Praxiseinstieg Machine Learning mit Scikit-Learn, Keras und TensorFlow. Aurélien Géron
leicht automatisieren (wie in Abbildung 1-3 gezeigt). So kann sich selbst ein Batch-Learning-System anpassen. Aktualisieren Sie einfach die Daten und trainieren Sie eine neue Version des Systems so oft wie nötig.
Dies ist eine einfache Lösung und funktioniert meist gut, aber das Trainieren mit dem gesamten Datensatz kann viele Stunden beanspruchen. Daher würde man das neue System nur alle 24 Stunden oder wöchentlich trainieren. Wenn Ihr System sich an schnell ändernde Daten anpassen muss (z.B. um Aktienkurse vorherzusagen), benötigen Sie eine anpassungsfähigere Lösung.
Außerdem beansprucht das Trainieren auf dem gesamten Datensatz eine Menge Rechenkapazität (CPU, Hauptspeicher, Plattenplatz, I/O-Kapazität, Netzwerkbandbreite und so weiter). Wenn Sie eine Menge Daten haben und Ihr System automatisch jeden Tag trainieren lassen, kann Sie das am Ende eine Stange Geld kosten. Falls die Datenmenge sehr groß ist, kann der Einsatz von Batch-Learning sogar unmöglich sein.
Wenn Ihr System autonom lernen muss und die Ressourcen dazu begrenzt sind (z.B. eine Applikation auf einem Smartphone oder ein Fahrzeug auf dem Mars), ist das Herumschleppen großer Mengen an Trainingsdaten oder das Belegen einer Menge Ressourcen für mehrere Stunden am Tag kein gangbarer Weg.
In all diesen Fällen sind Algorithmen, die inkrementell lernen können, eine bessere Alternative.
Online-Learning
Beim Online-Learning, wird das System nach und nach trainiert, indem einzelne Datensätze nacheinander oder in kleinen Paketen, sogenannten Mini-Batches, hinzugefügt werden. Jeder Lernschritt ist schnell und billig, sodass das System aus neuen Daten lernen kann, sobald diese verfügbar sind (siehe Abbildung 1-13).
Online-Learning eignet sich großartig für ein System mit kontinuierlich eintreffenden Daten (z.B. Aktienkursen), das sich entweder schnell oder autonom an Veränderungen anpassen muss. Auch wenn Ihnen nur begrenzte Rechenkapazitäten zur Verfügung stehen, ist es eine sinnvolle Option: Sobald ein Online-Learning-System die neuen Datenpunkte erlernt hat, werden diese nicht mehr benötigt und können verworfen werden (es sei denn, Sie möchten in der Lage sein, zu einem früheren Zustand zurückzukehren und den Datenstrom erneut »abzuspielen«). Dies kann enorme Mengen an Speicherplatz einsparen.
Abbildung 1-13: Beim Online-Learning wird ein Modell trainiert und in den Produktivbetrieb übernommen, wo es mit neu eintreffenden Daten weiterlernt.
Algorithmen zum Online-Learning lassen sich auch zum Trainieren von Systemen mit riesigen Datensätzen einsetzen, die nicht in den Hauptspeicher eines Rechners passen (dies nennt man auch Out-of-Core-Lernen). Der Algorithmus lädt einen Teil der Daten, führt einen Trainingsschritt auf den Daten aus und wiederholt den Prozess, bis er sämtliche Daten verarbeitet hat (siehe Abbildung 1-14).
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Out-of-Core-Lernen wird für gewöhnlich offline durchgeführt (also nicht auf einem Produktivsystem), daher ist der Begriff Online-Learning etwas irreführend. Stellen Sie sich darunter eher inkrementelles Lernen vor. |
Ein wichtiger Parameter bei Online-Learning-Systemen ist, wie schnell sie sich an sich verändernde Daten anpassen. Man spricht hier von der Lernrate. Wenn Sie die Lernrate hoch ansetzen, wird sich Ihr System schnell auf neue Daten einstellen, aber die alten Daten auch leicht wieder vergessen (Sie möchten sicher nicht, dass ein Spamfilter nur die zuletzt gesehenen Arten von Spam erkennt). Wenn Sie die Lernrate dagegen niedrig ansetzen, entwickelt das System eine höhere Trägheit; das bedeutet, es lernt langsamer, ist aber auch weniger anfällig für Rauschen in den neuen Daten oder für Folgen nicht repräsentativer Datenpunkte (Outlier).
