Для чего нужно машинное обучение

Машинное обучение для чайников

С технологиями машинного обучения сегодня сталкивается повседневно каждый житель мегаполиса. Но не каждый знает, на что машинное обучение действительно способно.

Машинное обучение с каждым днем занимает всё большее место в нашей жизни ввиду огромного спектра его применений. Начиная от анализа пробок и заканчивая самоуправляемыми автомобилями, всё больше задач перекладывается на самообучаемые машины.

Мы порой даже примерно не представляем, как работают некоторые приложения, основанные на методах машинного обучения. Скажем, никто не сможет вам ответить на вопрос «Почему мне сегодня в рекламе показали сайт A, а не Б?». Наиболее печальным во всей этой ситуации является то, что большинство людей имеет неверное представление о машинном обучении.

Вводная

Машинное обучение считается ветвью искусственного интеллекта, основная идея которого заключается в том, чтобы компьютер не просто использовал заранее написанный алгоритм, а сам обучился решению поставленной задачи.

Любую работающую технологию машинного обучения можно условно отнести к одному из трёх уровней доступности. Первый уровень — это когда она доступна только различным технологическим гигантам уровня Google или IBM. Второй уровень — это когда ей может воспользоваться людей студент с некоторым багажом знаний. Третий уровень — это когда даже бабуля способна с ней совладать.

Машинное обучение находится сейчас на стыке второго и третьего уровней, за счёт чего скорость изменения мира с помощью данной технологии растет с каждым днем.

Обучение с учителем и без учителя

Большую часть задач машинного обучения можно разделить на обучение с учителем (supervised learning) и обучение без учителя (unsupervised learning). Если вы представили себе программиста с плёткой в одной руке и куском сахара в другой, вы немного ошиблись. Под «учителем» здесь понимается сама идея вмешательства человека в обработку данных. При обучении с учителем у нас есть данные, на основании которых нужно что-то предсказать, и некоторые гипотезы. При обучении без учителя у нас есть только данные, свойства которых мы и хотим найти. На примерах разницу вы увидите немного яснее.

Обучение с учителем

У нас есть данные о 10 000 квартирах в Москве, причём известна площадь каждой квартиры, количество комнат, этаж, на котором она расположена, район, наличие парковки, расстояние до ближайшей станции метро и так далее. Кроме того, известна стоимость каждой квартиры. Нашей задачей является построение модели, которая на основе данных признаков будет предсказывать стоимость квартиры. Это классический пример обучения с учителем, где у нас есть данные (10 000 квартир и различные параметры для каждой квартиры, называемые признаками) и отклики (стоимость квартиры). Такая задача называется задачей регрессии. О том, что это такое, мы поговорим чуть позже.

Другие примеры: на основании различных медицинских показателей предсказать наличие у пациента рака. Или на основании текста электронного письма предсказать вероятность того, что это спам. Такие задачи являются задачами классификации.

Обучение без учителя

Интереснее ситуация обстоит с обучением без учителя, где нам неизвестны «правильные ответы». Пусть нам известны данные о росте и весе некоторого числа людей. Необходимо сгруппировать данные на 3 категории, чтобы для каждой категории людей выпустить рубашку подходящего размера. Такая задача называется задачей кластеризации.

Еще одним примером можно взять ситуацию, когда у нас каждый объект описывается, скажем, 100 признаками. Проблема таких данных заключается в том, что построить графическую иллюстрацию таких данных, мягко говоря, затруднительно, поэтому мы можем уменьшить количество признаков до двух-трёх. Тогда можно визуализировать данные на плоскости или в пространстве. Такая задача называется задачей уменьшения размерности.

Классы задач машинного обучения

В предыдущем разделе мы привели несколько примеров задач машинного обучения. В этом мы постараемся обобщить категории таких задач, сопроводив список дополнительными примерами.

