Vishal Bhalla

A review of Language Understanding tools – IBM Conversation

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In the first part of this series, we saw how top firms with their different assistants are vying to acquire a space in the dialogue market. In this second and final part of this blog-series on Conversational AI, I go more technical to discuss the fundamentals of the underlying concept behind building a Dialogue system i.e. the cornerstone of any Language Understanding tool. Moreover, I explain this by reviewing one such Language Understanding tool as an example that is available in the IBM Bluemix suite, called as IBM Conversation.

IBM Conversation within Bluemix

IBM Conversation was built on the lines of IBM Watson from the IBM Bluemix suite. It is now the for dialogue construction after IBM Dialog was deprecated.We start off by searching and then creating a dedicated environment in the console.

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Setting up IBM Conversation from the Bluemix Catalog/Console

Basics

Conversation component in IBM Bluemix  is based on the Intent, Entity and Dialogue architecture. And the same is the case with Microsoft LUIS (LUIS stands for Language Understanding Intelligent Service). One of the key components involves doing what is termed as Natural Language Understanding or NLU for short. It extracts words from a textual sentence to understand the grammar dependencies to construct high level semantic information that identifies the underlying intent and entity in the given utterance. It returns a confidence measure i.e. the top-most extracted intent out of the many pre-specified intents that gives us the most likely intent from the given utterance as per our trained model.

These are all statistically/machine learned based on the training data. Go over the demo, tutorial and documentation to get a more in-depth view of things at IBM Conversation.

The intent, entity and dialogue based architecture forms the crux of any SLU system to extract semantic information from speech and enables such a system to be generic across the various Language Understanding toolkits.

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The Alexa Interaction model based on intent and slots in ASK

Another huge advantage that ASK provides for building such an architecture, is that it has multi-lingual support.

Conceptual Mapping

Intents can be thought of as classes where one classifies the input examples into one of them. For example,

Call Mark is mapped to the MOBILE class and Navigate to Munich is mapped to the ROUTE class

The entities are labels, so e.g. from above, you can have

Mark as a PERSON and Munich as a CITY.

Major advantage and drawback

Both Conversation and LUIS use a non-Machine Learning based approach for software developers or business users to create a fast prototype. It is definitely easy to begin with and gives a lot of options to create drag and drop based dialogue system. However, it can’t scale up to large data. A hybrid approach that can combine or build a dynamic system on top of this static approach is needed for scalable industry solutions.

Extensions

Moreover, an end to end workflow can be built by plugging in components from Node-RED and introduction to the same can be viewed in the below video.

What’s good is that they have a component for Conversation as well. So, we can build a complete chatbot starting from a speech to text component to get the human commands translated to text, followed by a conversation component to build up the dialog and lastly by a text to speech component to translate this textual dialogue back to speech to be spoken by a humanoid or a mobile device!

Missing components and possible future work

It is not possible to add entities/intent dynamically through the UI after the initial workspace is constructed. The advanced response tab doesn’t allow to edit (add) the entities in the response field, like for example adding variables to the context. We can edit it (highlighted in orange) but it doesn’t save or get reflected.

{
“output”: {
“text”: “I understand you want me to turn on something. You can say turn on the wipers or switch on the lights.”
},
“context”: {
“toppings”: “<? context.toppings.append( ‘onions’ ) ?>”
},
“entities”: {
   “appliance”: “<? entities.appliance.append( ‘mobile’ ) ?>”
}
}

Moreover, the link which only mentions accessing intents and entities but not modifying them.

watson-developer-cloud-screenshot watson-developer-cloud-screenshot2

The only place to add the intent, entities is back in the work space and not programmatically at run time. Perhaps, a possible solution can be to use UI with DB data to save the intermediate and newly discovered intent/entity values and then update the workspace later.

As I end this blog, perhaps there would be another AI assistant released that has moved beyond its embryonic stage to conquer real life application scenarios. Conversational AI is hot property, so dive in to reap its benefits, both from an end user and developer’s perspective!

Note: Hope you enjoyed the read. I have deliberately kept the content a mix of non technical and technical to build the excitement and buzz going around this exciting field of conversational AI! Publishing this blog was on my list as I was compiling lot of facts since last few weeks but I had to hurry even more, given the recent news surrounding this upsurge. As always, any feedback as a comment below or through a message are more than welcome!

Benjamin Aunkofer

Interview – Data Science im Online Marketing

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Interview mit Thomas Otzasek, Head of Data Science bei der Smarter Ecommerce GmbH

Thomas Otzasek ist Head of Data Science bei der Smarter Ecommerce GmbH in Linz, ein Unternehmen für die Automatisierung des professionellen Suchmaschinen Marketings. Herr Otzasek leitet das Data Science Team zur Automatisierung von operativen Prozessen im Suchmaschinen Marketing mit Machine Learning. Weitere interessante Blogposts von Thomas Otzasek zum Thema Suchmaschinen Marketing und Data Science finden Sie im Whoop! Blog.

Data Science Blog: Herr Otzasek, welcher Weg hat Sie zum Data Science für das Suchmaschinen Marketing geführt?

Ich war schon immer an Zahlen interessiert und begann daher im Jahr 2002 ein Masterstudium der Statistik an der Johannes Kepler Universität in Linz. Im Jahr 2006 wurde an dieser Uni dann erstmalig der Studiengang Bioinformatik mit Schwerpunkt Machine Learning angeboten, der mich ebenfalls angesprochen hat. Im Jahr 2009 habe ich beide Masterstudien erfolgreich abgeschlossen.

Nachdem ich in diversen Branchen u.a. als Business Analyst oder Software-Entwickler gearbeitet habe, überzeugte mich im Jahr 2015 die Firma Smarter Ecommerce mit einer innovativen Produktidee, für die ich den fehlenden Data Science Puzzleteil ideal ausfüllen konnte. Seitdem sind wir auf Wachstumskurs und konnten unsere Mitarbeiterzahl innerhalb von 15 Monaten auf derzeit 85 Mitarbeiter mehr als verdoppeln.

Data Science Blog: Welche Bedeutung hat Big Data und Data Science für Ihre Branche?

Im Suchmaschinen Marketing gibt es sehr viel manuelle Arbeit. Mit dem Einsatz von Data Science können wir diese manuelle Arbeit unterstützen oder automatisieren. Ist das Produktsortiment entsprechend groß, können wir die Platzierung in Online-Anzeigen soweit optimieren, wie es selbst dem besten Mitarbeiter ohne entsprechende Tools niemals möglich wäre.

Wir übernehmen das Aussteuern von Google Shopping, für welche Produkte wo genau Anzeigen zu welchen Konditionen geschaltet werden. Wir haben dafür Machine Learning Modelle entwickelt, die diese Anzeigenschaltung optimieren. Der dafür von meinem Data Science Team entwickelte Prototyp ist seit über einem Jahr produktiv im Einsatz.

Data Science Blog: Was optimieren diese Algorithmen des maschinellen Lernens?

Der vollautomatisierte Ansatz kommt bei unserem Produkt Whoop! für Google Shopping zum Einsatz. Google Shopping ist ein Teil von Google AdWords. Wir verwenden den Produkt-Datenfeed des Kunden, die Performance-Historie von Google AdWords, unsere jahrelange Google Shopping Erfahrung sowie die Ziele des Kunden bezüglich der Anzeigen um z. B. die Kosten-Umsatz-Relation oder die Kosten pro Akquisition zu optimieren.

Die Herausforderung ist, das richtige Gebot für das jeweilige Produkt zu wählen. Wenn Sie eine ganze Reihe von verschiedenen oder auch ähnlichen Produkten haben (z. B. verschiedene Farben oder Größen), müssen wir diese Gebote so tunen, dass die Reichweite und Zielgruppe ideal ist, ohne dass die Kosten explodieren.

