机器学习算法工程师面试需要做那些准备 – java – 前端

备战机器学习工程师面试，你需要掌握这些经典面试题

金九银十，又到了就业旺季，互联网公司的秋招如火如荼的进行着。机器学习类岗位依然非常热门且高薪，但想在竞争激烈的面试中杀出重围，必须有充足的准备。

如何能够短时间内抓住机器学习知识的技术重点，集中突击？ 如何不再惧怕“算法”？ 如何才能在面试中对答如流，打造属于自己的“offer收割机”？

刷题是必不可少的步骤。应聘前，你需要了解的内容有：机器学习的基本概念和分类（训练/测试数据、监督/非监督学习等）、经典的机器学习模型（支持向量机、朴素贝叶斯、随机森林等）、深度学习模型（卷积神经网络、循环神经网络、生成式对抗网络等）；特征工程（特征组合、特征选择等），模型评估（评价指标、超参数的选择等），优化算法（损失函数、梯度下降等），数学基础（概率论、线性代数等），工程能力（数据结构与算法、机器学习平台等），业务与应用（计算机视觉、自然语言处理等）。

跟题主分享几个超级高频的机器学习面试题，希望能祝你一臂之力！

Q1：如何对贝叶斯网络进行采样 (8.6)

对一个没有观测变量的贝叶斯网络进行采样，最简单的方法是祖先采样（Ancestral Sampling），它的核心思想是根据有向图的顺序，先对祖先节点进行采样，只有当某个节点的所有父节点都已完成采样，才对该节点进行采样。以场景描述中的图8.9 为例，先对Cloudy 变量进行采样，然后再对Sprinkler 和Rain 变量进行采样，最后对WetGrass 变量采样，如图8.10 所示（图中绿色表示变量取值为True，红色表示取值为False）。根据贝叶斯网络的全概率公式

可以看出祖先采样得到的样本服从贝叶斯网络的联合概率分布。

如果只需要对贝叶斯网络中一部分随机变量的边缘分布进行采样， 可以用祖先采样先对全部随机变量进行采样，然后直接忽视那些不需要的变量的采样值即可。由图可见，如果需要对边缘分布p(Rain) 进行采样，先用祖先采样得到全部变量的一个样本，如（Cloudy=T， Sprinkler=F，Rain=T，WetGrass=T），然后忽略掉无关变量，直接把这个样本看成是Cloudy=T 即可。

接下来考虑含有观测变量的贝叶斯网络的采样，如图8.11 所示。网络中有观测变量（Sprikler=T，WetGrass=T）（观测变量用斜线阴影表示），又该如何采样呢？最直接的方法是逻辑采样，还是利用祖先采样得到所有变量的取值。如果这个样本在观测变量上的采样值与实际观测值相同，则接受，否则拒绝，重新采样。这种方法的缺点是采样效率可能会非常低，随着观测变量个数的增加、每个变量状态数目的上升，逻辑采样法的采样效率急剧下降，实际中基本不可用。

因此，在实际应用中，可以参考重要性采样的思想，不再对观测变量进行采样，只对非观测变量采样，但是最终得到的样本需要赋一个重要性权值：

其中E 是观测变量集合。这种采样方法称作似然加权采样（Likelihood Weighted Sampling），产生的样本权值可以用于后续的积分操作。在有观测变量（Sprikler=T，WetGrass=T）时，可以先对Cloudy 进行采样，然后对Rain 进行采样，不再对Sprinkler 和WetGrass 采样（直接赋观测值），如图8.12 所示。这样得到的样本的重要性权值为

w ∝ p(Sprinkler=T|Cloudy=T)·p(WetGrass=T|Sprinkler=T， Rain=T)=0.1×0.99=0.099.

除此之外，还可以用MCMC采样法来进行采样。具体来说，如果采用Metropolis-Hastings 采样法的话，如图8.13所示，只需要在随机向量（Cloudy, 、Rain）上选择一个概率转移矩阵，然后按照概率转移矩阵不断进行状态转换，每次转移有一定概率的接受或拒绝，最终得到的样本序列会收敛到目标分布。最简单的概率转移矩阵可以是：每次独立地随机选择（Cloudy, Rain）的四种状态之一。如果采用吉布斯采样法的话，根据条件概率p(Cloudy|Rain, Sprinkler, WetGrass) 和p(Rain|Cloudy, Sprinkler, WetGrass)， 每次只对（Cloudy, Rain）中的一个变量进行采样，交替进行即可。

Q2：ResNet 的提出背景和核心理论 (9.6)

ResNet的提出背景是解决或缓解深层的神经网络训练中的梯度消失问题。假设有一个L 层的深度神经网络，如果大家在上面加入一层， 直观来讲得到的L+1 层深度神经网络的效果应该至少不会比L 层的差。因为大家简单地设最后一层为前一层的拷贝（用一个恒等映射即可实现），并且其他层维持原来的参数即可。然而在进行反向传播时，大家很难找到这种形式的解。实际上，通过实验发现，层数更深的神经网络反而会具有更大的训练误差。在CIFAR-10 数据集上的一个结果如图9.22 所示，56 层的网络反而比20 层的网络训练误差更大，这很大程度上归结于深度神经网络的梯度消失问题。