• Задача регрессии: на основании различных признаков предсказать вещественный ответ. Другими словами, ответом может быть 1, 5, 23.575 или любое другое вещественное число, которое, например, может олицетворять стоимость квартиры. Примеры: предсказание стоимости акции через полгода, предсказание прибыли магазина в следующем месяце, предсказание качества вина на слепом тестировании.
• Задача классификации: на основании различных признаков предсказать категориальный ответ. Другими словами, ответов в такой задаче конечное количество, как в случае с определением наличия у пациента рака или определения того, является ли письмо спамом. Примеры: распознавание текста по рукописному вводу, определение того, находится на фотографии человек или кот.
• Задача кластеризации: разбиение данных на похожие категории. Примеры: разбиение клиентов сотового оператора по платёжеспособности, разбиение космических объектов на похожие (галактики, планеты, звезды и так далее).
• Задача уменьшения размерности: научиться описывать наши 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.
• Задача 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.

Нейронные сети

В машинном обучении есть большое число алгоритмов, причём некоторые являются довольно универсальными. В качестве примеров можно привести метод опорных векторов, бустинг над решающими деревьями или те же нейронные сети. К сожалению, большая часть людей довольно смутно представляет себе суть нейронных сетей, приписывая им свойства, которыми они не обладают.

Нейронная сеть (или искусственная нейронная сеть) — это сеть нейронов, где каждый нейрон является математической моделью реального нейрона. Нейронные сети начали пользоваться большой популярностью в 80-х и ранних 90-х, однако в конце 90-х их популярность сильно упала. Впрочем, в последнее время это одна из передовых технологий, используемых в машинном обучении, применяемая в огромном количестве приложений. Причина возврата популярности проста: увеличились вычислительные способности компьютеров.

С помощью нейронных сетей можно решать как минимум задачи регрессии и классификации и строить крайне сложные модели. Не вдаваясь в математические подробности, можно сказать, что в середине прошлого века Андрей Николаевич Колмогоров доказал, что с помощью нейронной сети можно аппроксимировать любую поверхность с любой точностью.

Фактически же, нейрон в искусственной нейронной сети представляет собой математическую функцию (например, сигмоидную функцию), которой на вход приходит какое-то значение и на выходе получается значение, полученное с помощью той самой математической функции.

Ограниченность нейронных сетей

Впрочем, в нейронных сетях нет ничего магического и в большинстве случаев опасения касательно сценария «Терминатора» не имеют под собой оснований. Допустим, учёные натренировали нейронную сеть на распознавание рукописных цифр (такое приложение может использовать, скажем, на почте). Как может работать такое приложение и почему здесь не о чем беспокоиться?

Допустим, мы работаем с изображениями 20×20 пикселей, где каждый пиксель представляется оттенком серого (всего 256 возможных значений). В качестве ответа у нас имеется одна из цифр: от 0 до 9. Структура нейронной сети будет следующая: в первом слое будет 400 нейронов, где значение каждого нейрона будет равно интенсивности соответствующего пикселя. В последнем слое будет 10 нейронов, где в каждом нейроне будет вероятность того, что на изначальном изображении нарисована соответствующая цифра. Между ними будет некоторое число слоев (такие слоя называются скрытыми) с одинаковым количеством нейронов, где каждый нейрон соединён с нейроном из предыдущего слоя и ни с какими более.

Рёбрам нейронной сети (на картинке они показаны как стрелочки) будут соответствовать некоторые числа. Причем значение в нейроне будет считаться как следующая сумма: значение нейрона из предыдущего слоя * значение ребра, соединяющего нейроны. Затем от данной суммы берётся определенная функция (например, сигмоидная функция, о которой мы говорили ранее).

В конечном итоге задача тренировки нейронной сети заключается в том, чтобы подобрать такие значения в ребрах, чтобы отдавая первому слою нейронной сети интенсивности пикселей, на последнем слое мы получали вероятности того, что на изображении нарисована какая-то цифра.

Более простыми словами, в данном случае нейронная сеть представляет собой вычисление математической функции, где аргументы — это другие математические функции, которые зависят от других математических функций и так далее. Разумеется, при подобном вычислении математических функций, где подгоняются некоторые аргументы, ни о каком экзистенциальном риске речи идти не может.

Интересные факты и лайфхаки

Приведём несколько интересных и не совсем очевидных примеров использования машинного обучения в реальной жизни.