Wird ein Produkt zu hoch geboten, sind nicht nur die Kosten für das bewerbende Unternehmen zu hoch, auch die Platzierung ist dann meistens nicht optimal. Google, unser Anzeigenpartner, verallgemeinert die Suchanfragen im hochpreisigen Segment tendenziell zu sehr, darunter leidet dann die Relevanz. Wird für die Anzeige zu niedrig geboten, wird sie hingegen gar nicht erst angezeigt. Neben der Conversion Rate spielt für unsere Kunden hauptsächlich die Kosten-Umsatz-Relation eine Rolle. Ein Mitarbeiter im Online Marketing könnte diese Optimierung für mehr als eine Hand voll Produkte nicht vornehmen. Denken Sie z. B. an die Mode-Branche, die ein sich schnell umschlagendes Produktsortiment mit vielen Produkten hat.

Data Science Blog: Welche datenwissenschaftlichen Herausforderungen spielen dabei eine Rolle?

Die Produktdaten sind sehr umfangreich, der Anzeigenmarkt und die Produkttrends extrem dynamisch. Außerdem gibt es für viele Produkte nur wenige Klicks, so dass wir ausgeklügelte Algorithmen brauchen, um trotzdem statistisch valide Aussagen treffen zu können.

Für die manuelle Aussteuerung ist die Produktanzahl meist zu groß um produktgenaue Gebote abgeben zu können. Bei einem großen und/oder schnell umschlagenden Produktsortiment haben wir es mit komplexen Strukturen zu tun, die wir in diesen Modellen berücksichtigen müssen, um stets die optimalen Gebote zu setzen.

Das Modell muss dabei jederzeit berücksichtigen, welche Produkte bzw. Anzeigen performen bzw. nicht performen, um jene entsprechend hoch- oder runter zu regeln. Eine einfache Regressionsanalyse reicht da nicht aus. Auch Änderungen des Kunden in den Einstellungen sowie externe Faktoren wie z. B. das Wetter müssen sofort berücksichtigt werden.

Data Science Blog: Welche Methoden des Data Science sind aktuell im Trend und spielen demnächst eine Rolle?

Aus meiner Sicht ist Deep Learning mit neuronalen Netzen der Trend. Vermutlich werden sie sich weiter durchsetzen, denn sie können noch komplexere Aufgaben bewältigen. Aktuell gibt es allerdings teilweise noch Akzeptanzprobleme, da neuronale Netze mit vielen versteckten Schichten eine Blackbox darstellen. Die Ergebnisse sind also im Gegensatz zu weniger komplexen Methoden nicht nachvollziehbar.

Data Science Blog: Auf welche Tools setzen Sie bei Ihrer Arbeit? Bevorzugen Sie Open Source oder proprietäre Lösungen?

Ich habe viel mit proprietären Lösungen gearbeitet, beispielsweise mit SAS oder IBM SPSS. Wir setzen derzeit allerdings auf Open Source, vor allem auf die Programmiersprache R. Neue Mitarbeiter im Data Science Bereich sollten daher zumindest über Grundkenntnisse in R verfügen und die Lust haben, sich tiefer mit dieser Programmiersprache zu befassen.

Wir verwenden unter anderem die Pakete ggplot und Shiny. Mit Shiny erstellen wir interne Web-Applikationen, um Kollegen Analysen zur Verfügung zu stellen. Für Eigenentwicklungen komplexer Visualisierungen ist ggplot perfekt geeignet.

Mit R können wir außerdem selbst eigene Packages erstellen um den Funktionsumfang nach unseren Wünschen zu erweitern. Wir haben daher keinen Grund, auf kostenintensive Lösungen zu setzen.

Data Science Blog: Was macht Ihrer Erfahrung nach einen guten Data Scientist aus?

Aus meiner Sicht sollte man ein Zahlenfreak sein und niemals aufhören Fragen zu stellen, denn darum geht es im Data Science. Gute Data Scientists sind meiner Meinung nach interdisziplinär ausgebildet, kommen also nicht nur aus einer Ecke, sondern besser aus zwei oder drei Fachbereichen. Man benötigt verschiedene Sichtweisen.

Aus welchem Fachbereich man ursprünglich kommt, ist dabei gar nicht so wichtig. Es muss also nicht unbedingt ein Mathematiker oder Statistiker sein.

Data Science Blog: Gibt es eigentlich aus Ihrer Erfahrung heraus einen Unterschied zwischen Mathematikern und Statistikern?

Ja. Mathematiker denken meiner Meinung nach sehr exakt und beweisorientiert. Statistik ist zwar ein Teilbereich der Mathematik, aber für einen Statistiker steht das Schätzen im Vordergrund. Statistiker denken in Verteilungen, Wahrscheinlichkeiten und Intervallen und können gut mit einer gewissen Unsicherheit leben, die reine Mathematiker manchmal unbefriedigt lässt.

Data Science Blog: Für alle diejenigen, die gerade ihr Studium der Statistik, Ingenieurwissenschaft oder was auch immer abschließen. Welchen Rat haben Sie, wie diese Menschen einen Schritt näher ans Data Science herankommen?

Ich würde empfehlen, einfach ein eigenes kleines Projekt zu starten – „Learning by doing“! Ob das Projekt um die eigenen Stromverbrauchsdaten, eine Wettervorhersage oder Fantasy-Football geht ist nicht wichtig. Man stößt dann zwangsläufig auf die verschiedenen Arbeitsschritte und Herausforderungen. Ein empfehlenswerter Workflow ist der Cross Industry Standard Process for Data Mining, kurz CRISP-DM.

Zuerst muss man ein Geschäftsverständnis aufbauen. Weiter geht es mit der Datensammlung und Datenintegration, danach folgt die Datenaufbereitung. Diese Schritte benötigen bereits ca. 80% der Projektzeit. Erst dann können explorative Analysen, Hypothesentests oder Modellierung aufgesetzt werden. Am Ende des Prozesses erfolgt das Deployment.

 

Vishal Bhalla

A “Dialogue” on the recent advances in Conversational Artificial Intelligence (AI)

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How important is it to interact, converse and emote in a world that is getting closed and parochial? Conversational Artificial Intelligence (AI) offers a leeway to build agents that have the capability to learn and respond like humans and thereby align in bringing the long term goal of General AI to fruition.

Conversation with artificial assistants, be it Microsoft’s Cortana, Apple’s Siri, Google Now or Amazon’s Alexa is gaining prominence in the last few years. So lay back, relax and enjoy the simple conversational interface at offer, as I take you through a short tour!

In this 2 part blog-series, I cover the latest developments in the field of Dialogue and conversational Artificial Intelligence (AI). I give a brief overview of the current developments from this field, the many Language Understanding tools in the market and in particular, review one of them – IBM Conversation.

It’s a rat race – So act and don’t over think!

After the horrors of Tay tweets -Microsoft’s conversational AI tweet bot that was eventually rolled back due to its racist and sexist tweets early this year, AI enthusiasts have had some good news over the last few months.

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Microsoft hurried the launch of Tay tweets, its conversational AI bot only to shun it completely.

The Amazon Echo, Google’s Home and the smart home hub Apple has been preparing are good examples of how big companies are fighting tooth and nail to secure a place on your smart space. Here’s what Francis Chollet, researcher at Google and author of the popular framework – Keras has to say,

Whatever idea you started working on last week, a few other teams have probably been working on it for a month and are about to publish.
— François Chollet (@fchollet) October 5, 2016

Alexa Prize Competition

Just 4 weeks back, Amazon announced the Alexa Prize, an annual competition for university students dedicated to accelerating the field of conversational AI. This inaugural competition focuses on creating a social bot, using the Alexa Skills Kit (ASK) to converse coherently and engaging with humans on popular topics and news events. This gives student developer teams to explore a plethora of advanced topics in the realm of AI that include knowledge acquisition, natural language understanding, natural language generation, context modeling, commonsense reasoning and dialog planning. With a huge cash prize at stake, goodies at offer and support from the ASK team it would be worth an experience to build a socially coherent bot!  The last date of team submissions is October 28, 2016 and more details about the application process can be found here.