为了解释梯度消失问题是如何产生的。回顾第3 节推导出的误差传播公式

将式（9.31）再展开一层，可以得到

可以看到误差传播可以写成参数 、 以及导数 、 连乘的形式。当误差由第L 层（记为 ）传播到除输入以外的第一个隐含层（记为 ）的时候，会涉及非常多的参数和导数的连乘，这时误差很容易产生消失或者膨胀，影响对该层参数的正确学习。因此深度神经网络的拟合和泛化能力较差，有时甚至不如浅层的神经网络模型精度更高。

ResNet 通过调整网络结构来解决上述问题。首先考虑两层神经网络的简单叠加（见图9.23（a）），这时输入x 经过两个网络层的变换得到H(x)，激活函数采用ReLU。反向传播时，梯度将涉及两层参数的交叉相乘，可能会在离输入近的网络层中产生梯度消失的现象。ResNet 把网络结构调整为，既然离输入近的神经网络层较难训练，那么大家可以将它短接到更靠近输出的层，如图9.23（b）所示。输入x经过两个神经网络的变换得到F(x)，同时也短接到两层之后，最后这个包含两层的神经网络模块输出H(x)=F(x)+x。这样一来，F(x) 被设计为只需要拟合输入x 与目标输出 的残差 ，残差网络的名称也因此而来。如果某一层的输出已经较好的拟合了期望结果，那么多加入一层不会使得模型变得更差，因为该层的输出将直接被短接到两层之后， 相当于直接学习了一个恒等映射，而跳过的两层只需要拟合上层输出和目标之间的残差即可。

ResNet 可以有效改善深层的神经网络学习问题，使得训练更深的网络成为可能，如图9.24 所示。图9.24（a）展示的是传统神经网络的结果，可以看到随着模型结构的加深训练误差反而上升；而图9.24（b） 是ResNet 的实验结果，随着模型结构的加深，训练误差逐渐降低，并且优于相同层数的传统的神经网络。

Q3：WGAN 解决了原始 GAN 中的什么问题 (13.2)

直觉告诉大家：不要让生成器在高维空间傻傻地布网，让它直接到低维空间“抓”真实数据。道理虽然是这样，但是在高维空间中藏着无数的低维子空间，如何找到目标子空间呢？站在大厦顶层，环眺四周，你可以迅速定位远处的山峦和高塔，却很难知晓一个个楼宇间办公室里的事情。你需要线索，而不是简单撒网。处在高维空间，对抗隐秘的低维空间，不能再用粗暴简陋的方法，需要有特殊武器，这就是Wasserstein 距离（见图13.7），也称推土机距离（Earth Mover distance）

怎么理解这个公式？想象你有一个很大的院子，院子里有几处坑坑洼洼需要填平，四个墙角都有一堆沙子，沙子总量正好填平所有坑。搬运沙子很费力，你想知道有没有一种方案，使得花的力气最少。直觉上， 每个坑都选择最近的沙堆，搬运的距离最短。但是存在一些问题，如果最近的沙堆用完了，或者填完坑后近处还剩好多沙子，或者坑到几个沙堆的距离一样，大家该怎么办？所以需要设计一个系统的方案，通盘考虑这些问题。最佳方案是上面目标函数的最优解。可以看到，当沙子分布和坑分布给定时，大家只关心搬运沙子的整体损耗，而不关心每粒沙子的具体摆放，在损耗不变的情况下，沙子摆放可能有很多选择。对应式（13.16），当你选择一对(x,y) 时，表示把x 处的一些沙子搬到y 处的坑，可能搬部分沙子，也可能搬全部沙子，可能只把坑填一部分，也可能都填满了。x 处沙子总量为 ，y 处坑的大小为 ，从x 到y的沙子量为γ(x,y)，整体上满足等式

为什么Wasserstein 距离能克服JS 距离解决不了的问题？理论上的解释很复杂，需要证明当生成器分布随参数θ 变化而连续变化时，生成器分布与真实分布的Wasserstein 距离也随θ 变化而连续变化，并且几乎处处可导，而JS 距离不保证随θ 变化而连续变化。

通俗的解释，接着“布网”的比喻，现在生成器不再“布网”，改成“定位追踪”了，不管真实分布藏在哪个低维子空间里，生成器都能感知它在哪，因为生成器只要将自身分布稍做变化，就会改变它到真实分布的推土机距离；而JS 距离是不敏感的，无论生成器怎么变化，JS 距离都是一个常数。因此，使用推土机距离，能有效锁定低维子空间中的真实数据分布。

其他常见经典面试题：

Q：如何缓解图像分类任务中训练数据不足带来的问题？（特征工程）

Q：超参数有哪些调优方法？（模型评估）

Q：训练误差为0的SVM分类器一定存在吗？（经典算法）

Q：自组织映射神经网络是如何工作的？（非监督学习）

Q：L1正则化使得模型参数具有稀疏性的原理是什么？（优化算法）

Q：XGBoost与GBDT的联系和区别有哪些？（集成学习）

Q：在GAN的生成器和判别器中应该怎样设计深层卷积结构？（生成式对抗网络）

……

以上面试题都来自知名互联网公司Hulu机器学习算法研究岗位的真实面试场景，而像这样的经典题目和解答，有超过100道收录在《百面机器学习》这本机器学习面试宝典中。

《百面机器学习》是一本怎样的书？

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