機器學習的基礎概論：Python程式設計我也可以成功做到(第1版)

第一部分　核心概念與基礎
⊙機器學習（Machine Learning, ML）基礎知識與準備
　　機器學習（ML）是人工智慧（AI）的一個重要分支，它讓電腦系統能夠透過資料分析與模型辨識來自動學習與改進，而不需要被明確地編寫每一步的程式指令。迄今機器學習的應用領域極為廣泛，其重要性在於它能帶來自動化、優化決策與創造新的價值。
　　「機器學習」研究的是：如何設計與分析演算法，讓電腦系統能夠從資料中自動「學習」規律，並利用這些規律對未知資料進行預測或決策，而不需要人類明確地輸入程式指令。
　　簡單來說，就像學生透過大量的練習與經驗來學習知識一樣，機器學習的模型是透過處理大量的歷史數據來發現模型，然後不斷優化自己，使其預測結果越來越準確。
第一章　機器學習概論
　　一個完整的機器學習基礎課程應從概念、數據處理、模型評估開始，然後深入了解幾種經典的監督式與非監督式演算法及Python 程式設計。本書是學習機器學習的起點，故包含必要的工具與數學基礎。
1-1　機器學習的起源：定義、歷史、應用領域與重要性
一、機器學習的定義
　　機器學習的核心思想，是讓電腦系統能夠從資料中自動學習規律、持續優化決策或預測，而無需人類給出明確的程式設計指令。
(一) 可以將機器學習想像成一位學生
1. 資料：如同學生的課本與作業。
2. 演算法：如同學生的學習方法與推理邏輯。
3. 模型：是學習過程結束後，學生內化並歸納出的一套知識體系或解題方法。
(二) 核心運作方式
1. 資料輸入：給予模型大量的歷史資料（例如數百萬張照片／影像、感測器大數據、交易紀錄或X光片）。
2. 模型識別：演算法從這些數據中尋找與萃取潛在的模型與數學關聯。
3. 模型訓練與優化：模型根據這些感測器收集的大數據來進行預測。每當預測出錯時，模型會調整其內部的數學參數（權重），不斷從錯誤中學習與改進，直到預測的準確度達到要求。
　　總結來說：機器學習讓電腦能夠「從經驗中學習」，並利用這些經驗來對新的數據做出精準的預測或決策。
二、機器學習的歷史
　　機器學習的發展與AI歷史緊密相關，經歷了數個關鍵階段：
(一) 早期起源（1950∼1970年）
1. 1950年：艾倫．圖靈（Alan Turing）提出圖靈測試，為機器智慧奠定了理論基礎。
2. 1956 年：達特茅斯會議正式提出「人工智慧」一詞。
3. 1959 年：阿瑟．塞繆爾（Arthur Samuel）首次提出了「機器學習」這個術語。他開發了一個著名的西洋跳棋程式，這個程式能夠透過與自己對弈來學習與改進策略，這被認為是機器學習的早期典範。
　　此階段研究主要集中在模型識別與統計學方法。
(二) 第一次與第二次AI寒冬（1970∼1990年）
　　由於當時的計算能力與資料量的侷限，早期的AI研究未能達到預期的高目標，導致學術界與工業界對AI失去信心，資金投入跟著減少，進入了所謂的「AI寒冬」。不過，期間也出現了專家系統，這是一種基於明確規則（rule）來解決特定領域問題的系統。
