Классическое обучение
Так как с предыдущей статьи вы уже знаете, что существует 4 основные вида машинного обучения: классическое обучение, обучение с подкреплением, ансамбли, нейросети и глубокое обучение.
Сегодня поговорим про классическое обучение.
Классическое обучение
Первые алгоритмы пришли к нам из чистой статистики еще в 1950-х. Они решали формальные задачи — искали закономерности в циферках, оценивали близость точек в пространстве и вычисляли направления.
Сегодня на классических алгоритмах держится добрая половина интернета. Когда вы встречаете блок «Рекомендованные статьи» на сайте, или банк блокирует все ваши деньги на карточке после первой же покупки кофе за границей — это почти всегда дело рук одного из этих алгоритмов.
Да, крупные корпорации любят решать все проблемы нейросетями. Потому что лишние 2% точности для них легко конвертируются в дополнительные 2 миллиарда прибыли. Остальным же стоит включать голову. Когда задача решаема классическими методами, дешевле реализовать сколько-нибудь полезную для бизнеса систему на них, а потом думать об улучшениях. А если вы не решили задачу, то не решить её на 2% лучше вам не особо поможет.
При всей своей популярности, классические алгоритмы настолько просты, что их легко объяснить даже ребёнку. Сегодня они как основы арифметики — используются постоянно, но некоторые всё равно стали их забывать.
Обучение с учителем
Классическое обучение любят делить на две категории — с учителем и без. Часто можно встретить их английские наименования — Supervised и Unsupervised Learning.
В первом случае у машины есть некий учитель, который говорит ей как правильно. Рассказывает, что на этой картинке кошка, а на этой собака. То есть учитель уже заранее разделил (разметил) все данные на кошек и собак, а машина учится на конкретных примерах.
В обучении без учителя, машине просто вываливают кучу фотографий животных на стол и говорят «разберись, кто здесь на кого похож». Данные не размечены, у машины нет учителя, и она пытается сама найти любые закономерности. Об этих методах поговорим ниже.
Очевидно, что с учителем машина обучится быстрее и точнее, потому в боевых задачах его используют намного чаще. Эти задачи делятся на два типа: классификация — предсказание категории объекта, и регрессия — предсказание места на числовой прямой.
Классификация
Разделяет объекты по заранее известному признаку. Носки по цветам, документы по языкам, музыку по жанрам.
Сегодня используют для:
- Спам-фильтры
- Определение языка
- Поиск похожих документов
- Анализ тональности
- Распознавание рукописных букв и цифр
- Определение подозрительных транзакций
Популярные алгоритмы: Наивный Байес, Деревья Решений, Логистическая Регрессия, K-ближайших соседей, Машины Опорных Векторов
Классификация вещей — самая популярная задача во всём машинном обучении. Машина в ней как ребёнок, который учится раскладывать игрушки: роботов в один ящик, танки в другой. Опа, а если это робот-танк? Что ж, время расплакаться и выпасть в ошибку.
Для классификации всегда нужен учитель — размеченные данные с признаками и категориями, которые машина будет учиться определять по этим признакам. Дальше классифицировать можно что угодно: пользователей по интересам — так делают алгоритмические ленты, статьи по языкам и тематикам — важно для поисковиков, музыку по жанрам — вспомните плейлисты Спотифая и Яндекс.Музыки, даже письма в вашем почтовом ящике.
Раньше все спам-фильтры работали на алгоритме Наивного Байеса. Машина считала сколько раз слово «виагра» встречается в спаме, а сколько раз в нормальных письмах. Перемножала эти две вероятности по формуле Байеса, складывала результаты всех слов и бац, всем лежать, у нас машинное обучение!
Позже спамеры научились обходить фильтр Байеса, просто вставляя в конец письма много слов с «хорошими» рейтингами. Метод получил ироничное название Отравление Байеса, а фильтровать спам стали другими алгоритмами. Но метод навсегда остался в учебниках как самый простой, красивый и один из первых практически полезных.
Возьмем другой пример полезной классификации. Вот берёте вы кредит в банке. Как банку удостовериться, вернёте вы его или нет? Точно никак, но у банка есть тысячи профилей других людей, которые уже брали кредит до вас. Там указан их возраст, образование, должность, уровень зарплаты и главное — кто из них вернул кредит, а с кем возникли проблемы.