Say Allo!

Google Allo, a smart messaging app that has personalized recommendations with the Google Assistant to express yourself better with stickers, doodles, and HUGE emojis & text. Allo also allows you to get help from your Google Assistant without leaving the conversation. A one to one conversation can be initiated with your Assistant which gets better as you use it more by addressing it with the @google tag. More functional details on the blog Say hello to Google Allo: a smarter messaging app

IBM Pepper developer Conference

The IBM BusinessConnect 2016 on 4th October 2016 in Stockholm, Sweden showcased some of IBM Watson powered tools, and applications in humanoid robot of Pepper.

Yesterdays #IBMBCSE at Stockholm Waterfront was fantastic thanks to all IBMers, partners and customers, and thanks to #Pepper of course! pic.twitter.com/quZuaptu8Z
— IBM ClientCtr Nordic (@IBMCCNordic) October 5, 2016

IBM’s Pepper is powered by SoftBank robot and uses IBM Watson technology at its core.

Banzai! (Live long) – Watch this first home robot commercial as the unforeseen future is coming!

The Watson Developer Conference is packed with technical talks, hands-on labs, and coding challenges to get you working with the tools that will make you a sought after developer and is going to be held in San Francisco from 9th to 10th November this year.

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The IBM Global Industry Solution is located in Nice, France.

Joie de vivre – Samsung buys Viv

And after Google’s Allo and IBM’s pepper it was Samsung to jump into the Dialogue based conversational AI bandwagon as it acquired Viv, creators of Apple’s Siri. Viv is a more powerful version to Siri that brings in ubiquity. With its self-generating software that is capable of writing its own code to accomplish new tasks and by dynamic program generation, Viv handles new user tasks and build plans on the fly!

In its demo video on “Beyond Siri: The World Premiere of Viv with Dag Kittlaus” (as in the embedded link/video below) earlier this year, Viv was eventually be partnered or sold to a mobile device.

With everyone wanting to invest heavily, the question was who and when! Hence, this announcement from Samsung doesn’t come as a big surprise.

Viv will ultimately provide services to Samsung and its platforms but remain an independent entity. Samsung hopes to disrupt the mobile market share with this acquisition. It can extend it to other home devices, after all it had purchased SmartThings for around $200M back in 2014. More details on the acquisition here: Samsung acquires Viv, a next-gen AI assistant built by the creators of Apple’s Siri

Don’t take it slow because there is Ozlo !

Ozlo launched few days back on iOS and the web is another of the many sprouting AI assistants which uses good memory of one’s previous interactions. Ozlo, at least by its name attempts to be different than all assistants of its competitors in the market at present that use repetitive female names. The best thing is that it is integrated with a plethora of services like Yelp, TripAdvisor,IMDB, among many others and use  Further Food, Authority Nutrition, Cookies, etc. to provide nutritional guidance. This is a huge boost than all of its rival companies which tend to prioritize their own services rather than integrating with existing services. An in-depth review can be found here: Ozlo AI assistant is the new underdog filling the void left by Viv

And there were rumors that Apple is going to buy McLaren, which set the eyeballs rolling as a big tech giant was entering a completely new domain of automobile industry and would lead others like Google, Microsoft and IBM to follow suit and invest heavily!

Conference workshops also wanting a dialogue!

There are in total 50 workshops at NIPS 2016 this year covering a range of different Machine Learning topics.

  1. The Dialog workshop, scheduled on the 10th of December focuses on building agents capable of mutually coordinating with humans via communication. And given the tremendous economic potential of the ability to converse intimately transcends to the overall goal of AI.
    For the call for papers, the deadline is extended to the midnight of October 23, 2016 and more details about the workshop schedule can be found at the chair website LET’S DISCUSS: LEARNING METHODS FOR DIALOGUE NIPS 2016 WORKSHOP The papers are on the below three high-level areas

    • Being data-driven especially the offline/online evaluation
    • Build complete applications or end-to-end systems
    • Model innovation to incorporate linguistic knowledge into the architecture
  1. Another workshop on Interactive machine learning (IML) is to be held on the 9th of December. It focuses on the adaptable collaboration of how autonomous agents solve a task by making use of interactions with humans. Designing and engineering fully autonomous agents is a difficult and there is a compelling need for IML algorithms that enable artificial and human agents to collaborate and solve independent or shared goals.
    The call for papers explores new ideas in interactive learning, reports on research in progress as well as discussions of open problems and challenges facing interactive machine learning with particular interest in the research on the practical application of interactive learning systems (for robotics, virtual agents, dialog systems, among others), and the ability of these systems to handle the complexity of real world problems. More details about the application process, requirements, application deadline, etc. is at the workshop portal Future of Interactive Learning Machines Workshop (FILM at NIPS 2016)

In the next part of this series on Conversational AI, I would cover the basics behind Language Understanding tools in the market that enable to build a Dialogue system.

Read the second Part here: A review of Language Understanding tools – IBM Conversation

Vishal Bhalla

Statistical Relational Learning

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An Introduction to Statistical Relational Learning – Part 1

Statistical Relational Learning (SRL) is an emerging field and one that is taking centre stage in the Data Science age. Big Data has been one of the primary reasons for the continued prominence of this relational learning approach given, the voluminous amount of data available now to learn interesting and unknown patterns from data. Moreover, the tools have also improved their processing prowess especially, in terms of scalability.

This introductory blog is a prelude on SRL and later on I would also touch base on more advanced topics, specifically Markov Logic Networks (MLN). To start off, let’s look at how SRL fits into one of the 5 different Machine Learning paradigms.

Five Machine Learning Paradigms

Lets look at the 5 Machine Learning Paradigms: Each of which is inspired by ideas from a different field!

  1. Connectionists as they are called and led by Geoffrey Hinton (University of Toronto & Google and one of the major names in the Deep Learning community) think that a learning algorithm should mimic the brain! After all it is the brain that does all the complex actions for us and, this idea stems from Neuroscience.
  2. Another group of Evolutionists whose leader is the late John Holland (from the University of Michigan) believed it is not the brain but evolution that was precedent and hence the master algorithm to build anything. And using this approach of having the fittest ones program the future they are currently building 3D prints of future robots.
  3. Another thought stems from Philosophy where Analogists like Douglas R. Hofstadter an American writer and author of popular and award winning book – Gödel, Escher, Bach: an Eternal Golden Braid believe that Analogy is the core of Cognition.
  4. Symbolists like Stephen Muggleton (Imperial College London) think Psychology is the base and by developing Rules in deductive reasoning they built Adam – a robot scientist at the University of Manchester!
  5. Lastly we have a school of thought which has its foundations rested on Statistics & Logic, which is the focal point of interest in this blog. This emerging field has started to gain prominence with the invention of Bayesian networks 2011 by Judea Pearl (University of California Los Angeles – UCLA) who was awarded with the Turing award (the highest award in Computer Science). Bayesians as they are called, are the most fanatical of the lot as they think everything can be represented by the Bayes theorem using hypothesis which can be updated based on new evidence.

SRL fits into the last paradigm of Statistics and Logic. As such it offers another alternative to the now booming Deep Learning approach inspired from Neuroscience.

Background

In many real world scenario and use cases, often the underlying data is assumed to be independent and identically distributed (i.i.d.). However, real world data is not and instead consists of many relationships. SRL as such attempts to represent, model, and learn in the relational domain!

There are 4 main Models in SRL

  1. Probabilistic Relational Models (PRM)
  2. Markov Logic Networks (MLN)
  3. Relational Dependency Networks (RDN)
  4. Bayesian Logic Programs (BLP)

It is difficult to cover all major models and hence the focus of this blog is only on the emerging field of Markov Logic Networks.
MLN is a powerful framework that combines statistics (i.e. it uses Markov Random Fields) and logical reasoning (first order logic).

