Общие понятия

Понятие машинного обучения в искусственном интеллекте

Определение:

Машинное обучение (англ. Machine learning) — процесс, который даёт возможность компьютерам обучаться выполнять что-то без явного написания кода.

A.L. Samuel "Some Studies in Machine Learning Using the Game of Checkers" (IBM Journal. July 1959. P. 210–229)

Определение:

Говорят, что компьютерная программа учится на опыте $E$ относительно некоторой задачи $T$ и некоторой меры производительности $P$, если ее производительность на $T$, измеренная $P$, улучшается с опытом $E$.

T.M. Mitchell "Machine Learning" (McGraw-Hill, 1997)

Задача обучения

$X$ — множество объектов (англ. object set, or input set)
$Y$ — множество ответов (англ. label set, or output set)
$y ∶ X → Y$ — неизвестная зависимость (англ. unknown target function (dependency))

Компьютер всегда имеет дело с признаковым описанием объектов. Например: пациента можно описать признаками: имя, возраст, номер полиса, жалобы, давление, температура, результаты анализов.
$f_j∶ X → D_j,j = 1, ... , n$ — признаки (англ. features, or attributes).

Типы признаков:

• бинарный (binary): $D_j = \{0, 1\}$
• номинальный (categorical): $D_j$ конечно
• упорядоченный (ordinal): $D_j$ конечно и упорядоченно
• количественный (numerical): $D_j = \mathbb{R}$

т.е объект представляется как набор признаков $(f_1(x),... ,f_n(x))$. Данные обычно представляются в виде матрицы объектов-признаков
[math] F = ||f_j(x_i)||_{[l \times n]} = \begin{pmatrix} f_1(x_1) & \cdots & f_n(x_1) \\ \cdots & \cdots & \cdots \\ f_1(x_l) & \cdots & f_n(x_l) \\ \end{pmatrix} [/math]
Дано
${x_1, . . . , x_l} ⊂ X$ — обучающая выбока (англ. training sample set)
$y_i = y(x_i), i = 1, . . . , l $ — известные ответы
Найти
Найти $ a ∶ X → Y $ — алгоритм, решающую функцию (англ. decision function), приближающую $y$ на всём множестве $X$.

---

Типы задач

Задачи классификации (англ. classification):

• $Y = \{−1, +1\}$ — классификация на 2 класса
• $Y = \{1, . . . , M\}$ — на $M$ непересекающихся классов
• $Y = \{0, 1\}^M$— на $M$ классов, которые могут пересекаться.

Примеры: распознавание текста по рукописному вводу, определение того, находится на фотографии человек или кот.
Задачи восстановления регрессии (англ. regression):

• $Y = \mathbb{R}$ или $Y = \mathbb{R}^m$

Примеры: предсказание стоимости акции через полгода, предсказание прибыли магазина в следующем месяце, предсказание качества вина на слепом тестировании.
Задачи ранжирования (англ. ranking):

• $Y$ — конечное упорядоченное множество

Пример: выдача поискового запроса.
Задачи уменьшения размерности
Научиться описывать данные не $N$ признаками, а меньшим числом (как правило, 2-3 для последующей визуализации). В качестве примера помимо необходимости для визуализации можно привести сжатие данных.
Задачи кластеризации
Разбиение данных на похожие категории.
Примеры: разбиение клиентов сотового оператора по платёжеспособности, разбиение космических объектов на похожие (галактики, планеты, звезды и так далее).
Задачи выявления аномалий
На основании признаков научиться различать отличать аномалии от «не-аномалий». Кажется, что от задачи классификации эта задача ничем не отличается. Но особенность выявления аномалий состоит в том, что примеров аномалий для тренировки модели у нас либо очень мало, либо нет совсем, поэтому мы не можем решать такую задачу как задачу классификации.
Пример: определение мошеннических транзакций по банковской карте.

Классификация задач машинного обучения

Обучение с учителем (англ. Supervised learning)

Тренировочные данные доступны все сразу и размечены (известны ответы для поставленной задачи).
Задачи которые могут решаться этим способом: классификация, регрессия, предсказание.

Обучение без учителя (англ. Unsupervised learning)

Тренировочные данные доступны все сразу, но ответы для поставленной задачи неизвестны.
Задачи, которые могут решаться этим способом: кластеризация, нахождение ассоциативных правил, выдача рекомендаций (например реклама), уменьшение размености датасета.

Обучение с частичным привлечением учителя (англ. Semi-supervised learning)

Тренировочные данные доступны все сразу, но размечено мало, либо малоинформативная часть.
Примером частичного обучения может послужить сообучение: два или более обучаемых алгоритма используют один и тот же набор данных, но каждый при обучении использует различные — в идеале некоррелированные — наборы признаков объектов.

Обучение с подкреплением (англ. Reinforcement learning)

Частный случай обучения с учителем, сигналы подкрепления (правильности ответа) выдаются не учителем, а некоторой средой, с которой взаимодействует программа. Размеченность данных зависит от среды.

Активное обучение (англ. Active learning)

Отличается тем, что обучаемый имеет возможность самостоятельно назначать следующий прецедент, который станет известен.

Обучение в реальном времени (англ. Online learning)

Тренировочные данные поступают последовательно.

Примеры задач

• Задача классификации видов ириса (Фишер 1936)
  

• Предсказание месторождений полезных ископаемых
  

Признаками являются данные геологической разведки. Наличие или отсутствие тех или иных пород на территории района кодируется бинарными признаками. Физико-химические свойства этих пород могут описываться как количественными, так и качественными признаками. Обучающая выборка составляется из прецедентов двух классов: районов известных месторождений и похожих районов, в которых интересующее ископаемое обнаружено не было. При поиске редких полезных ископаемых количество объектов может оказаться намного меньше, чем количество признаков. В этой ситуации плохо работают классические статистические методы. Задача решается путём поиска закономерностей в имеющемся массиве данных. В процессе решения выделяются короткие наборы признаков, обладающие наибольшей информативностью — способностью наилучшим образом разделять классы. По аналогии с медицинской задачей, можно сказать, что отыскиваются «синдромы» месторождений. Это важный побочный результат исследования, представляющий значительный интерес для геофизиков и геологов.

См. также

• Переобучение
• Модель алгоритма и ее выбор
• Оценка качества в задаче кластеризации
• Кросс-валидация

Источники информации

1. Wiki $-$ Машинное обучение
2. Курс К.В.Воронцова
3. [1]