Einführung in TensorFlow

 

 

 

1. Einleitung und Inhalt

Früher oder später wird jede Person, welche sich mit den Themen Daten, KI, Machine Learning und Deep Learning auseinander setzt, mit TensorFlow in Kontakt geraten. Für diejenigen wird der Zeitpunkt kommen, an dem sie sich damit befassen möchten/müssen/wollen.

Und genau für euch ist diese Artikelserie ausgelegt. Gemeinsam wollen wir die ersten Schritte in die Welt von Deep Learning und neuronalen Netzen mit TensorFlow wagen und unsere eigenen Beispiele realisieren. Dabei möchten wir uns auf das Wesentlichste konzentrieren und die Thematik Schritt für Schritt in 4 Artikeln angehen, welche wie folgt aufgebaut sind:

  1. In diesem und damit ersten Artikel wollen wir uns erst einmal darauf konzentrieren, was TensorFlow ist und wofür es genutzt wird.
  2. Im zweiten Artikel befassen wir uns mit der grundlegenden Handhabung von TensorFlow und gehen den theoretischen Ablauf durch.
  3. Im dritten Artikel wollen wir dann näher auf die Praxis eingehen und ein Perzeptron – ein einfaches künstliches Neuron – entwickeln. Dabei werden wir die Grundlagen anwenden, die wir im zweiten Artikel erschlossen haben.
  4. Im vierten Artikel werden wir dann endlich unser erstes neuronales Netz aufbauen. Auch hier bilden die vorherigen Artikel ein gutes Fundament der Verständlichkeit um die kommende Aufgabe zu meistern.

Wenn ihr die Praxisbeispiele in den Artikeln 3 & 4 aktiv mit bestreiten wollt, dann ist es vorteilhaft, wenn ihr bereits mit Python gearbeitet habt und die Grundlagen dieser Programmiersprache beherrscht. Jedoch werden alle Handlungen und alle Zeilen sehr genau kommentiert, so dass es leicht verständlich bleibt.

Neben den Programmierfähigkeiten ist es hilfreich, wenn ihr euch mit der Funktionsweise von neuronalen Netzen auskennt, da wir im späteren Verlauf diese modellieren wollen. Jedoch gehen wir vor der Programmierung  kurz auf die Theorie ein und werden das Wichtigste nochmal erwähnen.

Zu guter Letzt benötigen wir für unseren Theorie-Teil ein Mindestmaß an Mathematik um die Grundlagen der neuronalen Netze zu verstehen. Aber auch hier sind die Anforderungen nicht hoch und wir sind vollkommen gut  damit bedient, wenn wir unser Wissen aus dem Abitur noch nicht ganz vergessen haben.

2. Ziele dieser Artikelserie

Diese Artikelserie ist speziell an Personen gerichtet, welche einen ersten Schritt in die große und interessante Welt von Deep Learning wagen möchten, die am Anfang nicht mit zu vielen Details überschüttet werden wollen und lieber an kleine und verdaulichen Häppchen testen wollen, ob dies das Richtige für sie ist. Unser Ziel wird sein, dass wir ein Grundverständnis für TensorFlow entwickeln und die Grundlagen zur Nutzung beherrschen, um mit diesen erste Modelle zu erstellen.

3. Was ist TensorFlow?

Viele von euch haben bestimmt von TensorFlow in Verbindung mit Deep Learning bzw. neuronalen Netzen gehört. Allgemein betrachtet ist TensorFlow ein Software-Framework zur numerischen Berechnung von Datenflussgraphen mit dem Fokus maschinelle Lernalgorithmen zu beschreiben. Kurz gesagt: Es ist ein Tool um Deep Learning Modelle zu realisieren.

