Uczenie nadzorowane

Uczenie nadzorowane to podstawowe podejście w uczeniu maszynowym i sztucznej inteligencji, w którym algorytmy uczą się na oznakowanych zestawach danych, aby dokonywać predykcji lub klasyfikacji. W tym paradygmacie model trenowany jest przy użyciu danych wejściowych powiązanych z poprawnymi wyjściami, co pozwala poznać relacje między nimi. Analizując takie oznakowane przykłady, model potrafi uogólniać i trafnie przewidywać wyniki dla nowych, nieznanych danych.

Jak działa uczenie nadzorowane?

Uczenie nadzorowane polega na trenowaniu modelu uczenia maszynowego przy użyciu oznakowanego zbioru danych, w którym każdy przykład składa się z cech wejściowych oraz odpowiadającego im pożądanego wyjścia. Proces ten obejmuje następujące kluczowe kroki:

1. Zbieranie i przygotowanie danych:

   • Oznakowane dane: Zbierz zestaw danych, w którym wejścia są powiązane z poprawnymi wyjściami. Te oznakowane dane stanowią podstawę treningu.
   • Ekstrakcja cech: Zidentyfikuj i wyodrębnij istotne cechy z danych wejściowych, które pomogą modelowi w dokładnych predykcjach.

2. Wybór modelu:

   • Wybierz odpowiedni algorytm uczenia nadzorowanego w zależności od typu problemu (klasyfikacja lub regresja) i charakteru danych.

3. Trenowanie modelu:

   • Inicjalizacja: Rozpocznij od początkowych parametrów lub wag modelu.
   • Predykcja: Model dokonuje predykcji na danych treningowych, korzystając z bieżących parametrów.
   • Funkcja straty: Oblicz funkcję straty (zwaną też funkcją kosztu), aby zmierzyć różnicę między predykcjami modelu a rzeczywistymi pożądanymi wyjściami.
   • Optymalizacja: Dostosuj parametry modelu w celu minimalizacji straty, stosując algorytmy optymalizacyjne, takie jak spadek gradientu.

4. Ewaluacja modelu:

   • Oceń wydajność modelu przy użyciu oddzielnego zbioru walidacyjnego, aby upewnić się, że dobrze generalizuje na nowe dane.
   • Do oceny wykorzystuje się miary, takie jak dokładność, precyzja, recall czy średni błąd kwadratowy.

5. Wdrożenie:

   • Po osiągnięciu satysfakcjonującej wydajności model może być wdrożony do predykcji na nowych, nieznanych danych.

Istota uczenia nadzorowanego polega na kierowaniu modelem za pomocą poprawnych odpowiedzi w fazie trenowania, co pozwala mu nauczyć się wzorców i zależności w danych, które wiążą wejścia z wyjściami.

Rodzaje uczenia nadzorowanego

Zadania uczenia nadzorowanego dzielimy głównie na dwa typy: klasyfikację i regresję.

1. Klasyfikacja

Algorytmy klasyfikacji stosuje się, gdy zmienna wyjściowa jest kategorią lub klasą, np. „spam” lub „nie spam”, „choroba” lub „brak choroby”, czy rodzaje obiektów na obrazach.

• Cel: Przypisanie danych wejściowych do zdefiniowanych kategorii.
• Popularne algorytmy klasyfikacyjne:
  • Regresja logistyczna: Stosowana do problemów klasyfikacji binarnej, modeluje prawdopodobieństwo dyskretnego wyniku.
  • Drzewa decyzyjne: Dzielą dane na podstawie wartości cech, podejmując decyzję na każdym węźle, co prowadzi do predykcji.
  • Maszyny wektorów nośnych (SVM): Znajdują optymalną hiperpłaszczyznę rozdzielającą klasy w przestrzeni cech.
  • k-Najbliższych Sąsiadów (KNN): Klasyfikują przykłady na podstawie większości klasy wśród najbliższych sąsiadów.
  • Naiwny Bayes: Klasyfikatory probabilistyczne wykorzystujące twierdzenie Bayesa z założeniem niezależności cech.
  • Losowy las: Zespół drzew decyzyjnych poprawiający dokładność klasyfikacji i ograniczający przeuczenie.

