Обучение без учителя
Обучение без учителя (Unsupervised Learning) было изобретено позже, аж в 90-е, и на практике используется реже. Но бывают задачи, где у нас просто нет выбора.
Размеченные данные, как я сказал, дорогая редкость. Но что делать если я хочу, например, написать классификатор автобусов — идти на улицу руками фотографировать миллион икарусов и подписывать где какой? Так и жизнь вся пройдёт, а у меня еще игры в Steam не пройдены.
Когда нет разметки, есть надежда на капитализм, социальное расслоение и миллион китайцев из сервисов типа Яндекс.Толока, которые готовы делать для вас что угодно за пять центов. Так обычно и поступают на практике. А вы думали где Яндекс берёт все свои крутые датасеты?
Либо, можно попробовать обучение без учителя. Хотя, честно говоря, из своей практики я не помню чтобы где-то оно сработало хорошо.
Обучение без учителя, всё же, чаще используют как метод анализа данных, а не как основной алгоритм. Специальный кожаный мешок с дипломом МГУ вбрасывает туда кучу мусора и наблюдает. Кластеры есть? Зависимости появились? Нет? Ну что ж, продолжай, труд освобождает. Ты ж хотел работать в датасаенсе.
Кластеризация
«Разделяет объекты по неизвестному признаку. Машина сама решает как лучше»
Сегодня используют для:
- Сегментация рынка (типов покупателей, лояльности)
- Объединение близких точек на карте
- Сжатие изображений
- Анализ и разметки новых данных
- Детекторы аномального поведения
Популярные алгоритмы: Метод K-средних, Mean-Shift, DBSCAN
Кластеризация — это классификация, но без заранее известных классов. Она сама ищет похожие объекты и объединяет их в кластеры. Количество кластеров можно задать заранее или доверить это машине. Похожесть объектов машина определяет по тем признакам, которые мы ей разметили — у кого много схожих характеристик, тех давай в один класс.
Отличный пример кластеризации — маркеры на картах в Web. Когда вы ищете все крафтовые бары в Москве, движку приходится группировать их в кружочки с циферкой, иначе браузер зависнет в потугах нарисовать миллион маркеров.
Более сложные примеры кластеризации можно вспомнить в приложениях iPhoto или Google Photos, которые находят лица людей на фотографиях и группируют их в альбомы. Приложение не знает как зовут ваших друзей, но может отличить их по характерным чертам лица. Типичная кластеризация.
Правда для начала им приходится найти эти самые «характерные черты», а это уже только с учителем.
Сжатие изображений — еще одна популярная проблема. Сохраняя картинку в PNG, вы можете установить палитру, скажем, в 32 цвета. Тогда кластеризация найдёт все «примерно красные» пиксели изображения, высчитает из них «средний красный по больнице» и заменит все красные на него. Меньше цветов — меньше файл.
Проблема только, как быть с цветами типа Cyan ◼︎ — вот он ближе к зеленому или синему? Тут нам поможет популярный алгоритм кластеризации — Метод К-средних (K-Means). Мы случайным образом бросаем на палитру цветов наши 32 точки, обзывая их центроидами. Все остальные точки относим к ближайшему центроиду от них — получаются как бы созвездия из самых близких цветов. Затем двигаем центроид в центр своего созвездия и повторяем пока центроиды не перестанут двигаться. Кластеры обнаружены, стабильны и их ровно 32 как и надо было.
Искать центроиды удобно и просто, но в реальных задачах кластеры могут быть совсем не круглой формы. Вот вы геолог, которому нужно найти на карте схожие по структуре горные породы — ваши кластеры не только будут вложены друг в друга, но вы ещё и не знаете сколько их вообще получится.
Хитрым задачам — хитрые методы. DBSCAN, например. Он сам находит скопления точек и строит вокруг кластеры. Его легко понять, если представить, что точки — это люди на площади. Находим трёх любых близко стоящих человека и говорим им взяться за руки. Затем они начинают брать за руку тех, до кого могут дотянуться. Так по цепочке, пока никто больше не сможет взять кого-то за руку — это и будет первый кластер. Повторяем, пока не поделим всех. Те, кому вообще некого брать за руку — это выбросы, аномалии. В динамике выглядит довольно красиво:
Как и классификация, кластеризация тоже может использоваться как детектор аномалий. Поведение пользователя после регистрации резко отличается от нормального? Заблокировать его и создать тикет саппорту, чтобы проверили бот это или нет. При этом нам даже не надо знать, что есть «нормальное поведение» — мы просто выгружаем все действия пользователей в модель, и пусть машина сама разбирается кто тут нормальный.
Работает такой подход, по сравнению с классификацией, не очень. Но за спрос не бьют, вдруг получится.