了理解連續分布所需的統計背景，以及如何從概率框架來看待學習。第三部分討論機器學習的主題。當然，當一些讀者看到他們最喜歡的統計話題被列在機器學習下面時，他們會感到驚訝。統計學和機器學習之間的一個不同觀點是，我們最終希望構建什么樣的系統(能夠完成“人類/生物信息處理任務的機器)，而不是某些技術。因此，我認為這本書的這一部分對機器學習者來說是有用的。第四部分討論了明確考慮時間的動態模型。特別是卡爾曼濾波器被視為圖模型的一種形式，這有助于強調模型是什么，而不是像工程文獻中更傳統的那樣把它作為一個“過濾器”。第五部分簡要介紹了近似推理技術，包括隨機(蒙特卡羅)和確定性(變分)技術。

《現代統計學導論》是對之前的游戲《統計學與隨機化和模擬導論》的重新構想。這本新書著重強調了探索性數據分析(特別是使用可視化、摘要和描述性模型探索多元關系)，并提供了使用隨機化和引導的基于模擬的推理的全面討論，接著介紹了基于中心極限定理的相關方法。

第1部分:數據介紹。數據結構、變量、摘要、圖形、基本數據收集和研究設計技術。 第2部分:探索性數據分析。數據可視化和總結，特別強調多變量關系。 第3部分:回歸建模。用線性和邏輯回歸建模數值和分類結果，并使用模型結果來描述關系和作出預測。 第4部分:推理的基礎。案例研究被用來引入隨機測試、bootstrap間隔和數學模型的統計推理的思想。 第5部分:統計推斷。使用隨機化測試、引導間隔和數值和分類數據的數學模型的統計推斷的進一步細節。 第6部分:推理建模。擴展推理技術提出了迄今為止的線性和邏輯回歸設置和評估模型性能。

我們希望讀者能從本書中汲取三種思想，并為統計學的思維和方法打下基礎。

1. 統計學是一個具有廣泛實際應用的應用領域。

2. 你不必成為數學大師，也可以從有趣的、真實的數據中學習。

3. 數據是混亂的，統計工具是不完善的。

地址：

//www.openintro.org/book/ims/

神經網絡是一組計算單元的集合，這些計算單元被連接在一起，稱為神經元，每個神經元產生一個實際值的結果，稱為激活。輸入神經元從感知環境的傳感器中被激活，而其他神經元從之前的神經元激活中被激活。這種結構使神經元能夠相互發送信息，從而理順那些有助于成功解決問題的連接，減少那些導致失敗的連接。

這本書從數學的角度描述了神經網絡如何運作。因此，神經網絡既可以解釋為函數通用逼近器，也可以解釋為信息處理器。目前工作的主要目標是把神經網絡的思想和概念寫成精確的現代數學語言，這些思想和概念現在在直觀的水平上使用。這本書是一個古老的好古典數學和現代概念的深入學習的混合物。主要的焦點是在數學方面，因為在今天的發展趨勢中，忽略了許多數學細節，大多數論文只強調計算機科學的細節和實際應用。

//www.springer.com/gp/book/9783030367206

機器學習和人工神經網絡無處不在，它們對我們日常生活的影響比我們可能意識到的還要深遠。這堂課是專門針對機器學習在不同科學領域的使用的介紹。在科學研究中，我們看到機器學習的應用越來越多，反映了工業技術的發展。這樣一來，機器學習就成為了精確科學的通用新工具，與微積分、傳統統計學和數值模擬等方法并行其道。這就提出了一個問題，在圖2所示的科學工作流程中，這些新方法是最好的。

此外，一旦確定了一項特定的任務，將機器學習應用到科學領域就會面臨非常具體的挑戰: (i) 科學數據通常具有非常特定的結構，例如晶體圖像中近乎完美的周期性; (ii) 通常情況下，我們對應該反映在機器學習分析中的數據相關性有特定的知識; （iii) 我們想要了解為什么一個特定的算法會起作用，尋求對自然機制和法則的基本見解; (iv) 在科學領域，我們習慣于算法和定律提供確定性答案，而機器學習本質上是概率性的——不存在絕對的確定性。盡管如此，定量精度在許多科學領域是至關重要的，因此是機器學習方法的一個關鍵基準。