Przykłady zastosowań:

• Wykrywanie spamu: Klasyfikacja e-maili jako „spam” lub „nie spam” na podstawie treści.
• Rozpoznawanie obrazów: Identyfikacja obiektów lub osób na zdjęciach.
• Diagnostyka medyczna: Przewidywanie, czy pacjent cierpi na określoną chorobę na podstawie wyników badań.

2. Regresja

Algorytmy regresyjne stosuje się, gdy zmienna wyjściowa jest wartością ciągłą, np. do przewidywania cen, temperatury czy wartości akcji.

• Cel: Przewidywanie rzeczywistego lub ciągłego wyjścia na podstawie cech wejściowych.
• Popularne algorytmy regresyjne:
  • Regresja liniowa: Modeluje zależność między zmiennymi wejściowymi a ciągłym wyjściem przy użyciu funkcji liniowej.
  • Regresja wielomianowa: Rozszerza regresję liniową, dopasowując do danych funkcję wielomianową.
  • Support Vector Regression (SVR): Adaptacja SVM do problemów regresyjnych.
  • Regresja drzew decyzyjnych: Wykorzystuje drzewa decyzyjne do przewidywania wartości ciągłych.
  • Regresja losowego lasu: Metoda zespołowa łącząca wiele drzew decyzyjnych w zadaniach regresyjnych.

Przykłady zastosowań:

• Predykcja cen mieszkań: Szacowanie cen nieruchomości na podstawie cech takich jak lokalizacja, metraż czy udogodnienia.
• Prognozowanie sprzedaży: Przewidywanie przyszłych wyników sprzedaży na podstawie danych historycznych.
• Prognozowanie pogody: Estymacja temperatury czy ilości opadów.

Kluczowe pojęcia w uczeniu nadzorowanym

• Oznakowane dane: Podstawa uczenia nadzorowanego; każde wejście jest powiązane z poprawnym wyjściem. Etykiety dostarczają modelowi nadzoru potrzebnego do nauki.
• Zbiory treningowe i testowe:
  • Zbiór treningowy: Służy do trenowania modelu. Model uczy się na tych danych.
  • Zbiór testowy: Służy do oceny wydajności modelu na nieznanych wcześniej danych.
• Funkcja straty:
  • Funkcja matematyczna mierząca błąd między predykcjami modelu a rzeczywistymi wyjściami.
  • Popularne funkcje straty:
    • Średni błąd kwadratowy (MSE): Stosowany w regresji.
    • Strata entropii krzyżowej: Stosowana w klasyfikacji.
• Algorytmy optymalizacyjne:
  • Metody służące do dostrajania parametrów modelu w celu minimalizacji funkcji straty.
  • Spadek gradientu: Iteracyjne dostosowywanie parametrów w celu znalezienia minimum funkcji straty.
• Przeuczenie i niedouczenie:
  • Przeuczenie (overfitting): Model zbyt dobrze uczy się danych treningowych (wraz z szumem), przez co słabo radzi sobie z nowymi danymi.
  • Niedouczenie (underfitting): Model jest zbyt prosty i nie wychwytuje wzorców w danych.
• Techniki walidacyjne:
  • Walidacja krzyżowa: Podział danych na podzbiory w celu walidacji wydajności modelu.
  • Regularyzacja: Techniki takie jak Lasso czy Ridge, które zapobiegają przeuczeniu.

Algorytmy uczenia nadzorowanego

W uczeniu nadzorowanym stosuje się wiele algorytmów, z których każdy ma unikalne cechy i jest dostosowany do określonych problemów.

