Praxiseinstieg Machine Learning mit Scikit-Learn, Keras und TensorFlow. Aurélien Géron
gilt:
1 Betrachte das Gesamtbild.
2 Beschaffe die Daten.
3 Erkunde und visualisiere die Daten, um daraus Erkenntnisse zu gewinnen.
4 Bereite die Daten für Machine-Learning-Algorithmen vor.
5 Wähle ein Modell aus und trainiere es.
6 Verfeinere das Modell.
7 Präsentiere die Lösung.
8 Nimm das System in Betrieb, beobachte und warte es.
Der Umgang mit realen Daten
Wenn Sie Machine Learning gerade erst erlernen, experimentieren Sie am besten mit realen Daten, nicht mit künstlich generierten Datensätzen. Glücklicherweise stehen Tausende frei verfügbarer Datensätze aus allen möglichen Fachgebieten zur Auswahl. Hier sind einige Quellen, unter denen Sie passende Daten finden können:
Beliebte Archive mit frei verfügbaren Daten:– UC Irvine Machine Learning Repository (http://archive.ics.uci.edu/ml/)– Datensätze von Kaggle (https://www.kaggle.com/datasets)– Datensätze von Amazon AWS (https://registry.opendata.aws/)
Metaseiten (Listen von Datenarchiven):– Data Portals (http://dataportals.org/)– OpenDataMonitor (http://opendatamonitor.eu/)– Quandl (http://quandl.com/)
Andere Seiten, die beliebte offene Datenarchive auflisten:– Die Wikipedia-Seite mit Machine-Learning-Datensätzen (https://homl.info/9)– Quora.com (https://homl.info/10)– subreddit zu Datensätzen (https://www.reddit.com/r/datasets)
Für dieses Kapitel suchen wir uns einen Datensatz zu Immobilienpreisen in Kalifornien aus dem StatLib Repository aus (siehe Abbildung 2-1).2 Dieser Datensatz basiert auf Informationen aus der kalifornischen Volkszählung von 1990. Er ist nicht gerade aktuell (in der San Francisco Bay konnte man sich damals noch ein nettes Häuschen leisten), bietet aber viele Eigenschaften, anhand deren sich gut lernen lässt. Wir werden deshalb so tun, als wären die Daten aktuell. Wir haben aus didaktischen Gründen auch ein zusätzliches Merkmal hinzugefügt und einige Merkmale entfernt.
Abbildung 2-1: Immobilienpreise in Kalifornien
Betrachte das Gesamtbild
Willkommen beim Machine-Learning-Immobilienkonzern! Ihre erste Aufgabe ist, ein Modell der Immobilienpreise in Kalifornien mithilfe der Daten aus der kalifornischen Volkszählung zu erstellen. Diese Daten enthalten für jede Blockgruppe in Kalifornien Metriken wie die Bevölkerung, das mittlere Einkommen, die mittleren Immobilienpreise und so weiter. Blockgruppen sind die kleinste geografische Einheit, für die das US Census Bureau Daten veröffentlicht (eine Blockgruppe hat typischerweise eine Bevölkerung von 600 bis 3.000 Menschen). Wir werden diese einfach »Bezirke« nennen.
Ihr Modell sollte aus diesen Daten lernen und in der Lage sein, den mittleren Immobilienpreis in einem beliebigen Bezirk aus allen übrigen Metriken vorherzusagen.
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Da Sie ein gut organisierter Data Scientist sein möchten, ist Ihr erster Arbeitsschritt, Ihre Checkliste für Machine-Learning-Projekte zu zücken. Sie können mit der Liste in Anhang B beginnen; diese sollte für die meisten Machine-Learning-Projekte annehmbar funktionieren. Sie sollten sie aber an Ihre Bedürfnisse anpassen. In diesem Kapitel werden wir viele Punkte dieser Checkliste abarbeiten, aber auch einige selbsterklärende oder in späteren Kapiteln besprochene überspringen. |
Die Aufgabe abstecken
Die allererste Frage an Ihren Vorgesetzten ist, was denn eigentlich das Geschäftsziel sei; ein Modell zu erstellen, ist vermutlich nicht das eigentliche Ziel. In welcher Weise möchte Ihre Firma das Modell voraussichtlich nutzen und davon profitieren? Von der Antwort hängt ab, wie Sie Ihre Aufgabenstellung formulieren, welche Algorithmen Sie auswählen, welches Qualitätsmaß Sie zum Auswerten des Modells verwenden und wie viel Aufwand Sie in die Optimierung stecken sollten.
Ihr Vorgesetzter antwortet, dass die Ausgabe Ihres Modells (eine Vorhersage des mittleren Immobilienpreises eines Bezirks) zusammen mit anderen Signalen3 in ein anderes Machine-Learning-System eingespeist werden soll (siehe Abbildung 2-2). Dieses nachgeschaltete System soll entscheiden, ob sich Investitionen in einer bestimmten Gegend lohnen oder nicht. Die Richtigkeit dieser Entscheidungen wirkt sich direkt auf die Einnahmen aus.
Abbildung 2-2: Eine Machine-Learning-Pipeline für Immobilieninvestitionen
Pipelines
Eine Abfolge von Komponenten zur Datenverarbeitung nennt man eine Pipeline. Pipelines sind in Machine-Learning-Systemen sehr häufig, weil dabei eine Menge Daten zu bearbeiten und viele Datentransformationen anzuwenden sind.
Diese Komponenten werden üblicherweise asynchron ausgeführt. Jede Komponente liest eine große Datenmenge ein, verarbeitet sie und schiebt die Ergebnisse in einen anderen Datenspeicher. Etwas später liest die nächste Komponente der Pipeline diese Daten ein, produziert ihre eigene Ausgabe und so weiter. Jede Komponente ist einigermaßen eigenständig: Als Schnittstelle zwischen den Komponenten dient der Datenspeicher. Dadurch ist das System recht einfach zu erfassen (mithilfe eines Datenflussdiagramms), und mehrere Teams können sich auf unterschiedliche Komponenten konzentrieren. Wenn außerdem eine Komponente ausfällt, können die nachgeschalteten Komponenten oft normal weiterarbeiten (zumindest für eine Weile), indem sie einfach die letzte Ausgabe der ausgefallenen Komponente verwenden. Dadurch ist diese Architektur recht robust.
Andererseits kann eine ausgefallene Komponente eine ganze Weile unbemerkt bleiben, falls das System nicht angemessen überwacht wird. Die Daten veralten dann, und die Leistung des Gesamtsystems sinkt.
Die nächste Frage, die Sie Ihrem Chef stellen sollten, ist, was für eine Lösung bereits verwendet wird (falls überhaupt). Häufig erhalten Sie dabei einen Referenzwert für die Leistung sowie Hinweise zum Lösen der Aufgabe. Ihr Vorgesetzter antwortet Ihnen, dass die Immobilienpreise der Bezirke im Moment von Experten manuell geschätzt werden: Ein Team sammelt aktuelle Informationen über einen Bezirk, und wenn es den mittleren Immobilienpreis nicht ermitteln kann, werden diese mithilfe komplexer Regeln geschätzt.
Dieses Verfahren ist sowohl kosten- als auch zeitintensiv, und die Schätzungen sind nicht besonders gut; wenn ein Team den mittleren Immobilienpreis