 

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Academia

Some of the prominent names in academic and the research community in MLN include:

  1. Professor Pedro Domingos from the University of Washington is credited with introducing MLN in his paper from 2006. His group created the tool called Alchemy which was one of the first, First Order Logic tools.
  2. Another famous name – Professor Luc De Raedt from the AI group at University of Leuven in Belgium, and their team created the tool ProbLog which also has a Python Wrapper.
  3. HAZY Project (Stanford University) led by Prof. Christopher Ré from the InfoLab is doing active research in this field and Tuffy, Felix, Elementary, Deep Dive are some of the tools developed by them. More on it later!
  4. Talking about academia close by i.e. in Germany, Prof. Michael Beetz and his entire team moved from TUM to TU Bremen. Their group invented the tool – ProbCog
  5. At present, Prof. Volker Tresp from Ludwig Maximilians University (LMU), Munich & Dr. Matthias Nickles at Technical University of Munich (TUM) have research interests in SRL.

Theory & Formulation

A look at some background and theoretical concepts to understand MLN better.

A. Basics – Probabilistic Graphical Models (PGM)

The definition of a PGM goes as such:

A PGM encodes a joint p(x,y) or conditional p(y|x) probability distribution such that given some observations we are provided with a full probability distribution over all feasible solutions.

A PGM helps to encode relationships between a set of random variables. And it achieves this by making use of a graph! These graphs can be either be Directed or Undirected Graphs.

B. Markov Blanket

A Markov Blanket is a Directed Acyclic graph. It is a Bayesian network and as you can see the central node A highlighted in red is dependent on its parents and parents of descendents (moralization) by the circle drawn around it. Thus these nodes are the only knowledge needed to predict node A.

C. Markov Random Fields (MRF)

A MRF is an Undirected graphical model. Every node in an MRF satisfies the Local Markov property of Conditional Independence, i.e. a node is conditionally independent of another node, given its neighbours. And now relating it to Markov Blanket as explained previously, a Markov blanket for a node is simply its adjacent nodes!

Intuition

We now that Probability handles uncertainty whereas Logic handles complexity. So why not make use of both of them to model relationships in data that is both uncertain and complex. Markov Logic Networks (MLN) precisely does that for us!

MLN is composed of a set of pairs of  <w, F> where F is the formula (written in FO logic) and weights (real numbers identifying the strength of the constraint).

MLN basically provides a template to ground a Markov network. Grounding would be explained in detail in the next but one section on “Weight Learning”.

It can be defined as a Log linear model where probability of a world is given by the weighted sum of all true groundings of a formula i under an exponential function. It is then divided by Z which is termed as the partition function and used to normalize and get probability values between 0 and 1.

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The MLN Template

Rules or Predicates

The relation to be learned is expressed in FO logic. Some of the different possible FO logical connectives and quantifiers are And (^), Or (V), Implication (→), and many more. Plus, Formulas may contain one or more predicates, connected to each other with logical connectives and quantified symbols.

Evidence

Evidence represent known facts i.e. the ground predicates. Each fact is expressed with predicates that contain only constants from their corresponding domains.

Weight Learning

Discover the importance of relations based on grounded evidence.

Inference

Query relations, given partial evidence to infer a probabilistic estimate of the world.

More on Weight Learning and Inference in the next part of this series!

Hope you enjoyed the read. I have deliberately kept the content basic and a mix of non technical and technical so as to highlight first the key players and some background concepts and generate the reader’s interest in this topic, the technicalities of which can easily be read in the paper. Any feedback as a comment below or through a message are more than welcome!

Continue reading with Statistical Relational Learning – Part II.

References

Maximilian Oedinger

Neuronale Netzwerke zur Spam-Erkennung

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Die Funktionsweise der in immer mehr Anwendungen genutzten neuronalen Netzwerke stieß bei weniger technik-affinen Menschen bislang nur auf wenig Interesse. Geschuldet wird das sicher vor allem der eher trockenen Theorie, die hinter diesen Konstrukten steht und die sich für die meisten nicht auf Anhieb erschließt. Ein populäres Beispiel für die Fähigkeiten, die ein solches neuronales Netzwerk bereits heute hat, lieferte in jüngster Zeit Googles “Inception”, welches ohne den Anspruch auf einen praktischen Nutzen eigenständig eine spektakuläre Bilderwelt kreierte, die auch Menschen ohne großes Interesse an den dahinter steckenden Technologien ins Staunen versetzte. Ansonsten bieten sich die neuronalen Netze vor allem überall dort an, wo wenig systematisches Wissen zur Verfügung steht, wie etwa bei der Bilderkennung und der Text- bzw. Sprachanalyse.

Weniger effektheischend, als die Ergebnisse von “Inception”, dafür jedoch überaus hilfreich für den vernetzten Alltag, sind neuronale Netzwerke, die zum Aufspüren und zur Kategorisierung von Spam-Seiten entwickelt werden. In diesem Anwendungsbereich können diese ein wertvolles Werkzeug sein.

Wie bei allen selbstlernenden Netzwerken muss dafür zunächst ein Grundgerüst aufgebaut werden, welches später von Hand mit Informationen gefüttert wird, bis es schließlich in der Lage ist, sich selbstständig weiter zu entwickeln, hinzuzulernen und auf diese Weise immer genauere Ergebnisse liefert.

Die Auswahl der Kriterien

Unerwünschte Webseiten mit störenden und oft illegalen Inhalten findet man im Internet zu Hauf und meist locken sie mit dubiosen Angeboten für vermeintliche Wundermittel oder gaukeln leichtgläubigen Nutzern vor, man könne ohne großes Zutun viel Geld verdienen – meist ohne ein tatsächliches Produkt oder eine Dienstleistung dahinter. Ein entsprechend programmiertes neuronales Netzwerk spürt diese Seiten anhand von bestimmten Faktoren automatisch auf. Als Trainingsdaten werden dafür zunächst von Hand Kriterien wie die Registrierungs-IP, der Nutzername und die verwendete Sprachversion eingegeben. Da das Netzwerk nur mit den Zahlen 0 und 1 arbeiten kann, müssen diese Datensätze zuvor manuell aufbereitet werden. Indem alle gewünschten Registrierungs-IPs erst auf den jeweiligen Internetdienstanbieter abgebildet werden und der Grad ihrer jeweiligen Spammigkeit von Hand bestimmt wird, lässt sich der jeweilige Durchschnitt der “Spammigkeit” eines Internetdienstanbieters berechnen. Teilt man die Anzahl der Spammer durch die Gesamtnutzerzahl eines einzelnen Anbieters, erhält man bereits ein Ergebnis, das sich zur Eingabe in das neuronale Netzwerk eignet. Ähnlich kann z. B. bei der Kombination aus Geolocation und Sprachversion verfahren werden. Mit einer Vielzahl weiterer Faktoren kann die Effizienz des neuronalen Netzwerks verbessert werden. So lassen sich etwa große Unterschiede bei dem Herkunftsland feststellen, in dem die Spam-Seiten angesiedelt sind. Ein besonders großes Erkennungspotential bieten bestimmte Keywords und Keyword-Kombinationen, die mitunter eindeutige Rückschlüsse auf ein Spam-Angebot ziehen lassen. Befindet sich z. B. die Wortkombination “Geld verdienen” besonders häufig auf einer Seite, ist dies ein recht deutliches Kriterium für die Klassifizierung als Spam. Doch auch weniger offensichtliche Faktoren helfen dem neuronalen Netzwerk dabei, hellhörig zu werden: Ein ungewöhnliches Verhältnis zwischen Vokalen und Konsonanten oder auch Seitennamen, die vermehrt Zahlen und unübliche Zeichen beinhalten, können die Spam-Wahrscheinlichkeit steigern. Kommt die verwendete IP-Adresse aus einem anonymisierten Netzwerk oder VPN, schürt dies ebenfalls den Verdacht auf unseriöse Inhalte.