Например, вторая кампания Барака Обамы была фактически выиграна лучшей на тот момент командой в области анализа данных. Разумеется, речь не идет о том, что они советовали ему соврать о чем-то, работа строилась значительно более умным путем: они выбирали, в каком штате, перед какой аудиторией, в какой день и на какую тему он должен выступать. Причем каждый раз они замеряли, как это сказывается на опросах вида «За кого бы вы проголосовали, если бы выборы были в ближайшее воскресенье?». Другими словами, подобные решения принимали не политтехнологи, а исключительно специалисты по анализу данных. Особенно интересным это становится в свете того, что, по оценкам специалистов, это дало ему преимущество в 8-10%.

Кроме того, современный интернет довольно сложно представить без ретаргетинга, или персонализированной рекламы. Вспомните: вы выбираете какой-то продукт в интернете, а после покупки ещё на протяжении двух недель вам показывают его в различного рода рекламе. В одном из своих выступлений директор по маркетингу сервисов компании «Яндекс» Андрей Себрант дал на этот счёт такой совет:

Дарю лайфхак. После того как вы купили топор, чтобы не любоваться топорами ещё две недели, зайдите в магазин модной одежды. Дальше, в зависимости от ваших гендерных предпочтений, зайдите либо в мужское, либо в женское бельё. Бросьте несколько предметов в корзину, закройте корзину и уйдите. У этих ребят очень большие бюджеты на ретаргетинг: следующие две недели вас, в зависимости от ваших предпочтений, будут преследовать либо красивые полуодетые мужчины, либо красивые полуодетые женщины. Это лучше, чем топор.

Рекомендации по обучению

Если у вас появилось желание изучить технологии машинного обучения, стоит отметить, что для глубокого изучения предмета с пониманием всего фундамента следует разбираться как минимум в математическом анализе, линейной алгебре и методах оптимизации (с упором на последние два). Кроме того, желательно знать основы программирования и какой-нибудь язык программирования. В машинном обучении, как правило, используется R, Python или Matlab.

Для самого начального изучения отлично подойдет классический курс Эндрю Энга на Coursera по машинному обучению. Главной его особенностью является исключительная практическая направленность, причём обширный багаж математических знаний в данном курсе абсолютно не обязателен.

Мотивировать его изучение можно следующим образом: посмотрите учебный план. Если вы просмотрите все лекции и решите все задания, то вы гарантированно сможете применять все эти вещи на практике. В частности, вы освоите алгоритмы линейной регрессии (задача регрессии), логистической регрессии, метода опорных векторов, нейронных сетей (задача классификации), K-means (кластеризация), PCA (понижение размерности), выявления аномалий и узнаете как построить рекомендательную систему (рекомендация товаров по вашим оценкам, например, фильмов или песен). На последней неделе курса вам также расскажут, как построить систему, которая будет находить и расшифровывать надписи на картинках или опознавать людей.

Для тех, кто хочет изучать предмет со всеми математическими тонкостями в лучших традициях сильных технических вузов, можно порекомендовать курс от ВШЭ или специализацию от МФТИ. Заметим лишь, что специализация является платной и для доступа к ней придется оформить подписку приблизительно за 3000 рублей в месяц. Впрочем, есть бесплатный период в 7 дней.

Что такое машинное обучение простыми словами

Искусственный интеллект

Лет 5 назад искусственный интеллект (он же ИИ) ассоциировался с фантастическими фильмами, где роботы спасали мир, а суперкомпьютеры пытались его поработить. Сегодня про ИИ говорят все. Давайте попробуем разобраться, что за магия скрывается за человекоподобными машинами, как они думают и зачем нужно машинное обучение.

Хотя тайна человеческого мозга еще не раскрыта и до создания его программных аналогов нам далеко, сегодня уже существуют роботы, которые способны выполнять определенные действия и принимать решения гораздо эффективнее, чем Homo Sapiens.

ИИ вовсю принимает участие в медицине, помогая врачам выявить болезнь Альцгеймера по речи пациента, определить предрасположенность к заболеваниям, и творит многие другие удивительные вещи. Умные машины применяются почти во всех возможных отраслях. Например, компания LG планирует в 2023 году открыть завод по производству техники, на котором все процессы, начиная от закупки сырья, заканчивая контролем качества выпускаемой продукции, будут полностью автоматизированы.

