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Fundamentos matemáticos del machine learning

El objetivo de este bloque es construir el lenguaje matemático que utilizan los algoritmos del libro. El recorrido va de la representación de los datos a la optimización de una función de pérdida:

\[ X, y \longrightarrow \hat{y}=X\theta \longrightarrow J(\theta) \longrightarrow \nabla J(\theta) \longrightarrow \text{entrenamiento} \]

La notación que utilizaremos será:

  • \(X \in \mathbb{R}^{n \times d}\): matriz de datos con \(n\) ejemplos y \(d\) características.
  • \(y \in \mathbb{R}^{n}\): vector de valores objetivo.
  • \(\theta \in \mathbb{R}^{d}\): vector de parámetros del modelo.
  • \(\hat{y}\): vector de predicciones.

1 Álgebra lineal

Estos capítulos introducen las operaciones que aparecen después en regresión, KNN, PCA, SVM y redes neuronales. En particular, una norma mide el tamaño de un vector y una distancia puede escribirse como \(d(x,z)=\|x-z\|\).

2 Funciones y cálculo

El cálculo se aplica a funciones de pérdida. El gradiente indica cómo cambia la pérdida al modificar los parámetros y permite construir algoritmos de optimización.

3 Probabilidad y estadística

La probabilidad describe la incertidumbre; la estadística permite estimar propiedades de una población a partir de datos. Estos conceptos conectan con Naive Bayes, la clasificación probabilística, la evaluación y el análisis de errores.

4 Conexiones con los algoritmos

  • Regresión lineal: mínimos cuadrados, proyecciones y gradiente.
  • PCA: centrado, matriz de covarianza, autovectores y proyecciones.
  • SVM: producto escalar, norma, margen y optimización restringida.
  • Redes neuronales: composición de funciones, regla de la cadena y gradientes.