Erstellung einer Korrelationsmatrix

Da jedes der einbezogenen Kriterien zur Bestimmung der Spammigkeit einer Seite eine unterschiedlich hohe Relevanz hat, müssen die einzelnen Faktoren verschieden stark gewichtet werden. Damit das neuronale Netzwerk genau das tun kann, wird deshalb eine Korrelationsmatrix erstellt. In dieser Matrix werden alle gesammelten Kriterien in Verbindung zueinander gesetzt, um es dem Netzwerk zu ermöglichen, nicht jeden Punkt nur einzeln zu werten. So ist ein Keyword wie z. B. “100 mg” an sich vergleichsweise unverdächtig. Stammt die Seite, auf der das Wort vorkommt jedoch aus einer Gegend, in der erfahrungsgemäß viele unseriöse Arzneimittelanbieter angesiedelt sind, kann dies die Spam-Wahrscheinlichkeit erhöhen.

Libraries für die Implementierung

Ein wertvolles Tool, das sich für die Implementierung des jeweiligen neuronalen Netzwerks eignet, ist die Open Source Machine Learning Library “Tensor Flow” von Google. Diese Programmierschnittstelle der zweiten Generation verfügt über einige handfeste Vorteile gegenüber anderen Libraries und ermöglicht die Parallelisierung der Arbeit. Berechnet wird sie auf der schnellen GPU des Rechners, was in direkten Vergleichen die Rechenzeit um ein Vielfaches senken konnte. Bewährt hat sich “Tensor Flow” bereits in zahlreichen kommerziellen Diensten von Google, darunter Spracherkennungssoftware, Google Photos, und Gmail.

Für eine bessere Abstraktion des Netzwerks, können zusätzlich zu der hinteren mehrere weitere Schichten angelegt werden. Die hintere Schicht bleibt dabei oft die einzige, die von außerhalb sichtbar ist.

Die Optimierung des neuronalen Netzwerks

Es liegt in der Natur der Sache, dass ein eigenständig lernfähiges Netzwerk nicht von Anfang an durch höchste Zuverlässigkeit hinsichtlich seiner Trefferquote besticht. Zum Lernen gehört Erfahrung und die muss das Netz erst noch sammeln. Zwar gelingt es auch einem noch frisch programmierten Netzwerk bereits die Erfüllung seiner Aufgabe oft recht gut, die Fehlerquote kann jedoch im Laufe der Zeit immer weiter verbessert werden. Gerade am Anfang werden noch viele Spam-Seiten nicht erkannt und einige vermeintliche Spammer stellen sich bei der Überprüfung durch den Menschen als unbedenklich heraus. Darum ist es für die Steigerung der Effizienz praktisch unerlässlich, immer wieder von Hand einzugreifen, falsche Ergebnisse zu korrigieren und dem Netzwerk auf diese Weise zu helfen.

Benjamin Aunkofer

Machine Learning mit Python – Minimalbeispiel

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Maschinelles Lernen (Machine Learning) ist eine Gebiet der Künstlichen Intelligenz (KI, bzw. AI von Artificial Intelligence) und der größte Innovations- und Technologietreiber dieser Jahre. In allen Trendthemen – wie etwa Industrie 4.0 oder das vernetzte und selbstfahrende Auto – spielt die KI eine übergeordnete Rolle. Beispielsweise werden in Unternehmen viele Prozesse automatisiert und auch Entscheidungen auf operativer Ebene von einer KI getroffen, zum Beispiel in der Disposition (automatisierte Warenbestellungen) oder beim Festsetzen von Verkaufspreisen.

Aufsehen erregte Google mit seiner KI namens AlphaGo, einem Algortihmus, der den Weltmeister im Go-Spiel in vier von fünf Spielen besiegt hatte. Das Spiel Go entstand vor mehr als 2.500 Jahren in China und ist auch heute noch in China und anderen asiatischen Ländern ein alltägliches Gesellschaftsspiel. Es wird teilweise mit dem westlichen Schach verglichen, ist jedoch einfacher und komplexer zugleich (warum? das wird im Google Blog erläutert). Machine Learning kann mit einer Vielzahl von Methoden umgesetzt werden, werden diese Methoden sinnvoll miteinander kombiniert, können durchaus äußerst komplexe KIs erreicht werden.  Der aktuell noch gängigste Anwendungsfall für Machine Learning ist im eCommerce zu finden und den meisten Menschen als die Produktvorschläge von Amazon.com bekannt: Empfehlungsdienste (Recommender System).

Klassifikation via K-Nearest Neighbour Algorithmus

Ein häufiger Zweck des maschinellen Lernens ist, technisch gesehen, die Klassifikation von Daten in Abhängigkeit von anderen Daten. Es gibt mehrere ML-Algorithmen, die eine Klassifikation ermöglichen, die wohl bekannteste Methode ist der k-Nearest-Neighbor-Algorithmus (Deutsch:„k-nächste-Nachbarn”), häufig mit “kNN” abgekürzt. Das von mir interviewte FinTech StartUp Number26 nutzt diese Methodik beispielsweise zur Klassifizierung von Finanztransaktionen.

Um den Algorithmus Schritt für Schritt aufbauen zu können, müssen wir uns

Natürlich gibt es in Python, R und anderen Programmiersprachen bereits fertige Bibliotheken, die kNN bereits anbieten, denen quasi nur Matrizen übergeben werden müssen. Am bekanntesten ist wohl die scikit-learn Bibliothek für Python, die mehrere Nächste-Nachbarn-Modelle umfasst. Mit diesem Minimalbeispiel wollen wir den grundlegenden Algorithmus von Grund auf erlernen. Wir wollen also nicht nur machen, sondern auch verstehen.

Vorab: Verwendete Bibliotheken

Um den nachstehenden Python-Code (Python 3.x, sollte allerdings auch mit Python 2.7 problemlos funktionieren) ausführen zu können, müssen folgende Bibliotheken  eingebunden werden:

Übrigens: Eine Auflistung der wohl wichtigsten Pyhton-Bibliotheken für Datenanalyse und Datenvisualisierung schrieb ich bereits hier.

Schritt 1 – Daten betrachten und Merkmale erkennen

Der erste Schritt ist tatsächlich der aller wichtigste, denn erst wenn der Data Scientist verstanden hat, mit welchen Daten er es zu tun hat, kann er die richtigen Entscheidungen treffen, wie ein Algorithmus richtig abgestimmt werden kann und ob er für diese Daten überhaupt der richtige ist.

In der Realität haben wir es oft mit vielen verteilten Daten zu tun, in diesem Minimalbeispiel haben wir es deutlich einfacher: Der Beispiel-Datensatz enthält Informationen über Immobilien über vier Spalten.

  • Quadratmeter: Größe der nutzbaren Fläche der Immobilie in der Einheit m²
  • Wandhoehe: Höhe zwischen Fußboden und Decke innerhalb der Immobilie in der Einheit m
  • IA_Ratio: Verhältnis zwischen Innen- und Außenflächen (z. B. Balkon, Garten)
  • Kategorie: Enthält eine Klassifizierung der Immobilie als “Haus”, “Wohnung” und “Büro”

 

beispiel-txt-file

[box]Hinweis für Python-Einsteiger: Die Numpy-Matrix ist speziell für Matrizen-Kalkulationen entwickelt. Kopfzeilen oder das Speichern von String-Werten sind für diese Datenstruktur nicht vorgesehen![/box]

Aufgerufen wird diese Funktion dann so:

Die Matrix mit den drei Spalten (Quadratmeter, Wandhohe, IA_Ratio) landen in der Variable “dataSet”.

Schritt 2 – Merkmale im Verhältnis zueinander perspektivisch betrachten

Für diesen Anwendungsfall soll eine Klassifizierung (und gewissermaßen die Vorhersage) erfolgen, zu welcher Immobilien-Kategorie ein einzelner Datensatz gehört. Im Beispieldatensatz befinden sich vier Merkmale: drei Metriken und eine Kategorie (Wohnung, Büro oder Haus). Es stellt sich zunächst die Frage, wie diese Merkmale zueinander stehen. Gute Ideen der Datenvisualisierung helfen hier fast immer weiter. Die gängigsten 2D-Visualisierungen in Python wurden von mir bereits hier zusammengefasst.