(三) 復甦與崛起（2000年代至今）
　　隨著科技的進步，機器學習迎來了爆發性成長：
1. 大數據（Big Data）：5G網路、感測器與數位化的普及，使得可供訓練的資料量呈指數級增長。
2. 計算能力提升：圖形處理器（GPU）的發展為複雜的機器學習演算法（會看、會說），特別是深度學習，提供了強大的運算支援。
3. 演算法改進：深度學習（Deep Learning）作為機器學習的一個子集，基於類神經網路的結構，透過多層次的學習，在影像處理、語音與文本等高維度非結構化數據方面，展現出驚人的準確度。
(四) 里程碑事件
1. 2012年：卷積神經網路（CNN）在影像識別大賽（ImageNet）中取得突破性成績，標誌著深度學習時代的正式到來。
2. 2016年：Google的AlphaGo擊敗世界圍棋冠軍李世乭，展現了強化學習與深度學習結合的強大能力。
　　如今，機器學習已成為AI領域的核心，廣泛應用於推薦系統、自動駕駛、無人機、醫療診斷、自然語言處理等各個領域。
三、機器學習的主要應用領域（Applications）
　　機器學習的技術已經深入到我們日常生活的方方面面，並在各大產業中發揮著關鍵作用。
四、ML重要性
　　機器學習之所以重要，是因為它能處理與分析人類難以應付的巨量數據，並從中萃取有價值的洞察，從而推動各行各業的創新與效率提升。
(一) 提升決策品質與速度
1. 數據驅動決策：機器學習模型能夠快速分析大規模數據集，識別出人類可能忽略的複雜趨勢與模型，讓企業能夠做出更準確、基於事實的決策。
2. 及時反應：在金融交易（股市／匯市）或網路安全等領域，機器學習可以在毫秒間做出決策與反應，這對傳統的人工判斷來說是不可能達成的。
(二) 實現高度自動化
1. 任務效率化：將顧客服務（如ChatGPT、NotebookML、Gemini、Sora AI聊天機器人）、資料處理與品質檢查等重複性或例行性任務自動化〔像自動倉儲（透過控制系統協助，整合儲存、取出、運輸和分揀等步驟，有效提升倉儲作業效率，實現貨物自動存取）〕，降低人力成本並提高營運效率。
2. 持續優化：模型會隨著新數據的流入而不斷自我學習與改進，形成「越用越聰明」的良性循環，持續優化其性能與準確度。模型優化係指通過一系列技術與方法，改進演算法性能，以提高準確性、穩定性和計算效率。核心目標為提升準確率，使模型能更有效地完成預測或分類任務。
(三) 創造新的商業模型與顧客體驗
1. 個人化：機器學習是個人化推薦系統的核心，它能為顧客提供量身定制的產品、內容或服務，極大地提升顧客滿意度與促進銷售。例如推薦系統使用機
器學習與資料篩選技術的AI子集來提供建議。
2. 創新解決方案：促成了自動駕駛（車／船／無人機）、精準醫療等顛覆性技術的實現，解決了過去無法解決的複雜問題，開拓新商機及收入管道。
　　總結來說，機器學習是當代數位轉型的基石，它使機器具備了「學習」的能力，成為企業在快速變化的市場中保持競爭力、應對挑戰與開創新局的關鍵工具。

