摘要：这些数学定义构成了数据科学/机器学习/深度学习的重要基础，从优化算法到概率分布，从特征工程到模型评估，它们在数据科学的各个环节都发挥着关键作用。理解和掌握这些定义，对于深入学习和应用数据科学技术至关重要。
这些数学定义构成了数据科学/机器学习/深度学习的重要基础，从优化算法到概率分布，从特征工程到模型评估，它们在数据科学的各个环节都发挥着关键作用。理解和掌握这些定义，对于深入学习和应用数据科学技术至关重要。
1. 梯度下降（Gradient Descent）公式
讲解
梯度下降是一种优化算法，用于最小化损失函数。其中， 是第 次迭代的参数， 是学习率， 是损失函数 在 处的梯度。它通过不断沿着梯度的反方向更新参数，来逐步接近损失函数的最小值。
代码实现（Python）
import numpy as np# 假设的损失函数 def loss_function(theta):return theta**2# 损失函数的梯度 def gradient(theta):return 2 * thetatheta = 5 # 初始参数 learning_rate = 0.1epochs = 100for _ in range(epochs):theta = theta - learning_rate * gradient(theta)print("最终参数:", theta)2. 正态分布（Normal distribution）公式讲解
正态分布是一种常见的概率分布， 是均值， 是方差。它的概率密度函数呈钟形曲线，许多自然现象和数据都近似服从正态分布。
代码实现（Python）
import numpy as npimport matplotlib.pyplot as pltfrom scipy.stats import normmu = 0sigma = 1x = np.linspace(mu - 3*sigma, mu + 3*sigma, 100)plt.plot(x, norm.pdf(x, mu, sigma))plt.show3. Z - 分数（Z - score）公式讲解
Z - 分数用于标准化数据，它表示一个数据点 距离均值 有多少个标准差 。通过Z - 分数变换，可以将不同尺度的数据转换到同一尺度，便于比较和分析。
代码实现（Python）
import numpy as npdata = np.array([1, 2, 3, 4, 5])mean = np.mean(data)std = np.std(data)z_scores = (data - mean) / stdprint("Z - 分数:", z_scores)4. Sigmoid 函数公式讲解
Sigmoid 函数常用于将实数映射到 (0, 1) 区间，常作为神经网络中的激活函数。它将输入值压缩到一个概率值范围内，特别适用于二分类问题。
代码实现（Python）
import numpy as npimport matplotlib.pyplot as pltdef sigmoid(x):return 1 / (1 + np.exp(-x))x = np.linspace(-5, 5, 100)plt.plot(x, sigmoid(x))plt.show5. 相关性（Correlation）公式讲解
相关性用于衡量两个变量 和 之间的线性相关程度。 是协方差， 和 分别是 和 的标准差。相关性系数的取值范围是 [-1, 1]，-1 表示完全负相关，1 表示完全正相关，0 表示无线性相关。
代码实现（Python）
import numpy as npx = np.array([1, 2, 3, 4, 5])y = np.array([5, 4, 3, 2, 1])corr = np.corrcoef(x, y)[0, 1]print("相关性系数:", corr)6. 余弦相似度（Cosine Similarity）公式讲解
余弦相似度用于衡量两个向量 和 的夹角余弦值，从而判断它们的相似程度。它常用于文本相似度计算等领域，不考虑向量的长度，只关注向量的方向。
代码实现（Python）
import numpy as npa = np.array([1, 2, 3])b = np.array([4, 5, 6])cosine_sim = np.dot(a, b) / (np.linalg.norm(a) * np.linalg.norm(b))print("余弦相似度:", cosine_sim)7. 朴素贝叶斯（Naive Bayes）公式讲解
朴素贝叶斯是一种基于贝叶斯定理的分类算法，假设特征之间相互独立。它通过计算给定特征下类别的后验概率，来进行分类预测。
代码实现（Python）
from sklearn.naive_bayes import GaussianNBimport numpy as np# 假设的训练数据 X = np.array([[-1, -1], [-2, -1], [-3, -2], [1, 1], [2, 1], [3, 2]])y = np.array([1, 1, 1, 2, 2, 2])clf = GaussianNBclf.fit(X, y)print("预测:", clf.predict([[-0.8, -1]]))8. 最大似然估计（MLE - Maximum Likelihood Estimation）公式讲解
最大似然估计是一种参数估计方法，通过找到使观测数据出现概率最大的参数值 来估计模型参数。它假设数据是独立同分布的。
代码实现（Python）
import numpy as npfrom scipy.stats import norm# 假设的数据来自正态分布 data = np.random.normal(5, 2, 100)# 估计均值和标准差 mu_hat = np.mean(data)sigma_hat = np.std(data)print("估计的均值:", mu_hat)print("估计的标准差:", sigma_hat)9. 普通最小二乘法（OLS - Ordinary Least Squares）公式讲解