[box]Hinweis: In der Praxis sind es selten nur drei Dimensionen, mit denen Machine Learning betrieben wird. Das Feature-Engineering, also die Suche nach den richtigen Features in verteilten Datenquellen, macht einen wesentlichen Teil der Arbeit eines Data Scientists aus – wie auch beispielsweise Chief Data Scientist Klaas Bollhoefer (siehe Interview) bestätigt.[/box]

Die beiden Scatter-Plots zeigen, das Häuser (blau) in allen Dimensionen die größte Varianz haben. Büros (gelb) können größer und höher ausfallen, als Wohnungen (rot), haben dafür jedoch tendenziell ein kleineres IA_Ratio. Könnten die Kategorien (blau, gelb, rot) durch das Verhältnis innerhalb von einem der beiden Dimensionspaaren in dem zwei dimensionalen Raum exakt voneinander abgegrenzt werden, könnten wir hier stoppen und bräuchten auch keinen kNN-Algorithmus mehr. Da wir jedoch einen großen Überschneidungsbereich in beiden Dimensionspaaren haben (und auch Wandfläche zu IA_Ratio sieht nicht besser aus),

Eine 3D-Visualisierung eignet sich besonders gut, einen Überblick über die Verhältnisse zwischen den drei Metriken zu erhalten: (die Werte wurden hier bereits normalisiert, liegen also zwischen 0,00 und 1,00)

3D Scatter Plot in Python [Matplotlib]

Es zeigt sich gerade in der 3D-Ansicht recht deutlich, dass sich Büros und Wohnungen zum nicht unwesentlichen Teil überschneiden und hier jeder Algorithmus mit der Klassifikation in Probleme geraten wird, wenn uns wirklich nur diese drei Dimensionen zur Verfügung stehen.

Schritt 3 – Kalkulation der Distanzen zwischen den einzelnen Punkten

Bei der Berechnung der Distanz in einem Raum hilft uns der Satz des Pythagoras weiter. Die zu überbrückende Distanz, um von A nach B zu gelangen, lässt sich einfach berechnen, wenn man entlang der Raumdimensionen Katheten aufspannt.

c = \sqrt{a^2+ b^2}

Die Hypotenuse im Raum stellt die Distanz dar und berechnet sich aus der Wurzel aus der Summe der beiden Katheten im Quadrat. Die beiden Katheten bilden sich aus der Differenz der Punktwerte (q, p) in ihrer jeweiligen Dimension.Bei mehreren Dimensionen gilt der Satz entsprechend:

Distanz = \sqrt{(q_1-p_1)^2+(q_2-p_2)^2+…+(q_n-p_n)^2}

Um mit den unterschiedlichen Werte besser in ihrer Relation zu sehen, sollten sie einer Normalisierung unterzogen werden. Dabei werden alle Werte einer Dimension einem Bereich zwischen 0.00 und 1.00 zugeordnet, wobei 0.00 stets das Minimum und 1.00 das Maximum darstellt.

NormWert = \frac{Wert - Min}{Wertspanne} = \frac{Wert - Min}{Max - Min}

Die Funktion kann folgendermaßen aufgerufen werden:

Schritt 4 & 5 – Klassifikation durch Eingrenzung auf k-nächste Nachbarn

Die Klassifikation erfolgt durch die Kalkulation entsprechend der zuvor beschriebenen Formel für die Distanzen in einem mehrdimensionalen Raum, durch Eingrenzung über die Anzahl an k Nachbarn und Sortierung über die berechneten Distanzen.

Über folgenden Code rufen wir die Klassifikations-Funktion auf und legen die k-Eingrenzung fest, nebenbei werden Fehler gezählt und ausgewertet. Hier werden der Reihe nach die ersten 30 Zeilen verarbeitet:

Nur 30 Testdatensätze auszuwählen ist eigentlich viel zu knapp bemessen und hier nur der Übersichtlichkeit geschuldet. Besser ist für dieses Beispiel die Auswahl von 100 bis 300 Datensätzen. Die Ergebnisse sind aber bereits recht ordentlich, allerdings fällt dem Algorithmus – wie erwartet – noch die Unterscheidung zwischen Wohnungen und Büros recht schwer.

0 – klassifiziert wurde: Buero, richtige Antwort: Buero
1 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
2 – klassifiziert wurde: Buero, richtige Antwort: Buero
3 – klassifiziert wurde: Buero, richtige Antwort: Buero
4 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
5 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
6 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
7 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Buero
8 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
9 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
10 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
11 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
12 – klassifiziert wurde: Buero, richtige Antwort: Buero
13 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Buero
14 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
15 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
16 – klassifiziert wurde: Buero, richtige Antwort: Buero
17 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
18 – klassifiziert wurde: Haus, richtige Antwort: Haus
19 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
20 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
21 – klassifiziert wurde: Buero, richtige Antwort: Buero
22 – klassifiziert wurde: Buero, richtige Antwort: Buero
23 – klassifiziert wurde: Buero, richtige Antwort: Buero
24 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
25 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
26 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
27 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
28 – klassifiziert wurde: Wohnung, richtige Antwort: Wohnung
29 – klassifiziert wurde: Buero, richtige Antwort: Buero
Error Count: 2

Über weitere Tests wird deutlich, dass k nicht zu niedrig und auch nicht zu hoch gesetzt werden darf.

 Datensätze  k Fehler
 150 1   25
 150 3   23
 150 5   21
 150 20   26

Ein nächster Schritt wäre die Entwicklung eines Trainingprogramms, dass die optimale Konfiguration (k-Eingrenzung, Gewichtung usw.) ermittelt.

Fehlerraten herabsenken

Die Fehlerquote ist im Grunde niemals ganz auf Null herabsenkbar, sonst haben wir kein maschinelles Lernen mehr, sondern könnten auch feste Regeln ausmachen, die wir nur noch einprogrammieren (hard-coding) müssten. Wer lernt, macht auch Fehler! Dennoch ist eine Fehlerquote von 10% einfach zu viel für die meisten Anwendungsfälle. Was kann man hier tun?

  1. Den Algorithmus verbessern (z. B. optimale k-Konfiguration und Gewichtung finden)
  2. mehr Merkmale finden (= mehr Dimensionen)
  3. mehr Daten hinzuziehen (gut möglich, dass alleine dadurch z. B. Wohnungen und Büros besser unterscheidbar werden)
  4. einen anderen Algorithmus probieren (kNN ist längst nicht für alle Anwendungen ideal!)

Das Problem mit den Dimensionen

Theoretisch kann kNN mit undenklich vielen Dimensionen arbeiten, allerdings steigt der Rechenaufwand damit auch ins unermessliche. Der k-nächste-Nachbar-Algorithmus ist auf viele Daten und Dimensionen angewendet recht rechenintensiv.

In der Praxis hat nicht jedes Merkmal die gleiche Tragweite in ihrer Bedeutung für die Klassifikation und mit jeder weiteren Dimension steigt auch die Fehleranfälligkeit, insbesondere durch Datenfehler (Rauschen). Dies kann man sich bei wenigen Dimensionen noch leicht bildlich vorstellen, denn beispielsweise könnten zwei Punkte in zwei Dimensionen nahe beieinander liegen, in der dritten Dimension jedoch weit auseinander, was im Ergebnis dann eine lange Distanz verursacht. Wenn wir beispielsweise 101 Dimensionen berücksichtigen, könnten auch hier zwei Punkte in 100 Dimensionen eng beieinander liegen, läge jedoch in der 101. Dimension (vielleicht auch auf Grund eines Datenfehlers) eine lange Distanz vor, wäre die Gesamtdistanz groß. Mit Gewichtungen könnten jedoch als wichtiger einzustufenden Dimensionen bevorzugt werden und als unsicher geltende Dimensionen entsprechend entschärft werden.