Abbildung 1-14: Verwenden von Online-Learning zum Bewältigen riesiger Datensätze
Eine große Herausforderung beim Online-Learning besteht darin, dass in das System eingespeiste minderwertige Daten zu einer allmählichen Verschlechterung seiner Leistung führen. Wenn es sich dabei um ein Produktivsystem handelt, werden Ihre Kunden dies bemerken. Beispielsweise könnten minderwertige Daten von einem fehlerhaften Sensor an einem Roboter oder auch von jemandem stammen, der sein Ranking in einer Suchmaschine durch massenhafte Anfragen zu verbessern versucht. Um dieses Risiko zu reduzieren, müssen Sie Ihr System aufmerksam beobachten und den Lernprozess beherzt abschalten (und eventuell auf einen früheren Zustand zurücksetzen), sobald Sie einen Leistungsabfall bemerken. Sie können auch die Eingabedaten verfolgen und auf ungewöhnliche Daten reagieren (z.B. über einen Algorithmus zur Erkennung von Anomalien).
Instanzbasiertes versus modellbasiertes Lernen
Eine weitere Möglichkeit, maschinelle Lernverfahren zu kategorisieren, ist die Art, wie diese verallgemeinern. Bei den meisten Aufgaben im Machine Learning geht es um das Treffen von Vorhersagen. Dabei muss ein System in der Lage sein, aus einer Anzahl von Trainingsbeispielen auf nie zuvor gesehene Beispiele zu verallgemeinern. Es ist hilfreich, aber nicht ausreichend, eine gute Leistung auf den Trainingsdaten zu erzielen; das wirkliche Ziel ist, eine gute Leistung auf neuen Datenpunkten zu erreichen.
Es gibt beim Verallgemeinern zwei Ansätze: instanzbasiertes Lernen und modellbasiertes Lernen.
Instanzbasiertes Lernen
Die vermutlich trivialste Art zu lernen, ist das einfache Auswendiglernen. Wenn Sie auf diese Weise einen Spamfilter erstellten, würde dieser einfach alle E-Mails aussortieren, die mit bereits von Nutzern markierten E-Mails identisch sind – nicht die schlechteste Lösung, aber sicher nicht die beste.
Anstatt einfach mit bekannten Spam-E-Mails identische Nachrichten zu markieren, könnte Ihr Spamfilter auch so programmiert sein, dass darüber hinaus bekannten Spam-E-Mails sehr ähnliche Nachrichten markiert werden. Dazu ist ein Ähnlichkeitsmaß zwischen zwei E-Mails nötig. Ein (sehr einfaches) Maß für die Ähnlichkeit zweier E-Mails könnte die Anzahl gemeinsamer Wörter sein. Das System könnte eine E-Mail als Spam markieren, wenn diese viele gemeinsame Wörter mit einer bekannten Spamnachricht aufweist.
Dies nennt man instanzbasiertes Lernen: Das System lernt die Beispiele auswendig und verallgemeinert dann mithilfe eines Ähnlichkeitsmaßes auf neue Fälle, wobei es sie mit den gelernten Beispielen (oder einer Untermenge davon) vergleicht. So würden beispielsweise in Abbildung 1-15 die neuen Instanzen als Dreieck klassifiziert werden, weil die Mehrheit der ähnlichsten Instanzen zu dieser Klasse gehört.
Abbildung 1-15: Instanzbasiertes Lernen
Modellbasiertes Lernen
Eine andere Möglichkeit, von einem Beispieldatensatz zu verallgemeinern, ist, ein Modell aus den Beispielen zu entwickeln und dieses Modell dann für Vorhersagen zu verwenden. Das wird als modellbasiertes Lernen bezeichnet (siehe Abbildung 1-16).