第一部分　核心概念與基礎
⊙機器學習（Machine Learning, ML）基礎知識與準備
　　機器學習（ML）是人工智慧（AI）的一個重要分支，它讓電腦系統能夠透過資料分析與模型辨識來自動學習與改進，而不需要被明確地編寫每一步的程式指令。迄今機器學習的應用領域極為廣泛，其重要性在於它能帶來自動化、優化決策與創造新的價值。
　　「機器學習」研究的是：如何設計與分析演算法，讓電腦系統能夠從資料中自動「學習」規律，並利用這些規律對未知資料進行預測或決策，而不需要人類明確地輸入程式指令。
　　簡單來說，就像學生透過大量的練習與...

本書同時符合教學與活動需求／用途，它平衡理論知識的傳授與實際操作和應用能力的培養，包括：
(一) 教學需求：理論傳授與知識體系
　　教學需求主要關注於知識的完整性、結構的邏輯性、概念的清晰度，以及學術上的嚴謹性。
(二) 活動需求或用途（Python實作與應用能力）
　　活動需求或用途主要關注於實用性、操作性、技能的培養，以及將理論轉化為實際解決方案的能力。

　　本書更是引人入勝且實用的機器學習教科書，它包含以下幾個重要的特色：

一、內容結構與廣度
(一) 基礎紮實，循序漸進
1. 從核心概念開始：確保讀者能確實理解機器學習的基礎原理，例如監督式學習、非監督式學習、強化學習的區別與應用場景。
2. 數學與統計基礎的平衡：提供足夠的數學直覺和必要的推導（如梯度下降、機率論、線性代數），但同時避免過度鑽研數學細節而嚇跑讀者。
(二) 涵蓋主流演算法與模型
1. 經典與現代並重：包含線性／邏輯迴歸、決策樹、支援向量機等經典演算法。
2. 深度學習的深入探討：專門設立章節深入介紹深度學習，包括卷積神經網路（CNN）、遞迴神經網路（RNN）、長短期記憶（LSTM）、門控循環單元（GRU）、Transformer架構等，因為這是當前的熱門與主流應用。
(三) 實務流程與評估
1. 機器學習專案生命週期：詳細介紹資料清洗（Data Cleaning）、特徵工程、模型訓練、模型評估與選擇、超參數校正等端到端的實務流程。
2. 公正的評估指標：清楚解釋並比較準確度、精準度、召回率、F1分數、AUC-ROC等各種模型評估指標，並說明它們在不同應用場景下的適用性。

二、教學方法與實用性
(一) 豐富且清晰的程式碼範例
1. Python程式設計為主：使用業界最主流的Python語言，搭配Scikit-learn、TensorFlow或PyTorch等函式庫。
2. 動手實作（Hands-on）：每個演算法或概念都應配有清晰、可運行的程式碼範例，鼓勵讀者即時操作，將理論知識轉化為實際技能。
(二) 真實世界的案例研究
1. 應用導向：使用真實或類真實的數據集（例如Kaggle上的數據集），進行完整的案例研究，展示機器學習如何解決實際問題，如圖像分類、自然語言處理、推薦系統等。
2. 倫理與偏見：專門討論機器學習的倫理問題、數據偏見以及模型的可解釋性，這對於訓練負責任的資料科學家至關重要。

　　總結來說，本書是實用的機器學習教科書，內容兼具理論深度、實務廣度，在Python程式碼實用性和教學直覺性之間取得完美平衡。

張紹勳（彰師大電機與機械科技學系，電話：0986-045-005）、張任坊、張博一　敬上

本書同時符合教學與活動需求／用途，它平衡理論知識的傳授與實際操作和應用能力的培養，包括：
(一) 教學需求：理論傳授與知識體系
　　教學需求主要關注於知識的完整性、結構的邏輯性、概念的清晰度，以及學術上的嚴謹性。
(二) 活動需求或用途（Python實作與應用能力）
　　活動需求或用途主要關注於實用性、操作性、技能的培養，以及將理論轉化為實際解決方案的能力。

　　本書更是引人入勝且實用的機器學習教科書，它包含以下幾個重要的特色：

一、內容結構與廣度
(一) 基礎紮實，循序漸進
1. 從核心概念開始：確保讀者能確實理解機...

第一部分　核心概念與基礎
Chapter01 機器學習概論
1-1 機器學習的起源：定義、歷史、應用領域與重要性
1-2 機器學習與人工智慧、數據科學的關係
1-3 學習前的準備
Chapter02 Python程式語言的安裝與基礎操作
2-1 Python程式語言的安裝
2-2 Jupyter Notebook基礎操作
2-3 Python基礎知識：變數、類型、運算、陣列、流程控制、函式等
2-4 Python的資料處理與視覺化：繪製二維／三維圖形、資料清理與準備
Chapter03 機器學習的類型
Chapter04 機器學習中的數學／統計基礎
4-1 統計與AI關係
4-2 線性代數（矩陣、向量）簡介
4-2-1 向量
4-2-2 矩陣
4-2-3 矩陣的Python程式設計
4-3 微積分（梯度、偏微分、梯度下降）
4-3-1 梯度、偏微分、梯度下降在AI的應用領域
4-3-2 偏微分定義
4-3-3 梯度下降定義
4-4 機率與統計（機率分布、期望值、最大概似估計）
4-4-1 機率在AI的應用領域
4-4-2 機率分布
4-4-3 貝氏定理（Bayes’ theorem）
4-4-4 期望值
4-4-5 最大概似估計