Je mehr Dimensionen berücksichtigt werden sollen, desto mehr Raum steht zur Verfügung, so dass um wenige Datenpunkte viel Leerraum existiert, der dem Algorithmus nicht weiterhilft. Je mehr Dimensionen berücksichtigt werden, desto mehr Daten müssen zu Verfügung gestellt werden, im exponentiellen Anstieg – Wo wir wieder beim Thema Rechenleistung sind, die ebenfalls exponentiell ansteigen muss.

Weiterführende Literatur


Machine Learning in Action

 


Introduction to Machine Learning with Python

Einführung in Data Science: Grundprinzipien der Datenanalyse mit Python

Nico Hezel

KNN: Rückwärtspass

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Im letzten Artikel der Serie haben wir gesehen wie bereits trainierte Netzwerke verwendet werden können. Als Training wird der Prozess bezeichnet der die Gewichte in einen Netzwerk so anpasst, dass bei einem Vorwärtspass durch ein Netzwerk zu einen festgelegten Eingangsdatensatz ein bestimmtes Ergebnis in der Ausgangsschicht ausgegeben wird. Im Umkehrschluss heißt das auch, dass wenn etwas anderes ausgeliefert wurde als erwartet, das Netzwerk entweder noch nicht gut genug oder aber auf ein anderes Problem hin trainiert wurde.

Training

Das Training selbst findet in drei Schritten statt. Zunächst werden die Gewichte initialisiert. Üblicherweise geschieht das mit zufälligen Werten, die aus einer Normalverteilung gezogen werden. Je nachdem wie viele Gewichte eine Schicht hat, ist es sinnvoll die Verteilung über den Sigma Term zu skalieren. Als Daumenregeln kann dabei eins durch die Anzahl der Gewichte in einer Schicht verwendet werden.

Im zweiten Schritt wird der Vorwärtspass für die Trainingsdaten errechnet. Das Ergebnis wird beim ersten Durchlauf alles andere als zufrieden stellend sein, es dient aber dem Rückwärtspass als Basis für dessen Berechnungen und Gewichtsänderungen. Außerdem kann der Fehler zwischen der aktuellen Vorhersage und dem gewünschten Ergebnis ermittelt werden, um zu entscheiden, ob weiter trainiert werden soll.

Der eigentliche Rückwärtspass errechnet aus der Differenz der Vorwärtspassdaten und der Zieldaten die Steigung für jedes Gewicht aus, in dessen Richtung dieses geändert werden muss, damit das Netzwerk bessere Vorhersagen trifft. Das klingt zunächst recht abstrakt, die genauere Mathematik dahinter werde ich in einem eigenen Artikel erläutern. Zur besseren Vorstellung betrachten wir die folgende Abbildung.

    visuelle Darstellung aller Gewichtskombinationen und deren Vorhersagefehler

Das Diagramm zeigt in blau zu allen möglichen Gewichtskombinationen eines bestimmten, uns unbekannten, Netzwerks und Problems den entsprechenden Vorhersagefehler. Die Anzahl der Kombinationen hängt von der Anzahl der Gewichte und der Auflösung des Wertebereiches für diese ab. Theoretisch ist die Menge also unendlich, weshalb die blaue Kurve eine von mir ausgedachte Darstellung aller Kombinationen ist. Der erste Vorwärtspass liefert uns eine Vorhersage die eine normalisierte Differenz von 0.6 zu unserem eigentlichen Wunschergebnis aufweist. Visualisiert ist das Ganze mit einer schwarzen Raute. Der Rückwärtspass berechnet aus der Differenz und den Daten vom Vorwärtspass einen Änderungswunsch für jedes Gewicht aus. Da die Änderungen unabhängig von den anderen Gewichten ermittelt wurden, ist nicht bekannt was passieren würde wenn alle Gewichte sich auf einmal ändern würden. Aus diesem Grund werden die Änderungswünsche mit einer Lernrate abgeschwächt. Im Endeffekt ändert sich jedes Gewicht ein wenig in die Richtung, die es für richtig erachtet. In der Hoffnung einer Steigerung entlang zu einem lokalen Minimum zu folgen, werden die letzten beiden Schritte (Vor- und Rückwärtspass) mehrfach wiederholt. In dem obigen Diagramm würde die schwarze Raute der roten Steigung folgen und sich bei jeder Iteration langsam auf das linke lokale Minimum hinzubewegen.

 

Anwendungsbeispiel und Programmcode

Um den ganzen Trainingsprozess im Einsatz zu sehen, verwenden wir das Beispiel aus dem Artikel “KNN: Vorwärtspass”. Die verwendeten Daten kommen aus der Wahrheitstabelle eines X-OR Logikgatters und werden in ein 2-schichtiges Feedforward Netzwerk gespeist.

XOR Wahrheitstabelle

X1 X2 Y = X1 ⊻ X2
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0

Der Programmcode ist in Octave geschrieben und kann zu Testzwecken auf der Webseite von Tutorialpoint ausgeführt werden. Die erste Hälfte von dem Algorithmus kennen wir bereits, der Vollständigkeit halber poste ich ihn noch einmal, zusammen mit den Rückwärtspass. Hinzugekommen sind außerdem ein paar Konsolenausgaben, eine Lernrate- und eine Iterations-Variable die angibt wie viele Trainingswiederholungen durchlaufen werden sollen.

Zu jeder Zeile bzw. Funktion die wir im Vorwärtspass geschrieben haben, gibt es im Rückwärtspass eine abgeleitete Variante. Dank den Ableitungen können wir die Änderungswünsche der Gewichte in jeder Schicht ausrechnen und am Ende einer Trainingsiteration anwenden. Wir trainieren 10.000 Iterationen lang und verwenden eine Lernrate von 0,8. In komplexeren Fragestellungen, mit mehr Daten, würden diese Werte niedriger ausfallen.

Es ist außerdem möglich den ganzen Programmcode viel modularer aufzubauen. Dazu werde ich im nächsten Artikel auf eine mehr objekt-orientiertere Sprache wechseln. Nichts desto trotz liefert der obige Algorithmus gute Ergebnisse. Hier ist mal ein Ausgabebeispiel:

 

Felix Bogdanski

Neural Nets: Time Series Prediction

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Artificial neural networks are very strong universal approximators. Google recently defeated the worlds strongest Go (“chinese chess”) player with two neural nets, which captured the game board as a picture. Aside from these classification tasks, neural nets can be used to predict future values, behaviors or patterns solely based on learned history. In the machine learning literature, this is often referred to as time series prediction, because, you know, values over time need to be predicted. Hah! To illustrate the concept, we will train a neural net to learn the shape of a sinusoidal wave, so it can continue to draw the shape without any help. We will do this with Scala. Scala is a great lang, because it is strongly typed but feels easy like Python. Throughout this article, I will use the library NeuroFlow, which is a simple, lightweight library I wrote to build and train nets. Because Open Source is the way to go, feel free to check (and contribute to? :-)) the code on GitHub.

Introduction of the shape

If we, as humans, want to predict the future based on historic observations, we would have no other chance but to be guided by the shape drawn so far. Let’s study the plot below, asking ourselves: How would a human continue the plot?

sinuspredictdr
f(x) = sin(10*x)

Intuitively, we would keep on oscillating up and down, just like the grey dotted line tries to rough out. To us, the continuation of the shape is reasonably easy to understand, but a machine does not have a gut feeling to ask for a good guess. However, we can summon a Frankenstein, which will be able to learn and continue the shape based on numbers. In order to do so, let’s have a look at the raw, discrete data of our sinusoidal wave:

x f(x)
0.0 0.0
0.05 0.479425538604203
0.10 0.8414709848078965
0.15 0.9974949866040544
0.20 0.9092974268256817
0.25 0.5984721441039564
0.30 0.1411200080598672
0.35 -0.35078322768961984
… …
0.75 0.9379999767747389

Ranging from 0.0 until 0.75, these discrete values drawn from our function with step size 0.05 will be the basis for training. Now, one could come up with the idea to just memorize all values, so a sufficiently reasonable value can be picked based on comparison. For instance, to continue at the point 0.75 in our plot, we could simply examine the area close to 0.15, noticing a similar value close to 1, and hence go downwards. Well, of course this is cheating, but if a good cheat is a superior solution, why not cheat? Being hackers, we wouldn’t care. What’s really limiting here is the fact that the whole data set needs to be kept in memory, which can be infeasible for large sets, plus for more complex shapes, this approach would quickly result in a lot of weird rules and exceptions to be made in order to find comprehensible predictions.