Zusatz: Python ist eine Programmiersprache in der wir viele Paradigmen (objektorientiert, funktional, etc.) verwenden können. Viele Tutorials im Bereich Data Science nutzen das imperative Paradigma; wir befehlen Python also Was gemacht und Wie es ausgeführt werden soll. TensorFlow ist dahingehend anders, da es eine datenstrom-orientierte Programmierung nutzt. In dieser Form der Programmierung wird ein Datenfluss-Berechnungsgraph (kurz: Datenflussgraph) erzeugt, welcher durch die Zusammensetzung von Kanten und Knoten charakterisiert wird. Die Kanten enthalten Daten und können diese an Knoten weiterleiten. In den Knoten werden Operationen wie z. B. Addition, Multiplikation oder auch verschiedenste Variationen von Funktionen ausgeführt. Bekannte Programme mit datenstrom-orientierten Paradigmen sind Simulink, LabView oder Knime.

Für das Verständnis von TensorFlow verrät uns der Name bereits erste Informationen über die Funktionsweise. In neuronalen Netzen bzw. in Deep-Learning-Netzen können Eingangssignale, Gewichte oder Bias verschiedene Erscheinungsformen haben; von Skalaren, zweidimensionalen Tabellen bis hin zu mehrdimensionalen Matrizen kann alles dabei sein. Diese Erscheinungsformen werden in Deep-Learning-Anwendungen allgemein als Tensoren bezeichnet, welche durch ein Datenflussgraph ‘fließen’. [1]

Abb.1 Namensbedeutung von TensorFlow: Links ein Tensor in Form einer zweidimensionalen Matrix; Rechts ein Beispiel für einen Datenflussgraph

 

4. Warum TensorFlow?

Wer in die Welt der KI einsteigen und Deep Learning lernen will, hat heutzutage die Qual der Wahl. Neben TensorFlow gibt es eine Vielzahl von Alternativen wie Keras, Theano, Pytorch, Torch, Caffe, Caffe2, Mxnet und vielen anderen. Warum also TensorFlow?

Das wohl wichtigste Argument besteht darin, dass TensorFlow eine der besten Dokumentationen hat. Google – Herausgeber von TensorFlow – hat TensorFlow stets mit neuen Updates beliefert. Sicherlich aus genau diesen Gründen ist es das meistgenutzte Framework. Zumindest erscheint es so, wenn wir die Stars&Forks auf Github betrachten. [3] Das hat zur Folge, dass neben der offiziellen Dokumentation auch viele Tutorials und Bücher existieren, was die Doku nur noch besser macht.

Natürlich haben alle Frameworks ihre Vor- und Nachteile. Gerade Pytorch von Facebook erfreut sich derzeit großer Beliebtheit, da die Berechnungsgraphen dynamischer Natur sind und damit einige Vorteile gegenüber TensorFlow aufweisen.[2] Auch Keras wäre für den Einstieg eine gute Alternative, da diese Bibliothek großen Wert auf eine einsteiger- und nutzerfreundliche Handhabung legt. Keras kann man sich als eine Art Bedienoberfläche über unsere Frameworks vorstellen, welche vorgefertigte neuronale Netze bereitstellt und uns einen Großteil der Arbeit abnimmt.

Möchte man jedoch ein detailreiches und individuelles Modell bauen und die Theorie dahinter nachvollziehen können, dann ist TensorFlow der beste Einstieg in Deep Learning! Es wird einige Schwierigkeiten bei der Gestaltung unserer Modelle geben, aber durch die gute Dokumentation, der großen Community und der Vielzahl an Beispielen, werden wir gewiss eine Lösung für aufkommende Problemstellungen finden.

 

Abb.2 Beliebtheit von DL-Frameworks basierend auf Github Stars & Forks (10.06.2018)

 

5. Zusammenfassung und Ausblick

Fassen wir das Ganze nochmal zusammen: TensorFlow ist ein Framework, welches auf der datenstrom-orientierten Programmierung basiert und speziell für die Implementierung von Machine/Deep Learning-Anwendungen ausgelegt ist. Dabei fließen unsere Daten durch eine mehr oder weniger komplexe Anordnung von Berechnungen, welche uns am Ende ein Ergebnis liefert.