1. Regresja liniowa

• Cel: Modelowanie zależności między zmiennymi wejściowymi a wyjściem ciągłym.
• Jak działa: Dopasowuje do danych równanie liniowe, minimalizując różnicę między przewidywanymi a rzeczywistymi wartościami.

2. Regresja logistyczna

• Cel: Stosowana w problemach klasyfikacji binarnej.
• Jak działa: Modeluje prawdopodobieństwo zajścia zdarzenia, dopasowując dane do funkcji logistycznej.

3. Drzewa decyzyjne

• Cel: Zarówno do klasyfikacji, jak i regresji.
• Jak działa: Dzieli dane na gałęzie według wartości cech, tworząc strukturę drzewa decyzyjnego.

4. Maszyny wektorów nośnych (SVM)

• Cel: Skuteczne w przestrzeniach o wysokiej liczbie wymiarów dla klasyfikacji i regresji.
• Jak działa: Znajduje hiperpłaszczyznę najlepiej rozdzielającą klasy w przestrzeni cech.

5. Naiwny Bayes

• Cel: Zadania klasyfikacji, szczególnie przy dużych zbiorach danych.
• Jak działa: Stosuje twierdzenie Bayesa, zakładając niezależność cech.

6. k-Najbliższych Sąsiadów (KNN)

• Cel: Zadania klasyfikacji i regresji.
• Jak działa: Przewiduje wynik na podstawie większości klasy (klasyfikacja) lub średniej wartości (regresja) k najbliższych przykładów.

7. Sieci neuronowe

• Cel: Modelowanie złożonych nieliniowych zależności.
• Jak działa: Składają się z warstw połączonych węzłów (neuronów), które przetwarzają dane wejściowe i generują wyjście.

8. Losowy las

• Cel: Poprawa dokładności predykcji i kontrola przeuczenia.
• Jak działa: Buduje wiele drzew decyzyjnych i łączy ich wyniki.

Zastosowania i przykłady użycia uczenia nadzorowanego

Algorytmy uczenia nadzorowanego są wszechstronne i znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach.

1. Rozpoznawanie obrazów i obiektów

• Zastosowanie: Klasyfikacja obrazów lub wykrywanie obiektów na zdjęciach.
• Przykład: Identyfikacja zwierząt na fotografiach z dzikiej przyrody lub wykrywanie wad w produkcji.

2. Analityka predykcyjna

• Zastosowanie: Prognozowanie przyszłych trendów na podstawie danych historycznych.
• Przykład: Prognozowanie sprzedaży, przewidywanie cen akcji, optymalizacja łańcucha dostaw.

3. Przetwarzanie języka naturalnego (NLP)

• Zastosowanie: Rozumienie i generowanie ludzkiego języka.
• Przykład: Analiza sentymentu, tłumaczenie języka, interakcje z chatbotami.

4. Wykrywanie spamu

• Zastosowanie: Filtrowanie niechcianych e-maili.
• Przykład: Klasyfikacja wiadomości jako „spam” lub „nie spam” na podstawie cech treści.

5. Wykrywanie oszustw

• Zastosowanie: Identyfikacja działań oszukańczych.
• Przykład: Monitorowanie transakcji pod kątem anomalii w bankowości lub użyciu kart kredytowych.

6. Diagnostyka medyczna

• Zastosowanie: Wspomaganie wykrywania chorób i prognozowania.
• Przykład: Przewidywanie nawrotów nowotworów na podstawie danych pacjentów.

7. Rozpoznawanie mowy

• Zastosowanie: Przekształcanie mowy na tekst.
• Przykład: Asystenci głosowi, tacy jak Siri czy Alexa, rozumiejący polecenia użytkowników.

8. Personalizowane rekomendacje

• Zastosowanie: Polecanie użytkownikom produktów lub treści.
• Przykład: Platformy e-commerce sugerujące produkty na podstawie wcześniejszych zakupów.