第二部分　數據處理與模型評估
Chapter05 數據處理與準備
5-1 數據清洗、缺失值處理、異常值處理
5-2 數據標準化（Standardization）與正規化（Normalization）
5-3 類別特徵編碼（如One-Hot Encoding）簡介
5-4 模型評估與選擇
5-4-1 訓練集（Training Set）、驗證集（Validation Set）、測試集（Test Set）的劃分
5-4-2 交叉驗證（Cross-Validation）
5-5 分類模型評估指標：準確度、精確度、召回率、F1分數、ROC曲線與AUC
5-5-1 分類模型評估指標：準確度（Accuracy）的Python程式設計
5-5-2 精確度（Precision）的Python程式設計
5-6 線性迴歸的Python程式設計：模型評估指標（如R2或MSE）

第三部分　經典機器學習演算法（傳統ML）
Chapter06 常見機器學習演算法的原理、優缺點與應用
6-1 線性模型簡介
6-1-1 線性迴歸（Linear Regression）簡介
6-1-2 羅吉斯迴歸（Logistic Regression）（用於分類）
6-1-3 Lasso迴歸：特徵選擇與降維（Feature Selection and Dimensionality Reduction）
6-2 決策樹與集成方法（Ensemble Methods）簡介
6-2-1 隨機森林（Random Forest）簡介
6-2-2 支援向量機（Support Vector Machine, SVM）簡介
6-3 近鄰法
6-4 非監督學習的類型
6-4-1 K－均值聚類（K-Means Clustering）簡介
6-4-2 主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）：降維

第四部分　深度學習的入門：深度學習與神經網路
Chapter07 神經網路的概念
7-1 神經網路之基本概念
7-1-1 感知器（Perceptron）概念
7-1-2 多層感知器（Multi-Layer Perceptron, MLP）簡介
7-1-3 激活函數（Activation Functions）介紹
7-1-4 反向傳播（Backpropagation）簡介
7-1-5 神經元模型
7-1-6 反向傳播（Backpropagation）演算法
7-2 深度學習模型（Deep Learning Model）
7-2-1 深度前饋網路（Deep Feedforward Networks）
7-2-2 卷積神經網路（Convolutional Neural Network, CNN）簡介
7-2-3 遞迴神經網路（RNN）：序列建模
7-2-4 訓練深度模型的優化：正規化（Regularization）、優化方法（Optimization）（如梯度下降、Adam）
Chapter08 進階主題與應用
8-1 強化學習（Reinforcement Learning, RL）
8-2 自然語言處理（NLP）
8-2-1 自然語言處理（Natural Language Processing, NLP）簡介
8-2-2 自然語言處理（NLP）如何運作（基本流程）
8-2-3 NLP底層技術
8-3 深度生成模型（Deep Generative Models）
8-4 機器學習的實用方法論：模型驗證與評估、錯誤分析等
8-4-1 機器學習的模型驗證與評估
8-4-2 機器學習的錯誤分析

第一部分　核心概念與基礎
Chapter01 機器學習概論
1-1 機器學習的起源：定義、歷史、應用領域與重要性
1-2 機器學習與人工智慧、數據科學的關係
1-3 學習前的準備
Chapter02 Python程式語言的安裝與基礎操作
2-1 Python程式語言的安裝
2-2 Jupyter Notebook基礎操作
2-3 Python基礎知識：變數、類型、運算、陣列、流程控制、函式等
2-4 Python的資料處理與視覺化：繪製二維／三維圖形、資料清理與準備
Chapter03 機器學習的類型
Chapter04 機器學習中的數學／統計基礎
4-1 統計與AI關係
4-2 線性代數（矩陣、向量）簡介
4-2-1 向量
4-2-2...