Die wichtigsten Argumente zur Wahl von TensorFlow als Einstieg in die Welt des Deep Learnings bestehen darin, dass TensorFlow ausgezeichnet dokumentiert ist, eine große Community besitzt und relativ einfach zu lesen ist. Außerdem hat es eine Schnittstelle zu Python, welches durch die meisten Anwender im Bereich der Datenanalyse bereits genutzt wird.

Wenn ihr es bis hier hin geschafft habt und immer noch motiviert seid den Einstieg mit TensorFlow zu wagen, dann seid gespannt auf den nächsten Artikel. In diesem werden wir dann auf die Funktionsweise von TensorFlow eingehen und einfache Berechnungsgraphen aufbauen, um ein Grundverständnis von TensorFlow zu bekommen. Bleibt also gespannt!

Quellen

[1] Hope, Tom (2018): Einführung in TensorFlow: DEEP-LEARNING-SYSTEME PROGRAMMIEREN, TRAINIEREN, SKALIEREN UND DEPLOYEN, 1. Auflage

[2] https://www.marutitech.com/top-8-deep-learning-frameworks/

[3] https://github.com/mbadry1/Top-Deep-Learning

[4] https://www.bigdata-insider.de/was-ist-keras-a-726546/

Funktionsweise künstlicher neuronaler Netze

Künstliche neuronale Netze sind ein Spezialbereich des maschinellen Lernens, der sogar einen eigenen Trendbegriff hat: Deep Learning.
Doch wie funktioniert ein künstliches neuronales Netz überhaupt? Und wie wird es in Python realisiert? Dies ist Artikel 2 von 5 der Artikelserie –Einstieg in Deep Learning.

Gleich vorweg, wir beschränken uns hier auf die künstlichen neuronalen Netze des überwachten maschinellen Lernens. Dafür ist es wichtig, dass das Prinzip des Trainings und Testens von überwachten Verfahren verstanden ist. Künstliche neuronale Netze können aber auch zur unüberwachten Dimensionsreduktion und zum Clustering eingesetzt werden. Das bekannteste Verfahren ist das AE-Net (Auto Encoder Network), das hier aus der Betrachtung herausgenommen wird.

Beginnen wir mit einfach künstlichen neuronalen Netzen, die alle auf dem Perzeptron als Kernidee beruhen. Das Vorbild für künstliche neuronale Netze sind natürliche neuronale Netze, wie Sie im menschlichen Gehirn zu finden sind.

Perzeptron

Das Perzeptron (engl. Perceptron) ist ein „Klassiker“ unter den künstlichen neuronalen Netzen. Wenn von einem neuronalen Netz gesprochen wird, ist meistens ein Perzeptron oder eine Variation davon gemeint. Perzeptrons sind mehrschichtige Netze ohne Rückkopplung, mit festen Eingabe- und Ausgabeschichten. Es gibt keine absolut einheitliche Definition eines Perzeptrons, in der Regel ist es jedoch ein reines FeedForward-Netz mit einer Input-Schicht (auch Abtast-Schicht oder Retina genannt) mit statisch oder dynamisch gewichteten Verbindungen zur Ausgabe-Schicht, die (als Single-Layer-Perceptron) aus einem einzigen Neuron besteht. Das eine Neuron setzt sich aus zwei mathematischen Funktionen zusammen: Einer Berechnung der Nettoeingabe und einer Aktivierungsfunktion, die darüber entscheidet, ob die berechnete Nettoeingabe im Brutto nun “feuert” oder nicht. Es ist in seiner Ausgabe folglich binär: Man kann es sich auch als kleines Lämpchen vorstellen, so dass abhängig von den Eingabewerten und den Gewichtungen eine Nettoeingabe (Summe) bildet und eine Sprungfunktion darüber entscheidet, ob am Ende das Lämpchen leuchtet oder nicht. Dieses Konzept der Ausgabeerzeugung wird Forward-Propagation genannt.