Uczenie nadzorowane w automatyzacji AI i chatbotach

Uczenie nadzorowane jest kluczowe w rozwoju automatyzacji AI oraz technologii chatbotów.

1. Klasyfikacja intencji

• Cel: Określenie zamiaru użytkownika na podstawie jego wypowiedzi.
• Zastosowanie: Chatboty wykorzystują modele uczenia nadzorowanego trenowane na przykładach zapytań użytkowników i odpowiadających im intencjach, aby rozumieć prośby.

2. Rozpoznawanie encji

• Cel: Identyfikacja i wydobywanie kluczowych informacji z wypowiedzi użytkownika.
• Zastosowanie: Wyodrębnianie dat, nazwisk, lokalizacji lub nazw produktów w celu odpowiedzi na zapytanie.

3. Generowanie odpowiedzi

• Cel: Generowanie trafnych i kontekstowo adekwatnych odpowiedzi.
• Zastosowanie: Trenowanie modeli na danych konwersacyjnych, by chatboty mogły naturalnie odpowiadać.

4. Analiza sentymentu

• Cel: Określenie emocjonalnego tonu wiadomości użytkownika.
• Zastosowanie: Dostosowywanie odpowiedzi w zależności od sentymentu, np. oferowanie pomocy w przypadku wykrycia frustracji.

5. Personalizacja

• Cel: Dostosowanie interakcji na podstawie preferencji i historii użytkownika.
• Zastosowanie: Chatboty oferujące spersonalizowane rekomendacje lub pamiętające wcześniejsze rozmowy.

Przykład w rozwoju chatbota:

Chatbot obsługi klienta jest trenowany metodą uczenia nadzorowanego na historycznych zapisach rozmów. Każda konwersacja oznakowana jest intencją klienta i właściwą odpowiedzią. Chatbot uczy się rozpoznawać najczęstsze pytania i udzielać trafnych odpowiedzi, poprawiając doświadczenie klienta.

Wyzwania uczenia nadzorowanego

Pomimo swojej skuteczności, uczenie nadzorowane napotyka szereg wyzwań:

1. Oznakowanie danych

• Problem: Pozyskanie oznakowanych danych jest czasochłonne i kosztowne.
• Wpływ: Bez wystarczającej liczby wysokiej jakości oznakowanych danych wydajność modeli może być ograniczona.
• Rozwiązanie: Stosowanie technik augmentacji danych lub uczenia pół-nadzorowanego, by wykorzystać dane nieoznakowane.

2. Przeuczenie (overfitting)

• Problem: Modele mogą dobrze radzić sobie na danych treningowych, ale słabo na nowych danych.
• Wpływ: Przeuczenie ogranicza zdolność generalizacji modelu.
• Rozwiązanie: Stosowanie regularyzacji, walidacji krzyżowej i prostszych modeli.

3. Złożoność obliczeniowa

• Problem: Trenowanie złożonych modeli na dużych zbiorach danych wymaga dużych zasobów obliczeniowych.
• Wpływ: Ogranicza skalowalność rozwiązań.
• Rozwiązanie: Wykorzystanie technik redukcji wymiarowości lub wydajniejszych algorytmów.

4. Stronniczość i sprawiedliwość

• Problem: Modele mogą uczyć się i utrwalać stronniczości obecne w danych treningowych.
• Wpływ: Może to prowadzić do nieuczciwych lub dyskryminujących wyników.
• Rozwiązanie: Zapewnienie różnorodnych i reprezentatywnych danych oraz stosowanie ograniczeń związanych ze sprawiedliwością.

Porównanie z uczeniem nienadzorowanym

Zrozumienie różnic między uczeniem nadzorowanym a nienadzorowanym jest kluczowe przy wyborze odpowiedniego podejścia.

Uczenie nadzorowane

Uczenie nienadzorowane

Kluczowe różnice:

• Dane oznakowane vs. nieoznakowane: Uczenie nadzorowane opiera się na danych oznakowanych, a nienadzorowane wykorzystuje dane bez etykiet.
• Wynik: Uczenie nadzorowane przewiduje znane wyjścia, podczas gdy nienadzorowane identyfikuje ukryte wzorce bez zdefiniowanych rezultatów.