Мощно, не правда ли? И это всё не набор команд, которые выполняются при определенных условиях. Это программа, которая способна анализировать и на основании данных выполнять то или иное действие.

Чтобы ИИ научился принимать правильные решение, его нужно обучить, этот процесс и называется машинным обучением (machine learning).

Machine learning — что нужно?

Выделяют три составляющие машинного обучения (ML):

Данные. Если мы хотим предсказывать погоду, необходима сводка погоды за последние несколько лет (чем больше, тем лучше). Хотим определять спам, нужны примеры таких писем. Чем качественнее данные, тем эффективнее будет работать программа.

Признаки. Это набор свойств, характеристик или признаки, которые описывают нашу модель. Если говорим о погоде, то это температура, скорость ветра, время года. В случае со спамом — это отправители, темы писем, определенные фразы и изображения. Правильно подобранные признаки — залог успешного обучения.

Алгоритм. Тут всё просто. Каждую задачу можно решить разными способами. Для разных целей можно подобрать разные алгоритмы.

Но всё же главное в ML — это данные. Каким бы совершенным не был бы алгоритм работы, если качество данных не очень, то результат будет соответствующим.

Методы машинного обучения

Как работает машинное обучение? Искусственный интеллект похож на маленького ребенка, которому родители объясняют, почему небо голубое, а трава зеленая. Также методом проб и ошибок он самостоятельно познаёт мир.

Существует множество методов обучения, каждый из которых включает в себя разные алгоритмы. Поговорим про самые распространённые базовые методы:

• классическое обучение;
• обучение с подкреплением;
• нейросети и глубокое обучение.

Пробежимся кратко по каждому из них.

Классическое обучение

Большинство ИИ использует классическое обучение. Это простые алгоритмы, основанные на закономерностях в данных.

Есть два типа классического обучения:

• с учителем (supervised learning);
• без учителя (unsupervised learning).

Обучение с учителем

Принцип простой. Мы обучаем машину на реальных примерах. Допустим, мы хотим научить её отличать яблоки от груш. Мы загружаем в программу данные (dataset) и говорим ей, что на этих картинках изображены яблоки, а на этих груши. А она, в свою очередь, находит общие признаки, анализирует их и выстраивает связи.

Если мы дадим машине картинку без описания, то она на основании полученных данных должна верно определить, что за фрукт на ней изображен.

Поэтому важно отбирать правильные данные для обучения и загружать их как можно больше: чем больше данных мы загрузим, тем точнее и быстрее будет происходить определение.

Обучение без учителя

Этот метод используется, когда нет возможности предоставить роботу размеченные данные. Программа сама находит закономерности, общие признаки и классифицирует полученные данные.

Обучение без учителя отлично подходит для кластеризации (сегментации) данных. Его часто используют в таргентированной рекламе. Когда действия или предпочтения пользователя нельзя заранее классифировать.

Обучение с подкреплением

Возьмем для примера игру «Змейка». На поле расположен объект, до которого змейке необходимо добраться, но сама она не знает, как это сделать и какой путь самый эффективный, она знает только расстояние до объекта. Методом проб и ошибок змейка находит оптимальный вариант движения и анализирует ситуации, которые ведут к проигрышу.

Данный способ также используют для обучения роботов-пылесосов или самоуправляемых автомобилей. Обучение похоже на игру: за правильно принятое решение машина получает балл, за ошибки — баллы вычитаются.

Нейросети и глубокое обучение (Deep learning)

Любая нейросеть — это набор нейронов (функций) и связей между ними. Задача нейрона — взять входные числа, выполнить над ними определенные действия и выдать результат. Пример полезного нейрона: просуммировать все цифры со входов и, если их сумма больше N, отправить на выход единицу, иначе — ноль.

Связи — это каналы, через которые нейроны отправляют друг другу числа. У каждой связи есть своя оценка — параметр, который можно условно представить как прочность связи. Когда через связь с оценкой 0.5 проходит число 10, оно превращается в 5. Сам нейрон не разбирается, что к нему пришло, и суммирует всё подряд. Получается, что оценка нужна для управления тем, на какие входы нейрон должен реагировать, а на какие — нет.

