Rust 机器学习

Rust 机器学习

Rust 机器学习与深度学习现状

Rust 在机器学习（ML）和深度学习（DL）领域的生态仍处于早期阶段，但因其高性能、内存安全和并发优势，逐渐吸引开发者探索。以下从工具链、库和实际应用方向展开。

机器学习（ML）笔记

以下是关于机器学习（Machine Learning, ML）的详细学习集，涵盖核心概念、方法、工具和学习路径：

机器学习基础概念

机器学习是人工智能的子领域，通过算法让计算机从数据中学习规律并做出预测或决策。分为三类：

• 监督学习：使用标注数据训练模型（如分类、回归）。
• 无监督学习：发现未标注数据的隐藏模式（如聚类、降维）。
• 强化学习：通过试错与环境交互优化策略。

核心数学知识

机器学习依赖于以下数学基础：

• 线性代数：矩阵运算、特征分解（如主成分分析）。
• 概率与统计：贝叶斯定理、假设检验、分布理论。
• 微积分：梯度下降、优化问题的导数计算。
• 信息论：熵、交叉熵（常用于损失函数）。

Rust 机器学习常用算法

Rust 语言在机器学习领域的生态逐渐完善，以下是一些常用的分类与回归算法库及其实现方法。

分类算法

线性分类（Logistic Regression）
使用 linfa 库可以轻松实现逻辑回归。以下是一个简单的示例：

use linfa::traits::Fit;
use linfa_logistic::LogisticRegression;

let model = LogisticRegression::default()
    .fit(&dataset)
    .unwrap();
let predictions = model.predict(&validation_dataset);

支持向量机（SVM）
smartcore 库提供了 SVM 实现：

use smartcore::svm::svc::*;
let svm = SVC::fit(&x, &y, &SVCParameters::default()).unwrap();
let pred = svm.predict(&x_test).unwrap();

随机森林（Random Forest）
linfa 的 DecisionTree 模块可用于构建随机森林：

use linfa::prelude::*;
use linfa_trees::DecisionTree;

let model = DecisionTree::params()
    .fit(&dataset)
    .unwrap();
let pred = model.predict(&validation_dataset);

回归算法

线性回归（Linear Regression）
linfa 提供了线性回归的实现：

use linfa::traits::Fit;
use linfa_linear::LinearRegression;

let model = LinearRegression::default()
    .fit(&dataset)
    .unwrap();
let predictions = model.predict(&validation_dataset);

梯度提升树（Gradient Boosting）
smartcore 支持梯度提升回归：

use smartcore::ensemble::gradient_boosting_regressor::*;
let gbr = GradientBoostingRegressor::fit(&x, &y, &Default::default()).unwrap();
let pred = gbr.predict(&x_test).unwrap();

神经网络（Neural Networks）
tch-rs（PyTorch 绑定）可用于深度学习回归与分类：

use tch::{nn, Tensor};
let vs = nn::VarStore::new(tch::Device::Cpu);
let net = nn::seq().add(nn::linear(&vs.root(), 10, 1, Default::default()));
let output = net.forward(&input_tensor);

其他工具

• 数据预处理：ndarray 和 linfa-preprocessing 提供标准化、归一化等功能。
• 模型评估：linfa 包含 accuracy、confusion_matrix 等评估工具。

常用算法与模型

• 监督学习：
  • 线性回归、逻辑回归。
  • 决策树、随机森林、XGBoost。
  • 支持向量机（SVM）、神经网络。
• 无监督学习：
  • K均值聚类、层次聚类。
  • 自编码器、生成对抗网络（GAN）。
• 深度学习：
  • 卷积神经网络（CNN）、循环神经网络（RNN）、Transformer。

Rust K-means算法实现

以下是 Rust 实现 K-means 算法的关键步骤和代码示例：

数据准备

定义数据结构表示样本点和聚类中心：

#[derive(Debug, Clone, PartialEq)]
struct Point {
    x: f64,
    y: f64,
}

impl Point {
    fn distance(&self, other: &Point) -> f64 {
        ((self.x - other.x).powi(2) + (self.y - other.y).powi(2)).sqrt()
    }
}

初始化聚类中心

随机选择k个点作为初始中心：

fn initialize_centers(points: &[Point], k: usize) -> Vec {
    let mut rng = rand::thread_rng();
    points.choose_multiple(&mut rng, k).cloned().collect()
}

分配样本到最近中心

计算每个点到所有中心的距离并分配：

fn assign_clusters(points: &[Point], centers: &[Point]) -> Vec {
    points.iter()
        .map(|point| {
            centers.iter()
                .enumerate()
                .min_by(|(_, a), (_, b)| {
                    point.distance(a).partial_cmp(&point.distance(b)).unwrap()
                })
                .map(|(i, _)| i)
                .unwrap()
        })
        .collect()
}

更新聚类中心

计算每个簇的均值作为新中心：

fn update_centers(points: &[Point], clusters: &[usize], k: usize) -> Vec {
    (0..k).map(|cluster| {
        let members: Vec<_> = points.iter()
            .zip(clusters.iter())
            .filter(|(_, &c)| c == cluster)
            .map(|(p, _)| p)
            .collect();

        let count = members.len() as f64;
        let sum_x = members.iter().map(|p| p.x).sum::();
        let sum_y = members.iter().map(|p| p.y).sum::();

        Point {
            x: sum_x / count,
            y: sum_y / count,
        }
    }).collect()
}
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