Przykład uczenia nienadzorowanego:

• Algorytmy klasteryzacji: Grupowanie klientów na podstawie zachowań zakupowych bez wcześniejszych etykiet — przydatne w segmentacji rynku.
• Redukcja wymiarowości: Techniki takie jak analiza głównych składowych (PCA) zmniejszają liczbę cech przy zachowaniu wariancji, ułatwiając wizualizację danych o wysokiej liczbie wymiarów.

Uczenie pół-nadzorowane

Definicja:

Uczenie pół-nadzorowane łączy elementy uczenia nadzorowanego i nienadzorowanego. Podczas treningu wykorzystuje niewielką ilość oznakowanych danych oraz dużą ilość danych nieoznakowanych.

Dlaczego warto stosować uczenie pół-nadzorowane?

• Opłacalność: Ogranicza konieczność pozyskiwania dużej liczby oznakowanych danych, co bywa kosztowne.
• Lepsza wydajność: Może osiągać lepsze rezultaty niż uczenie nienadzorowane, wykorzystując część danych oznakowanych.

Zastosowania:

• Klasyfikacja obrazów: Oznakowanie każdego obrazu jest niepraktyczne, ale oznakowanie części znacząco poprawia trening.
• Przetwarzanie języka naturalnego: Udoskonalanie modeli językowych przy ograniczonej liczbie tekstów z adnotacjami.
• Obrazowanie medyczne: Wykorzystanie nieoznakowanych skanów wraz z kilkoma oznakowanymi przykładami do poprawy modeli diagnostycznych.

Kluczowe pojęcia i terminy

• Modele uczenia maszynowego: Algorytmy wytrenowane do rozpoznawania wzorców i podejmowania decyzji przy minimalnej ingerencji człowieka.
• Przykłady danych: Pojedyncze jednostki danych z cechami i etykietami używanymi w treningu.
• Pożądane wyjście: Poprawny wynik, który model ma przewidywać.
• Sztuczna inteligencja: Symulacja procesów inteligencji ludzkiej przez maszyny, zwłaszcza systemy komputerowe.
• Redukcja wymiarowości: Techniki ograniczania liczby zmiennych wejściowych w zbiorze danych.

Badania nad uczeniem nadzorowanym

Uczenie nadzorowane to kluczowy obszar uczenia maszynowego, w którym modele trenowane są na oznakowanych danych. Ten rodzaj uczenia jest podstawowy dla wielu zastosowań — od rozpoznawania obrazów po przetwarzanie języka naturalnego. Poniżej przedstawiamy kilka ważnych publikacji naukowych przyczyniających się do rozwoju i zrozumienia uczenia nadzorowanego.

1. Self-supervised self-supervision by combining deep learning and probabilistic logic

   • Autorzy: Hunter Lang, Hoifung Poon
   • Streszczenie: Artykuł porusza problem oznaczania przykładów treningowych na dużą skalę, co jest częstym wyzwaniem w uczeniu maszynowym. Autorzy proponują nową metodę Self-Supervised Self-Supervision (S4), która wzmacnia Deep Probabilistic Logic (DPL) poprzez automatyczną naukę nowych sposobów samonadzoru. Praca opisuje, jak S4 zaczyna od początkowego „ziarna” i iteracyjnie proponuje nowe mechanizmy samonadzoru, które mogą być bezpośrednio dodawane lub weryfikowane przez ludzi. Wyniki pokazują, że S4 może automatycznie proponować trafne mechanizmy samonadzoru i osiągać rezultaty zbliżone do metod nadzorowanych przy minimalnej interwencji człowieka.
   • Link do pracy: Self-supervised self-supervision by combining deep learning and probabilistic logic

2. **Rethinking Weak Super