Нейроны и связи — это условное обозначение, в реальном программировании нейросеть представляет собой матрицу и всё считается матричными представлениями, так как это эффективно по скорости.

Для чего необходимы нейронные сети:

• определение объектов на видео и фото;
• обработка фотографий;
• распознавание речи;
• машинный перевод.

В упрощённом виде работа нейросети выглядит примерно так:

На деле все немного сложнее. Изображение делится на пиксели, затем выявляются доминирующие линии по горизонтали и по вертикали, всё это складывается в несколько массивов, из которых получается очертание объекта. В итоге, на основании этих данных мы приходим к нужному результату.

Что такое машинное обучение и почему оно может лишить вас работы

Новые алгоритмы позволяют компьютерам решать задачи, которые раньше были под силу только человеку. С одной стороны, это принесёт нам огромную пользу, с другой — новые вызовы для каждого из нас. Чтобы прогресс не застал вас врасплох, будьте начеку и следите за ситуацией.

До недавних пор программистам приходилось писать сложные и очень точные инструкции даже для того, чтобы компьютеры могли выполнять самые простые задачи.

Языки программирования всегда развивались, но самым значительным достижением в этой области стало упрощение работы с кодом. Теперь компьютеры можно не программировать как раньше, а настраивать таким образом, чтобы они обучались сами.

Этот процесс, названный машинным обучением, обещает стать настоящим технологическим прорывом и может повлиять на любого человека, независимо от сферы его деятельности. Поэтому разобраться в теме будет полезно каждому из нас.

Что такое машинное обучение

Машинное обучение избавляет программиста от необходимости подробно объяснять компьютеру, как именно решать проблему. Вместо этого компьютер учат находить решение самостоятельно. По сути, машинное обучение — это очень комплексное применение статистики для поиска закономерностей в данных и создания на их основе нужных прогнозов.

История машинного обучения началась ещё в 1950-е годы, когда информатикам удалось научить компьютер играть в шашки. С тех пор вместе с вычислительной мощностью росла сложность закономерностей и прогнозов, которые компьютер способен распознать и составить, а также проблем, которые он может решить.

Сначала алгоритм получает набор обучающих данных, а затем использует их для обработки запросов. К примеру, вы можете загрузить в машину несколько фотографий с описанием их содержимого вроде «на этом фото изображён кот» и «на этом фото нет кота». Если после этого добавить в компьютер новые изображения, он начнёт определять снимки с котами уже самостоятельно.

Quantamagazine.org

Алгоритм продолжает совершенствоваться. Верные и ошибочные результаты распознавания попадают в базу данных, и с каждым обработанным фото программа становится умнее и всё лучше справляется с поставленной задачей. В сущности, это и есть обучение.

Почему машинное обучение — это важно

Теперь машины можно смело применять в областях, которые раньше считались доступными только человеку. Хотя технологии все ещё далеки от идеала, суть в том, что компьютеры постоянно улучшаются. Теоретически, они могут развиваться бесконечно. В этом основная идея машинного обучения.

Машины учатся видеть изображения и классифицировать их, как в вышеупомянутом примере с фото. Они могут распознавать текст и числа на этих изображениях, а также людей и места. Причём компьютеры не просто выявляют написанные слова, но и учитывают контекст их употребления, включая позитивные и негативные оттенки эмоций.

Помимо прочего, машины могут слушать нас и отвечать. Виртуальные ассистенты в наших смартфонах — будь то Siri, Cortana или Google Now — воплощают прорывы в машинной обработке естественного языка и продолжают развиваться.

Ibtimes.co.uk

Кроме того, компьютеры учатся писать. Алгоритмы машинного обучения уже генерируют новостные статьи. Они могут писать о финансах и даже спорте.

Такие функции могут изменить все виды деятельности, основанные на вводе и классификации данных, которые раньше были под силу только человеку. Если компьютер может распознать изображение, документ, файл или другой объект и точно описать его, это открывает широкие возможности для автоматизации.

Как машинное обучение применяют сегодня

Алгоритмы машинного обучения уже способны впечатлить.

