Machine Learning in der Praxis – Teil 1 – Was ist Machine Learning?

Liebe Leser,

in dieser Serie von Artikeln will euch ein ganzheitliches Verständnis über Machine Learning vermitteln. Wir werden eine Reihe von Algorithmen kennenlernen, wir werden uns dazu verschiedene Typen von Lernverfahren anschauen. Darunter sind sog. überwachte Lernverfahren wie Regression, Klassifikation (z.B. mit Support Vector Machines) sowie unüberwachte Lernverfahren wie Clustering (hierarchische und nicht-hierarchische Verfahren wie z.B. k-Means ) und schließlich werden wir zu Deep-Learning mit neuronalen Netzwerken übergehen und uns Bilderkennung und Reinforcement-Learning anschauen. Euch sagen viele dieser Begriffe nichts oder ihr habt nur eine vage Vorstellung davon? Dann ist diese Artikelserie für euch richtig!

Wir werden uns zu jedem Verfahren die zugrunde liegende Intuition und Theorie aus der Vogelperspektive anschauen, Anwendungen mit scikit-learn in Python kennenlernen. Dafür werden wir anhand realer Daten sehen, was die Verfahren von uns als Input erwarten, was wir als Output erhalten können, und wie wir diesen interpretieren können.

Schließlich wollen wir uns aber auch die genaue Funktionalität anschauen, indem wir die zugrundeliegende Mathematik nachvollziehen und noch tiefer eintauchen. Dafür werden wir die Verfahren in einfacher Weise selbst programmieren. Das wird euch letztlich helfen, die Verfahren wirklich zu verstehen, was euch in Zukunft helfen wird, wenn ihr die Verfahren auf neue Problemstellungen anwenden werdet.

Voraussetzungen sind Grundkenntnisse in Python 3. Es schadet nicht, wenn ihr euch etwas in Wahrscheinlichkeitsrechnung und Statistik auskennt. Es ist aber keine zwingende Voraussetzung. Ich will versuchen es einfach zu halten.

Was ist Machine Learning? Ein erstes Beispiel.

Machine Learning ist nicht alt. Die Forschungsgeschichte beginnt in etwa in den 1950er Jahren. Machine Learning ist die Wissenschaft oder Kunst, Maschinen (bzw. Computer) so zu programmieren, dass diese selbstständig aus Daten lernen können.

Arthur Samuel (Quelle: Wikipedia)

Arthur Samuel definierte etwas allgemeiner im Jahre 1959: Machine Learning ist die Erforschung von Methoden, Maschinen die Fähigkeit zu geben zu lernen, ohne sie explizit zu programmieren.

Eine quantitativere Definition ist die folgende: Eine Machine lernt aus einer Menge Daten D, in einer bestimmten Aufgabe A in Bezug auf ein Leistungsmaß L besser zu werden, wenn die Leistung in Bezug auf A gemessen in L mit der Menge D zunimmt.

Letztlich geht es darum, sich das Leben einfacher zu machen und Wissen nicht explizit in Form von Regeln programmieren zu mussen, sondern einer Maschine ein Verfahren zu geben, mit dem sie selbstständig lernt. Ein Beispiel ist der Spamfilter. Er erkennt anhand von Beispielen für Spam und Nicht-Spam (“Ham”) neuen Spam und Ham. Weil er mit Beispielen arbeitet, die ihm sagen, wonach er suchen soll, spricht man dabei von einem sog. überwachten Lernverfahren. Eine sehr simple Methode, Spam zu erkennen wäre folgende: jede neue E-Mail wird mit einer Liste von Spam-E-Mails vergleichen, von denen der Spamfilter bereits weiß, dass sie Spam sind. Es muss dann aber nur ein einzelnes Wort, ja nur ein einzlener Buchstabe in einer neuen Spam-E-Mail anders sein als in einer der bereits bekannten Spam-E-Mail und der Spamfilter würde diese E-Mail nicht mehr als Spam erkennen. Ihr könnte euch vorstellen, dass durch Austauschen oder Hinzufügen von Zeichen in bereits bekannte Spam-E-Mails unbegrenzt viele neue Varianten von Spam enstehen könnten. Es ist also kein sinnvolles Verfahren, Spam-E-Mails durch “Auswendiglernen” bzw. durch von Hand programmierte Regeln zu erkennen. Besser wäre es, wir hätten ein Verfahren, dass Spam-E-Mails automatisch, möglichst zuverlässig detektiert, ohne “echte” E-Mails auszusortieren. Wir brauchen ein echtes Vorhersageverfahren.

Hier kommt Machine Learning ins Spiel. Eine Möglichkeit wäre nun, dass ein Verfahren lernt, welche Worte häufiger in Spam und welche häufiger in Ham vorkommen. Ein Machine-Learning-Verfahren könnte nun die Wahrscheinlichkeit, ob eine Mail Spam oder Ham ist aus der Anzahl Worte ableiten, die eher in Spam oder eher in Ham auftreten.

Eine der ersten hierfür eingesetzten Methoden war der sogenannte Naive Bayes Filter. Es handet sich dabei um ein überwachtes Lernverfahren und genauer eine sog. Klassifizierungsmethode. Sie klassifiziert E-Mails entweder als Spam oder Ham.

Zu Anfang weiß der Naive-Bayes-Filter nichts. Er braucht zunächst Daten D. Diese bekommt er von uns, die wir E-Mails lesen und als Spam markieren. Immer wenn du oder ich eine E-Mail als Spam markieren, kann der Spamfilter lernen, dass die Worte aus der Spam-E-Mail für Spam typisch sind. Tritt nun in vielen Spam-E-Mails immer wieder das Wort “Viagra” auf, so werden diese in Zukunft herausgefiltert. Der Naive Bayes Filter wird mit den von uns gelieferten Daten D, in seiner Aufgabe A Spam zu erkennen in puncto Leistungsmaß “Anteil richtig erkannter Spam-E-Mails” L mit zunehmender Menge Daten D besser.

Wir werden in den nächsten Kapiteln weitere Aufgaben und weitere Methoden kennenlernen.

Wir leben im goldenen Zeitalter des Machine Learning!

Wir leben in einer aufregenden Zeit! Ihr könnt heute das Machine Learning Verfahren eurer Wahl auf  100.000 Euro teurer Hardware bei z.B. Amazon AWSGoogles Cloud oder Microsoft Azure oder vielen anderen Anbeitern auf Terrabytes von Daten anwenden und Modelle erhalten – zum Spaß, für eure Softwareprojekte oder eure Businessidee. Und das Ganze für wenige Euros pro Stunde. Gleichzeitig sind über Programmiersprachen wie Python und Module wie scikit-learn Machine-Learning-Verfahren auch für wenig erfahrene Entwickler verfügbar. Viele Verfahren lassen sich auch ohne Verständnis ihrer genauen Funktionsweise sofort anwenden. Wer es etwas genauer Wissen will und bessere Ergebnisse erzielen will und erfahren will, für welches Problem, welches Verfahren am besten geeignet ist, für den ist diese Aritkelserie!

Im nächsten Teil werden wir uns Machine Learning noch etwas genauer aus der Vogelperspektive anschauen und lernen, welche Arten von Verfahren es gibt. Im übernächsten Artikel werden wir bereits eine erste Aufgabe und eine praktische Lösung dafür kennenlernen.

Viel Spaß und beste Grüße

Frank Wolf

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