這堂課是為科學領域的科學家和學生介紹基本機器學習算法。我們將涵蓋：

• 最基本的機器學習算法，
• 該領域的術語，簡要解釋，
• 監督和無監督學習的原理，以及為什么它是如此成功，
• 各種人工神經網絡的架構和它們適合的問題，
• 我們如何發現機器學習算法使用什么來解決問題

機器學習領域充滿了行話，對于不了解機器學習的人來說，這些行話掩蓋了機器學習方法的核心。作為一個不斷變化的領域，新的術語正在以快速的速度被引入。我們的目標是通過精確的數學公式和簡潔的公式來切入俚語，為那些了解微積分和線性代數的人揭開機器學習概念的神秘面紗。

如上所述，數據是本節課所討論的大多數機器學習方法的核心。由于原始數據在很多情況下非常復雜和高維，首先更好地理解數據并降低它們的維數往往是至關重要的。下一節，第2節將討論在轉向神經網絡的重型機器之前可以使用的簡單算法。

我們最關注的機器學習算法，一般可以分為兩類算法，即判別算法和生成算法，如圖3所示。判別任務的例子包括分類問題，如上述數字分類或分類為固體，液體和氣相給出一些實驗觀測。同樣，回歸，也就是估計變量之間的關系，也是一個判別問題。更具體地說，我們在給定一些輸入數據x的情況下，嘗試近似某個變量y (label)的條件概率分布P(y|x)。由于這些任務中的大部分數據都是以輸入數據和目標數據的形式提供的，這些算法通常采用監督學習。判別算法最直接地適用于科學，我們將在第3和第4節中討論它們。

人工智能的前景可能引發科學領域的不合理預期。畢竟，科學知識的產生是最復雜的智力過程之一。計算機算法肯定還遠沒有達到那樣復雜的水平，而且在不久的將來也不會獨立地制定新的自然法則。盡管如此，研究人員研究了機器學習如何幫助科學工作流程的各個部分(圖2)。雖然制定牛頓經典力學定律所需的抽象類型似乎難以置信地復雜，但神經網絡非常擅長隱式知識表示。然而，要準確地理解它們是如何完成某些任務的，并不是一件容易的事情。我們將在第6節討論這個可解釋的問題。

第三類算法被稱為強化學習(reinforcement learning)，它不完全符合近似統計模型的框架. 機器學習的成功很大程度上與科學家使用適當算法的經驗有關。因此，我們強烈建議認真解決伴隨練習，并充分利用練習課程。

機器學習是數學統計和計算機科學交叉的跨學科領域。機器學習研究統計模型和算法，以從經驗數據中得出預測因子或有意義的模式。機器學習技術主要應用于搜索引擎、語音識別和自然語言處理、圖像檢測、機器人技術等領域。在我們的課程中，我們將討論以下問題:學習的數學模型是什么?如何量化一個學習問題的難度/難度/復雜性?如何選擇學習模型和學習算法?如何衡量機器學習的成功?

我們的課程大綱:

1. 監督學習，非監督學習，強化學習。

2. 機器學習泛化能力

3. 支持向量機，核機

4. 神經網絡和深度學習

近年來，神經網絡已成為分析復雜和抽象數據模型的有力工具。然而，它們的引入本質上增加了我們的不確定性，即分析的哪些特征是與模型相關的，哪些是由神經網絡造成的。這意味著，神經網絡的預測存在偏差，無法與數據的創建和觀察的真實本質區分開來。為了嘗試解決這些問題，我們討論了貝葉斯神經網絡:可以描述由網絡引起的不確定性的神經網絡。特別地，我們提出了貝葉斯統計框架，它允許我們根據觀察某些數據的根深蒂固的隨機性和我們缺乏關于如何創建和觀察數據的知識的不確定性來對不確定性進行分類。在介紹這些技術時，我們展示了如何從原理上獲得神經網絡預測中的誤差，并提供了描述這些誤差的兩種常用方法。我們還將描述這兩種方法在實際應用時如何存在重大缺陷，并強調在使用神經網絡時需要其他統計技術來真正進行推理。