Компания Medecision использует их, чтобы вычислять факторы риска для различных заболеваний в больших населённых пунктах. Например, алгоритм определил восемь переменных, с помощью которых можно заключить, нуждается больной диабетом в госпитализации или же нет.

После поисков нужного товара в онлайн-магазинах вы могли замечать, что видите в интернете рекламу этого продукта ещё долгое время. Такая маркетинговая персонализация является только вершиной айсберга. Компании могут автоматически рассылать электронные письма, купоны, предложения и отображать рекомендации, подобранные под каждого клиента индивидуально. Все это более аккуратно подталкивает потребителя к покупке.

Обработке естественного языка находят разное применение во множестве сфер. Например, с её помощью заменяют сотрудников в службах поддержки, чтобы быстрее выдавать необходимую информацию пользователям. Кроме того, подобные алгоритмы помогают юристам в расшифровке сложной документации.

Недавно IBM опросила Automotive 2025: Industry without borders. руководителей автомобильных компаний. 74% из них ожидают появления на дорогах умных машин уже к 2025 году.

Такие автомобили будут получать информацию о владельце и своём окружении с помощью интернета вещей. На основе этих данных они смогут менять параметры температуры, аудио, позицию кресла и другие настройки автоматически. Умные машины также будут сами решать возникающие проблемы, самостоятельно водить и давать рекомендации с учётом трафика и дорожных условий.

Чего ждать от машинного обучения в будущем

Возможности, которые открывает перед нами машинное обучение в будущем, практически безграничны. Вот несколько впечатляющих примеров.

• Персонализированная система здравоохранения, предоставляющая пациентам индивидуальную медицинскую помощь с учётом их генетического кода и образа жизни.
• Защитные программы, которые с высочайшей точностью вычисляют хакерские атаки и вредоносное ПО.
• Компьютеризированные системы безопасности для аэропортов, стадионов и других подобных мест, выявляющие потенциальные угрозы.
• Самоуправляемые автомобили, которые ориентируются в пространстве, минимизируют количество пробок и аварий на дорогах.
• Продвинутые системы защиты от мошенников, способные обезопасить деньги на наших счетах.
• Универсальные переводчики, которые позволят нам получать точный и быстрый перевод с помощью смартфонов и других умных устройств.

Почему вам стоит следить за машинным обучением

Хотя многие ощутят перечисленные возможности с приходом новых технологий, большинство не захочет разбираться в том, как всё это работает изнутри. Но всем нам лучше оставаться начеку. Ведь вместе со всеми благами дальнейший прогресс принесёт ощутимые последствия для рынка труда.

Машинное обучение на основе постоянно растущего количества данных, которые генерирует почти каждый человек на Земле, полностью изменит профессии. Конечно, эти инновации упростят работу многих людей, но будут и те, кого они лишат работы. Ведь алгоритмы уже отвечают на письма, интерпретируют медицинские снимки, помогают в судебных процессах, анализируют данные и так далее.

Машины учатся на собственном опыте, поэтому программистам больше не нужно писать код для каждой нестандартной ситуации. Эта способность к обучению вместе с развитием робототехники и мобильных технологий позволит компьютерам справляться со сложными задачами лучше, чем когда-либо раньше.

Но что случится с людьми, когда их превзойдут машины?

По данным The Future of Jobs. Всемирного экономического форума, в течение следующих пяти лет компьютеры и роботы займут пять миллионов рабочих мест, которые сейчас принадлежат людям.

Таким образом, нам нужно следить за тем, как машинное обучение меняет рабочий процесс. И неважно, кто вы: юрист, медик, сотрудник службы поддержки, водитель грузовика или кто-то ещё. Перемены могут коснуться каждого.

Лучший способ избежать неприятного сюрприза, когда компьютеры начнут отбирать рабочие места, — мыслить превентивно и готовиться.

Источники:

http://newtonew.com/tech/machine-learning-novice
http://www.reg.ru/support/vps-servery/oblachnie-serveri-vps/usluga-oblachnyye-servery/chto-takoe-mashinnoe-obuchenie-prostymi-slovami
http://lifehacker.ru/chto-takoe-mashinnoe-obuchenie/