普通最小二乘法用于线性回归，通过最小化观测值 与预测值 之间的误差平方和，来估计回归系数 。 是特征矩阵， 是目标变量。
代码实现（Python）
import numpy as npimport statsmodels.api as sm# 假设的特征和目标变量 X = np.array([[1, 1], [1, 2], [1, 3]])y = np.array([2, 4, 6])# 添加常数项 X = sm.add_constant(X)model = sm.OLS(y, X).fitprint("回归系数:", model.params)10. F1 - 分数（F1 Score）公式讲解
F1 - 分数是一种用于衡量分类模型性能的指标，它综合了精确率 和召回率 。精确率是预测为正例中实际为正例的比例，召回率是实际正例中被预测为正例的比例。F1 - 分数越高，说明模型在正例识别上的综合性能越好。
代码实现（Python）
from sklearn.metrics import f1_scorey_true = [0, 1, 1, 0]y_pred = [0, 1, 0, 0]print("F1 - 分数:", f1_score(y_true, y_pred))11. 修正线性单元（ReLU - Rectified Linear Unit）公式讲解
ReLU 是一种常用的神经网络激活函数，它将所有负输入值置为 0，正输入值保持不变。它解决了梯度消失问题，并且计算效率高。
代码实现（Python）
import numpy as npimport matplotlib.pyplot as pltdef relu(x):return np.maximum(0, x)x = np.linspace(-5, 5, 100)plt.plot(x, relu(x))plt.show12. Softmax 函数公式讲解
Softmax 函数常用于多分类问题，将输入向量转换为概率分布，使得所有类别的概率之和为 1。它输出每个类别的概率，便于进行分类决策。
代码实现（Python）
import numpy as npdef softmax(x):exp_x = np.exp(x - np.max(x))return exp_x / np.sum(exp_x)x = np.array([1, 2, 3])print("Softmax 输出:", softmax(x))13. R2 - 分数（R2 score）公式讲解
R2 - 分数用于评估回归模型的拟合优度，取值范围是 [0, 1]。1 表示模型完全拟合数据，0 表示模型与数据的均值预测效果相同。
代码实现（Python）
from sklearn.metrics import r2_scorey_true = [3, -0.5, 2, 7]y_pred = [2.5, 0.0, 2, 8]print("R2 - 分数:", r2_score(y_true, y_pred))14. 均方误差（MSE - Mean Squared Error）公式讲解
均方误差是一种常用的回归模型损失函数，它计算预测值 与真实值 之间误差的平方的平均值，衡量了模型预测值与真实值的平均偏离程度。
代码实现（Python）
from sklearn.metrics import mean_squared_errory_true = [1, 2.5, 3]y_pred = [1.2, 2.4, 2.9]print("均方误差:", mean_squared_error(y_true, y_pred))15. 均方误差 + L2 正则化（MSE + L2 Reg）公式讲解
在均方误差的基础上加入 L2 正则化项， 是正则化参数， 是模型参数。L2 正则化通过惩罚较大的参数值，防止模型过拟合。
代码实现（Python）
from sklearn.linear_model import Ridge# 假设的特征和目标变量 X = np.array([[1, 1], [1, 2], [1, 3]])y = np.array([2, 4, 6])model = Ridge(alpha = 1.0)model.fit(X, y)print("正则化后的系数:", model.coef_)16. 特征向量（Eigen vectors）公式讲解
对于一个方阵 ，如果存在非零向量 和标量 满足上述公式，那么 就是 的特征向量， 是对应的特征值。特征向量和特征值在主成分分析（PCA）等降维技术中有重要应用。
代码实现（Python）
import numpy as npA = np.array([[2, 1], [1, 2]])eigen_values, eigen_vectors = np.linalg.eig(A)print("特征值:", eigen_values)print("特征向量:", eigen_vectors)17. 熵（Entropy）公式讲解
熵是信息论中的一个概念，用于衡量随机变量的不确定性。 是事件 发生的概率，熵越大，说明不确定性越高。
代码实现（Python）
import numpy as npprobabilities = np.array([0.2, 0.3, 0.5])entropy = -np.sum([p * np.log2(p) for p in probabilities if p > 0])print("熵:", entropy)18. K - 均值聚类（KMeans）公式讲解
K - 均值聚类是一种无监督学习算法，将数据集划分为 个簇。它通过不断更新簇中心 ，使得每个数据点到其所属簇中心的距离平方和最小。
代码实现（Python）
