≪统计学习精要(The Elements of Statistical Learning)≫课堂笔记（十一）

上海的冬天越来越冷了，这门课也越来越临近这学期结束了。这节课公式推导不多，有也是那种烂熟于胸无数次的，所以可以稍稍歪楼，不时掺杂一点八卦什么的。

BootStrap

1. 定义

BootStrap的基本思想就仨字：重抽样。先开始八卦~

跟高斯窥探天机猜出来正态分布的密度函数表达式相似，Efron搞出来BootStrap的时候，大概也在偷偷的抿嘴而笑吧。“上帝到底掷不掷骰子呢？”，每次我们都在揣测天意，也是现在越来越有点理解为什么牛顿老先生晚年致力于神学了。每当我们猜中一次，就会有一个新的突破到来。BootStrap思想简单到如斯，以至于我的一位朋友在当高中老师的时候（可惜是美国不是中国），就尝试着跟 teenagers 介绍BootStrap思想了（貌似用的还是Econometrica上的一篇文章，我瞬间声讨“你们这群高中老师真凶残-_-||）——结果显然是我多虑了，那群熊孩子居然表示理解毫无压力！可见BootStrap这个东西是有多么的平易近人。什么测度论什么高等代数都不需要，会摸球就可以了！

顺便抄一下杨灿童鞋《那些年，我们一起追的EB》上的一段八卦：

五十多年前，Efron为 Stanford 的一本幽默杂志 Chapparal 做主编。那年，他们恶搞 (parody) 了著名杂志Playboy。估计是恶搞得太给力了，还受到当时三藩的大主教的批评。幽默的力量使 Efron 在“错误”的道路上越走越远，差点就不回Stanford 读 PhD 了。借用前段时间冰岛外长的语录：“Efron 从事娱乐时尚界的工作，是科学界的一大损失！”在关键时刻，Efron在周围朋友的关心和支持下，终于回到 Stanford，开始把他的犀利与机智用在 statistics 上。告别了娱乐时尚界的 EB，从此研究成果犹如滔滔江水，连绵不绝，citation又如黄河泛滥，一发不可收拾...

所以说嘛，天才之人做什么都是能闪光的，Efron从事科学界的工作，怕也是美国几亿人民周末娱乐的损失吧。好了，满足了你们这群越来越挑剔的读者八卦的胃口了，开始正儿八经的说BootStrap。

我们有观测数据集，然后对这N个样本，进行有放回的重抽样。每轮我们还是抽N个，然后一共抽B轮（比如几百轮，话说前几天weibo上有人问“如果给你一万个人，你要做什么”，放在这里我就要他们不停的抽小球抽小球抽小球，哈哈！）。这样就得到了新的观测样本。

2. 应用

BootStrap几乎可以用来干各种合法的不合法的事儿，只要是跟数据估计有关的...这就如同你问一个画家，“什么最好画？”“上帝和魔鬼，因为大家都没有见过。”大家都没有那么明确的知道BootStrap的界限在哪里，所以BootStrap就被应用在各种跟估计有关的地方了。

在统计学习中，我们最常用的可能就是估计精度：对于每一个，我们都可以得到一个预测函数，然后就对于给定的，有B个预测值，这样就可以做直方图什么的，还可以排排序算出来的置信区间。

最大似然估计（MLE）

我们有一族密度函数，其中为参数集，可不止一个参数。按照概率的定义，我们有，而且。

数据方面，我们有一组数据，为\emph{i.i.d}（独立同分布）。

这样就可以写出来似然函数： ，从而可以写出来对数似然函数：。接下来驾轻就熟的，我们就有最大似然估计量：。

最大似然估计之所以这么受欢迎，主要是他有一个非常好的性质：一致性，即当，估计值收敛于真值。

仅仅渐进一致还不够，我们当然更喜欢的是MLE的附加优良性质：渐进正态，即，其中称为信息矩阵，定义为。实际中，如果我们不知道真值，则会用估计值来代替正态分布中的参数。（没想到事隔这么多年，我居然又手动推导了一遍MLE...真的是，我跟统计的缘分怎么这么纠缠不断呀）。

MLE大都要求数值解的，少数情况下可以求解解析解。比如正态分布。

正态分布的密度函数为：，所以我们有对数似然函数：

还有一个特例是正态线性回归模型（Gauss-Markov），即，其中，这个就和OLS的BLUE性质蛮像了，MLE和OLS对于此种情形估计值是完全一样的。所以说高斯王子在搞出OLS的时候，也是各种深思熟虑过的...揣测上帝的“旨意”也不是件信手拈来的事儿的。

简单情形下，我们可以直接求得估计量的置信区间，但是在复杂的情形下，就只能用BootStrap了。人们的思路就从传统的数学推倒，越来越多的转换到计算能力了。有的时候稍稍感觉这更符合统计学的思维——归纳嘛，这也是统计学在computer

area和数学渐行渐远的表现之一么？

吴老师总结了一句话：BootStrap类方法，就是思想简单、实际有效，虽然不知道为什么...

模型平均

模型平均也是有点延续上面的BootStrap思想，就是我有很多重抽样出来的模型之后，要怎么平均这些结果来找出最优模型的。

1. Bagging方法。 这个就有点直截了当了。利用BootStrap，我可以，然后自然收集了一堆，所以简单一点就平均一下：

2. Stacking方法。这个就稍稍动了一点心思，直接平均看起来好简单粗暴呀，还是加权平均一下比较细致一点。所以：，其中权重。实际操作中，的选取也是一个蛮tricky的事儿。可以利用validation集来优化...

3. Bumpping (优选)方法。，即在所有的中，选择最好的那个，使得一定标准下的损失最小。

话说，Machine learning或者统计学习，无非就是四件事儿：数据(D)、函数族()、准则()、算法(A)。说来说去，每一样改进都是在这四个的某一方面或者某几方面进行提升的。