Роман Зыков - Роман с Data Science. Как монетизировать большие данные [litres]

Как я уже писал, основное отличие машинного обучения от обычного программирования заключается в том, что программа обучается на примерах, а не на прямых инструкциях. Поэтому неотъемлемой частью какого-либо решения является обученная на данных (примерах) модель. Выглядит это как черный ящик: программный код, который представляет собой интерфейс взаимодействия обученной модели или черного ящика с внешним миром. В самом ящике находится набор коэффициентов и параметров модели, которые понятны только этому коду.

Польза ML заключается в автоматизации принятия решений, за счет этого данные обрабатываются гораздо быстрее. Мы, люди, обладаем настоящим универсальным интеллектом, но из-за этой универсальности количество задач, которые мы можем решить за единицу времени, очень ограниченно. Чего не скажешь о ML, типовой алгоритм которого заточен на очень узкую задачу, но его можно масштабировать неограниченно. Хотите один миллион прогнозов в секунду – пожалуйста, предоставьте только необходимые ресурсы.

Моя книга – не учебник по ML. В этой главе я проговорю только основы, которые нам понадобятся в дальнейшем. Они покрывают 80 % того, что понадобится на практике работы со структурированными данными – правило Парето работает и здесь. Сами алгоритмы я выбрал из своей практики применения: линейная регрессия, логистическая регрессия, деревья решений и ансамбли (random forest, xgboost, catboost). Это самые популярные алгоритмы решения задач для структурированных данных. Что подтверждается исследованием, которое провел Kaggle в 2019 году [53]. На 18-й странице этого исследования есть график популярности методов машинного обучения (рис. 8.1). И в исследовании написан вывод: «Участники опроса – фанаты простоты. Самые популярные методы – линейная и логистическая регрессии, за которыми идут деревья решений. Они не настолько мощные, как более сложные методы, но достаточно эффективны и их легко интерпретировать».

Рис. 8.1.Простые линейные методы – самые популярные

С нейронными сетями я впервые познакомился в 2002 году, когда стал работать в компании StatSoft. Тогда они не произвели на меня впечатления. Да, алгоритм красивый и интересный, но те задачи, которые ими решались, можно было решить более простыми методами. Золотой век нейронных сетей начался примерно 10 лет назад, когда стали применять сверточные нейронные сети (convolutional neural networks). Они стали идеальным инструментом для работы с изображениями, звуком и прочей неструктурированной информацией. Есть попытки их использовать и в рекомендательных сервисах, но пока нет существенного прогресса [52]. Мы в Retail Rocket тоже пытались их использовать. В рекомендациях одежды существенной выгоды [25] не получили. А вот для удаления «плохих» рекомендаций они пригодились и используются прямо сейчас. Сама область довольно молодая, вычислительные чипы GPU, которые предназначены для ускорения вычислений на нейронных сетях глубокого обучения, становятся все мощнее и дешевле. Я ожидаю более широкого применения этих методов в течение ближайших 10 лет. Теоретически они будут способны заменить алгоритмы на универсальные даже для структурированных данных, что сильно упростит решение ML-задач. Сами нейронные сети – тема для отдельной книги.

Классическое ML делится на три типа:

• обучение с учителем (supervised learning);

• обучение без учителя (unsupervised learning);

• обучение с подкреплением (reinforcement learning).

Обучение с учителем подразумевает под собой, что для каждого набора входных данных (независимые переменные или фичи) у вас есть величина (зависимая переменная), которую модель должна предсказать. Примеры таких задач представлены в табл. 8.1 [50].

Таблица 8.1. Типы задач в ML

В таком типе задач есть два основных класса задач: задача регрессии, когда нужно прогнозировать показатель с непрерывной шкалой (например, деньги, вероятность); а также задача классификации, когда нужно понять, к какому классу принадлежит объект (есть ли на фотографии люди, человек болен или нет, кто изображен на фотографии). Есть еще ряд задач, связанных с переводом текста, распознаванием речи, геопозиционированием, которые получили большое распространение благодаря глубоким нейронным сетям.

Понятие «регрессия» возникло, когда сэр Френсис Гамильтон познакомился с книгой Дарвина «Происхождение видов». Он решил изучить, как рост детей зависит от роста родителей. В процессе исследования он выяснил, что дети очень высоких и очень низких родителей в среднем имеют менее высокий и, соответственно, менее низкий рост. Это движение роста назад в направлении к среднему Ф. Гамильтон назвал регрессией (to regress – двигаться в обратном направлении) [51]. В 1885 году он издал работу «Регрессия в направлении к общему среднему размеру при наследовании роста», через некоторое время это понятие стало применяться ко всем задачам с односторонней стохастической зависимостью.

Обучение без учителя (unsupervised learning) подразумевает, что в данных есть закономерность, но вы не знаете какая (нет зависимой переменной). Это может быть задача разделения датасета на кластеры (кластерный анализ), поиск аномалий, автоэнкодеры (например, для уменьшения размерности пространства фич), метод главных компонент (Principal Component Analysis), коллаборативная фильтрация (рекомендательные системы).

Обучение с подкреплением (reinforcement learning) – модель учится через взаимодействие со средой. Это частный случай модели с учителем, где учителем является не датасет, а реакция среды на какое-то действие, которое мы произвели. Часто применяется при разработке ботов для игр (не только стрелялки, но и шахматы), управлении роботами. В отличие от классического машинного обучения, датасета здесь нет. Агент (например, робот) производит какое-либо действие в среде, получает обратную связь, которая транслируется в награду (reward). Агент учится совершать такие действия, которые максимизируют его награду. Так, например, можно научить робота ходить или играть в шахматы.

Для каждого типа задач классического ML есть соответствующий алгоритм. Например шпаргалка (cheat sheet, рис. 8.2) (https://topdatalab.ru/ref?link=117) для очень популярной библиотеки scikit learn выглядит так:

Рис. 8.2.Шпаргалка методов ML (https://scikit-learn.org/stable/tutorial/machine_learning_map/index.html)