Net to the rescue

Let’s go back to our table and see if a neural net can learn the shape, instead of simply memorizing it. Here, we want our net architecture to be of kind [3, 5, 3, 1]. Three input neurons, two hidden layers with five and three neurons respectively, as well as one neuron for the output layer will capture the data shown in the table.

sinuspredictnet

A supervised training mode means, that we want to train our net with three discrete steps as input and the fourth step as the supervised training element. So we will train a, b, c -> d and e, f, g -> h et cetera, hoping that this way our net will capture the slope pattern of our sinusoidal wave. Let’s code this in Scala:

First, we want a Tanh activation function, because the domain of our sinusoidal wave is [-1, 1], just like the hyperbolic tangent. This way we can be sure that we are not comparing apples with oranges. Further, we want a dynamic network (adaptive learning rate) and random initial weights. Let’s put this down:

No surprises here. After some experiments, we can pick values for the settings instance, which will promise good convergence during training. Now, let’s prepare our discrete steps drawn from the sinus function:

We will draw samples from the range with step size 0.05. After this, we will construct our training values xs as well as our supervised output values ys. Here, a group consists of 4 steps, with 3 steps as input and the last step as the supervised value.

After a pretty short time, we will see good news. Now, how can we check if our net can successfully predict the sinusoidal wave? We can’t simply call our net like a sinus function to map from one input value to one output value, e. g. something like net(0.75) == sin(0.75). Our net does not care about any x values, because it was trained purely based on the function values f(x), or the slope pattern in general. We need to feed our net with a three-dimensional input vector holding the first three, original function values to predict the fourth step, then drop the first original step and append the recently predicted step to predict the fifth step, et cetera. In other words, we need to traverse the net. Let’s code this:

with

So, basically we don’t just continue to draw the sinusoidal shape at the point 0.75, we draw the entire shape right from the start until 4.0 – solely based on our trained net! Now, let’s see how our Frankenstein will complete the sinusoidal shape from 0.75 on:

sinuspredictfintwo

I’d say, pretty neat? Keep in mind, here, the discrete predictions are connected through splines. Another interesting property of our trained net is its prediction compared to the original sinus function when taking the limit towards 4.0. Let’s plot both:

sinuspredictfin

The purple line is the original sinusoidal wave, whereas the green line is the prediction of our net. The first steps show great consistency, but slowly the curves diverge a little over time, as uncertainties will add up. To keep this divergence rather low, one could fine tune settings, for instance numeric precision. However, if one is taking the limit towards infinity, a perfect fit is illusory.

Final thoughts

That’s it! We have trained our net to learn and continue the sinusoidal shape. Now, I know that this is a rather academic example, but to train a neural net to learn more complex shapes is straightforward from here.

Thanks for reading!

Dr. Stefan Kühn

Wie lernen Maschinen?

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Im dritten Teil meiner Reihe Wie lernen Maschinen? wollen wir die bisher kennengelernten Methoden anhand eines der bekanntesten Verfahren des Maschinellen Lernens – der Linearen Regression – einmal gegenüberstellen. Die Lineare Regression dient uns hier als Prototyp eines Verfahrens aus dem Gebiet der Regression, in weiteren Artikeln werden die Logistische Regression als Prototyp eines Verfahrens aus dem Gebiet der Klassifikation und eine Collaborative-Filtering- bzw. Matrix-Faktorisierungs-Methode als Prototyp eines Recommender-Systems behandelt.

Read more

Nico Hezel

KNN: Vorwärtspass

/in , , /by

Wenn die Gewichte eines künstlichen neuronalen Netzwerkes trainiert sind, kann es verwendet werden, um Vorhersagen über eine am Eingang angelegte Beobachtung zu treffen. Hierzu werden Schicht für Schicht, in einem sogenannten Vorwärtspass (Forward-Pass), die Aktivierungen der einzelnen Neuronen ermittelt, bis ein Ergebnis an der Ausgabeschicht anliegt. Der ganze Prozess hat zwar einen eigenen Namen (Vorwärtspass), ist aber im Endeffekt nur ein iteratives durchführen von mehreren logistischen Regressionen und entspricht dem Vorgehen aus dem Artikel „KNN: künstliche Neuronen“.

Anwendungsbeispiel

Im folgenden Beispiel verwenden wir die Wahrheitstabelle von einem X-OR Logikgatter (siehe Abbildungen unten links) als Ground Truth Data. Ziel ist es, den Ausgangwert Y, für einen beliebig anliegenden Eingangsvektor [X1, X2] vorherzusagen. Die Aufgabe ist recht komplex, so dass eine einfache lineare oder logistische Regression keine zufriedenstellende Lösung finden wird. Die zum Einsatz kommende  Netzwerkstruktur ist ein 2-schichtiges Feedforward Netzwerk mit zwei Eingangsneuronen, einer verborgenen Schicht und einem Ausgangsneuron.

XOR Wahrheitstabelle

X1 X2 Y = X1 ⊻ X2
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0

 

Da das Netzwerk wie anfänglich erwähnt, bereits trainiert ist, gebe ich die Gewichte (Theta) vor. Werden die Werte als Matrix dargestellt, können mit Hilfe der linearen Algebra die Aktivierungswahrscheinlichkeiten aller Neuronen einer Schicht auf einmal ausgerechnet werden.

Theta 1

θ11 =  2,7 θ12 =   3,1
θ13 =  5,6 θ14 = -6
θ15 = -5,4 θ16 =  6,2
Theta 2

θ21 =  9,6
θ22 = -6,6
θ23 = -6,5

Programmcode

Für die eigentlichen Berechnungen verwenden wir die Programmiersprache Octave oder MATLAB. Octave ist eine kostenlose alternative zu MATLAB. Wobei es nicht notwendig ist irgendetwas zu installieren, da es auch eine Online Variante von MATLAB/Octave gibt:
http://www.tutorialspoint.com/execute_matlab_online.php

Ein paar Sätze zu den verwendeten Befehlen. Der Punkt vor manchen Operationen gibt an, dass die Operation Elementweise durchzuführen ist (wichtig bei der Sigmoid Funktion). Die Methode ones(M,N) erzeugt eine MxN große Matrix gefüllt mit den Werten 1. Wir erzeugen damit einen Spaltenvektor der unseren Bias Units entspricht und den wir anschließend an eine vorhandene Matrix horizontal anfügen.

Wird das Programm ausgeführt schreibt es unter anderem die Werte von der Ausgabeschicht O (Output Layer) auf die Konsole. Da wir alle XOR Variationen auf einmal ausgerechnet haben, erhalten wir auch vier Vorhersagen. Verglichen mit der Zielvorgaben Y sind die Werte von O sehr vielversprechend (ähnlich).

X1 X2 Y O
0 0 0 0.057099
0 1 1 0.936134
1 0 1 0.934786
1 1 0 0.050952

 

Komplexe Netzwerke

Hätte das Netzwerk noch weitere verborgene Schichten, müssen Teile des Programmcodes wiederholt ausgeführt werden. Grundsätzlich sind drei Befehle pro Schicht notwendig:

Im nächsten Artikel schauen wir uns das Training solcher Netzwerke an.