Да, все догадались, где здесь данные и какой надо предсказать результат. Обучим машину, найдём закономерности, получим ответ — вопрос не в этом. Проблема в том, что банк не может слепо доверять ответу машины, без объяснений. Вдруг сбой, злые хакеры или бухой админ решил скриптик исправить.
Для этой задачи придумали Деревья Решений. Машина автоматически разделяет все данные по вопросам, ответы на которые «да» или «нет». Вопросы могут быть не совсем адекватными с точки зрения человека, например «зарплата заёмщика больше, чем 25934 рубля?», но машина придумывает их так, чтобы на каждом шаге разбиение было самым точным.
Так получается дерево вопросов. Чем выше уровень, тем более общий вопрос. Потом даже можно загнать их аналитикам, и они навыдумывают почему так.
Деревья нашли свою нишу в областях с высокой ответственностью: диагностике, медицине, финансах.
Два самых популярных алгоритма построения деревьев — CART и C4.5.
В чистом виде деревья сегодня используют редко, но вот их ансамбли (о которых будет ниже) лежат в основе крупных систем и зачастую уделывают даже нейросети. Например, когда вы задаете вопрос Яндексу, именно толпа глупых деревьев бежит ранжировать вам результаты.
Но самым популярным методом классической классификации заслуженно является Метод Опорных Векторов (SVM). Им классифицировали уже всё: виды растений, лица на фотографиях, документы по тематикам, даже странных Playboy-моделей. Много лет он был главным ответом на вопрос «какой бы мне взять классификатор».
Идея SVM по своей сути проста — он ищет, как так провести две прямые между категориями, чтобы между ними образовался наибольший зазор. На картинке видно нагляднее:
У классификации есть полезная обратная сторона — поиск аномалий. Когда какой-то признак объекта сильно не вписывается в наши классы, мы ярко подсвечиваем его на экране. Сейчас так делают в медицине: компьютер подсвечивает врачу все подозрительные области МРТ или выделяет отклонения в анализах. На биржах таким же образом определяют нестандартных игроков, которые скорее всего являются инсайдерами. Научив компьютер «как правильно», мы автоматически получаем и обратный классификатор — как неправильно.
Сегодня для классификации всё чаще используют нейросети, ведь по сути их для этого и изобрели.
Правило буравчика такое: сложнее данные — сложнее алгоритм. Для текста, цифр, табличек я бы начинал с классики. Там модели меньше, обучаются быстрее и работают понятнее. Для картинок, видео и другой непонятной бигдаты — сразу смотрел бы в сторону нейросетей.
Лет пять назад еще можно было встретить классификатор лиц на SVM, но сегодня под эту задачу сотня готовых сеток по интернету валяются, чо бы их не взять. А вот спам-фильтры как на SVM писали, так и не вижу смысла останавливаться.
Регрессия
«Нарисуй линию вдоль моих точек. Да, это машинное обучение»
Сегодня используют для:
- Прогноз стоимости ценных бумаг
- Анализ спроса, объема продаж
- Медицинские диагнозы
- Любые зависимости числа от времени
Популярные алгоритмы: Линейная или Полиномиальная Регрессия
Регрессия — та же классификация, только вместо категории мы предсказываем число. Стоимость автомобиля по его пробегу, количество пробок по времени суток, объем спроса на товар от роста компании и.т.д. На регрессию идеально ложатся любые задачи, где есть зависимость от времени.
Регрессию очень любят финансисты и аналитики, она встроена даже в Excel. Внутри всё работает, опять же, банально: машина тупо пытается нарисовать линию, которая в среднем отражает зависимость. Правда, в отличии от человека с фломастером и вайтбордом, делает она это математически точно — считая среднее расстояние до каждой точки и пытаясь всем угодить.
Когда регрессия рисует прямую линию, её называют линейной, когда кривую — полиномиальной. Это два основных вида регрессии, дальше уже начинаются редкоземельные методы. Но так как в семье не без урода, есть Логистическая Регрессия, которая на самом деле не регрессия, а метод классификации, от чего у всех постоянно путаница. Не делайте так.
Схожесть регрессии и классификации подтверждается еще и тем, что многие классификаторы, после небольшого тюнинга, превращаются в регрессоры. Например, мы можем не просто смотреть к какому классу принадлежит объект, а запоминать, насколько он близок — и вот, у нас регрессия.