Гид: алгоритмы машинного обучения и их типы

Термины «Машинное обучение» и «Искусственный интеллект» часто путают между собой. На самом деле, машинное обучение входит в область искусственного интеллекта. Ещё машинное обучение порой путают с прогнозной аналитикой (или предсказательным моделированием). И опять, машинное обучение может использоваться для предсказательного моделирования, но это всего лишь один из видов предиктивной аналитики, и его применение шире, чем предсказательное моделирование.

Термин «машинное обучение» ввел американский компьютерный ученый Артур Самуэль в 1959 году как «способность компьютера учиться, не будучи явным образом запрограммированным».

В своём самом простом виде машинное обучение использует запрограммированные алгоритмы, которые получают и анализируют входные данные, а затем прогнозируют выходные значения из допустимого диапазона. По мере поступления новых данных эти алгоритмы обучаются и оптимизируют свою деятельность, повышая производительность и со временем развивая «интеллект».

Существуют 4 типа алгоритмов машинного обучения: обучение с учителем, обучение с частичным привлечением учителя, обучение без учителя и обучение с подкреплением

Обучение с учителем

При обучении с учителем машина обучается на примерах. Оператор обеспечивает алгоритм машинного обучения набором известных данных, который содержит необходимые входные и выходные значения. Алгоритм должен установить, как получаются по данным входам данные выходы. Сам оператор знает решение поставленной задачи; алгоритм выявляет закономерности в данных, учится на основе наблюдений и делает прогнозы. Эти прогнозы затем корректируются оператором. Процесс продолжается до тех пор, пока алгоритм не достигнет высокого уровня точности/производительности.

К категории обучения с учителем относятся классификация, регрессия и прогнозирование.

1. Классификация: В задачах классификации программа машинного обучения должна сделать заключение на основе наблюдённых значений и определить, к какой категории относятся новые наблюдения. Например, при сортировке электронной почты на спам и полезные сообщения программа просматривает накопленные в прошлом данные и согласно им сортирует новые электронные письма.
2. Регрессия: В задачах регрессии программа машинного обучения должна оценить – и понять – взаимосвязи между переменными. Предмет регрессионного анализа – одна зависимая переменная и набор других изменяющихся переменных. Это делает анализ особенно полезным для прогнозирования и предсказаний.
3. Прогнозирование: Это процесс построения предсказаний о будущем на основе данных из прошлого и настоящего, который обычно используется при анализе трендов.

Обучение с частичным привлечением учителя

Обучение с частичным привлечением учителя похоже на обучение с учителем, однако использует как размеченные, так и неразмеченные данные. Размеченные данные – это, по сути, наборы единиц информации с приписанными им метками (тегами). В неразмеченных данных таких меток нет. Комбинируя методы обучения, алгоритмы могут обучаться размечать неразмеченные данные.

Обучение без учителя

В этом случае алгоритм машинного обучения изучает данные с целью выявления закономерностей (паттернов). Не существует справочника с ответами или оператора, который мог бы обучить машину. Напротив, программа сама определяет корреляции и связи на основе анализа доступных данных. При обучении без учителя алгоритму машинного обучения позволено самостоятельно интерпретировать большие наборы данных и делать на их основе выводы. Алгоритм пытается каким-либо образом упорядочить данные и описать их структуру. Это может выглядеть как группировка данных в кластеры или это такое упорядочивание данных, при котором они начинают выглядеть систематизировано.

По мере поступления данных для анализа растёт способность алгоритма принимать решения на основе этих данных, а также точность этих решений.

Методы обучения без учителя включают в себя:

1. Кластеризация: Кластеризация предполагает группирование наборов похожих данных (на основе определенных критериев). Это полезно для сегментации данных на несколько групп и проведении анализа на основе каждого набора данных по отдельности для поиска закономерностей.
2. Понижение размерности: Понижение размерности уменьшает количество используемых переменных и отделяет точную искомую информацию.

Обучение с подкреплением

Фокус обучения с подкреплением делается на регламентированные процессы обучения, при которых алгоритм машинного обучения снабжен набором действий, параметров и конечных значений. Определив правила, алгоритм машинного обучения пытается изучить различные варианты и возможности, отслеживая и оценивая каждый раз результат, чтобы определить, какой из вариантов является оптимальным. Подкрепляемое обучение – это метод проб и ошибок для машины. Она учится на прошлом опыте и меняет свой подход, реагируя на новую ситуацию, пытаясь достичь наилучшего возможного результата.

Как решить, какие алгоритмы машинного обучения использовать?

Выбор правильного алгоритма машинного обучения зависит от нескольких факторов, включая размер данных, их качество и разнообразие, а также понимание, какие ответы на основе этих данных нужны бизнесу. Также внимание нужно уделять точности, времени на обучение, параметрам, данным и многому другому. Поэтому выбор правильного алгоритма – это сочетание бизнес-потребностей, спецификаций, экспериментальной работы и учёта доступного времени.

Даже самые опытные специалисты по анализу данных не смогут сказать вам, какой алгоритм будет работать лучше, не поэкспериментировав с различными их видами. Несмотря на это, мы составили памятку по алгоритмам машинного обучения, которая поможет найти алгоритм, подходящий для ваших конкретных задач.