from sklearn.cluster import KMeansimport numpy as np# 假设的数据 X = np.array([[1, 2], [1, 4], [1, 0], [4, 2], [4, 4], [4, 0]])kmeans = KMeans(n_clusters = 2, random_state = 0).fit(X)print("聚类标签:", kmeans.labels_)19. KL 散度（KL Divergence）公式讲解
KL 散度用于衡量两个概率分布 和 之间的差异。它是非对称的，即 。
代码实现（Python）
import numpy as npp = np.array([0.25, 0.25, 0.25, 0.25])q = np.array([0.1, 0.2, 0.3, 0.4])kl_divergence = np.sum([p_i * np.log(p_i / q_i) for p_i, q_i in zip(p, q) if p_i > 0 and q_i > 0])print("KL 散度:", kl_divergence)20. 对数损失（Log - loss）公式讲解
对数损失常用于分类问题，衡量预测概率 与真实标签 之间的差异。它对错误预测给予较大的惩罚。
代码实现（Python）
from sklearn.metrics import log_lossy_true = [0, 1]y_pred = [[0.9, 0.1], [0.1, 0.9]]print("对数损失:", log_loss(y_true, y_pred))21. 支持向量机（SVM - Support Vector Machine）公式讲解
SVM 是一种分类和回归模型，通过寻找一个最优超平面来最大化样本点到超平面的间隔。 是超平面的法向量， 是偏置， 是惩罚参数。
代码实现（Python）
from sklearn import svmimport numpy as np# 假设的训练数据 X = np.array([[0, 0], [1, 1]])y = np.array([0, 1])clf = svm.SVCclf.fit(X, y)22. 线性回归（Linear regression）公式讲解
线性回归是一种基本的监督学习算法，用于建立自变量 与因变量 之间的线性关系。其中， 是截距， 是回归系数， 是误差项，通常假定其服从均值为 0 的正态分布。通过最小化预测值与真实值之间的误差（如均方误差），可以估计出回归系数的值。
代码实现（Python）
import numpy as npimport matplotlib.pyplot as plt# 生成一些随机数据 np.random.seed(0)x = np.random.rand(100, 1)y = 2 + 3 * x + np.random.randn(100, 1)# 添加截距项 X = np.hstack((np.ones((100, 1)), x))# 计算回归系数 beta = np.linalg.inv(X.T @ X) @ X.T @ y# 预测 y_pred = X @ beta# 绘制图形 plt.scatter(x, y)plt.plot(x, y_pred, 'r')plt.xlabel('x')plt.ylabel('y')plt.show23. 奇异值分解（SVD - Singular Value Decomposition）公式讲解
对于任意的 矩阵 ，奇异值分解将其分解为三个矩阵的乘积。其中， 是 的正交矩阵，其列向量称为左奇异向量； 是 的对角矩阵，对角线上的元素称为奇异值，通常按从大到小排列； 是 的正交矩阵，其列向量称为右奇异向量。SVD 在数据降维、图像压缩、推荐系统等领域有广泛应用。
代码实现（Python）
import numpy as npA = np.array([[1, 2], [3, 4]])U, s, Vt = np.linalg.svd(A)Sigma = np.zeros(A.shape)Sigma[:min(A.shape[0], A.shape[1]), :min(A.shape[0], A.shape[1])] = np.diag(s)print("U:", U)print("Sigma:", Sigma)print("Vt:", Vt)24. 拉格朗日乘数（Lagrange multiplier）公式讲解
拉格朗日乘数法是一种用于求解在等式约束条件下函数极值的方法。给定目标函数 和约束条件 ，通过引入拉格朗日乘数 构建拉格朗日函数 。然后，对 分别关于 和 求偏导数，并令偏导数等于 0，求解得到的方程组，即可得到在约束条件下目标函数的极值点。
代码实现（Python，以一个简单的例子说明）
from scipy.optimize import minimize# 目标函数 def f(x):return x[0] ** 2 + x[1] ** 2# 约束条件 def constraint(x):return x[0] + x[1] - 1# 初始猜测值 x0 = np.array([0, 0])# 求解 solution = minimize(f, x0, constraints={'type': 'eq', 'fun': constraint})print("最优解:", solution.x)print("最优值:", solution.fun)25. 可补充的重要数学定义（示例：交叉熵 - Cross - Entropy）公式讲解
交叉熵用于衡量两个概率分布 和 之间的差异，在机器学习中常用于分类问题的损失函数。当 是真实分布， 是预测分布时，交叉熵越小，表示预测分布与真实分布越接近。
代码实现（Python）
import numpy as npp = np.array([0.2, 0.3, 0.5])q = np.array([0.1, 0.4, 0.5])cross_entropy = -np.sum([p_i * np.log(q_i) for p_i, q_i in zip(p, q) if p_i > 0 and q_i > 0])print("交叉熵:", cross_entropy)来源：小雨科技观