Single-Layer-Perceptron

Auch wenn “Netz” für ein einzelnes Perzeptron mit seinem einen Neuron etwas übertrieben wirken mag, ist es doch die Grundlage für viele größere und mehrschichtige Netze.

Betrachten wir nun die Mathematik der Forward-Propagation.

Wir haben eine Menge an Eingabewerten x_0, x_1 \dots x_n. Wobei für x_0 als Bias-Input stets gilt: x_0 = 1,0. Der Bias-Input ist nur ein Platzhalter für das wichtige Bias-Gewicht.

    \[ x = \begin{bmatrix} x_0\\ x_1\\ x_2\\ x_3\\ \vdots\\ x_n \end{bmatrix} \]


Für jede Eingabevariable wird eine Gewichtsvariable benötigt: w_0, w_1 \dots w_n

    \[ w = \begin{bmatrix} w_0\\ w_1\\ w_2\\ w_3\\ \vdots\\ w_n \end{bmatrix} \]

Jedes Produkt aus Eingabewert und Gewichtung soll in Summe die Nettoeingabe z bilden. Hier zeigt sich z als lineare mathematische Funktion, die zwei-dimensional leicht als z = w_0 + w_1 \cdot x_1 mit w_0 als Y-Achsenschnitt wenn x_1 = 0.

    \[ z = w_0 \cdot x_0 + w_1 \cdot x_1 + \dots + w_n \cdot x_n \]

Die lineare Funktion wird nur durch die Sprungfunktion als sogenannte Aktivierungsfunktion zu einer binären Klasseneinteilung (siehe hierzu: Machine Learning – Regression vs Klassifikation), denn wenn z einen festzulegenden Schwellwert \theta überschreitet, liefert die Sprungfunktion \phi mit der Eingabe z einen anderen Wert als wenn dieser Schwellwert nicht überschritten wird.

(1)   \begin{equation*} \phi(z) = \begin{cases} 1 & \text{wenn } z \le \theta \\ -1 & \text{wenn } z < \theta \\ \end{cases} \end{equation*}

Die Definition dieser Aktivierungsfunktion ist der Kern der Klassifikation und viele erweiterte künstliche neuronale Netze unterscheiden sich im Wesentlichen vom Perzeptron dadurch, dass die Aktivierungsfunktion komplexer ist, als eine reine Sprungfunktion, beispielsweise als Sigmoid-Funktion (basierend auf der logistischen Funktion) oder die Tangens hyperbolicus (tanh) -Funktion. Mehr darüber dann im nächsten Artikel dieser Artikelserie, bleiben wir also bei der einfachen Sprungfunktion.

Künstliche neuronale Netze sind im Grunde nichts anderes als viel-dimensionale, mathematische Funktionen, die durch Schaltung als Neuronen nebeneinander (Neuronen einer Schicht) und hintereinander (mehrere Schichten) eine enorme Komplexität erfassen können. Die Gewichtungen sind dabei die Stellschraube, die die Form der mathematischen Funktion gestaltet, aus Geraden und Kurven, um eine Punktwolke zu beschreiben (Regression) oder um Klassengrenzen zu identifizieren (Klassifikation).

Eine andere Sichtweise auf künstliche neuronale ist die des Filters: Ein künstliches neuronales Netz nimmt alle Eingabe-Variablen entgegen (z. B. alle Pixel eines Bildes) und über ein Training werden die Gewichtungen (die Form des Filters) so gestaltet, dass der Filter immer zu richtigen Klasse (im Kontext der Bildklassifikation: die Objektklasse) führt.


Kommen wir nochmal kurz zurück zu der Berechnung der Nettoeingabe z. Da diese Schreibweise…

    \[ z = w_0 \cdot x_0 + w_1 \cdot x_1 + \dots + w_n \cdot x_n \]

… recht anstrengend ist, schreiben Fortgeschrittene der linearen Algebra lieber z = w^T \cdot x.

    \[ z = w^T \cdot x \]

Das hochgestellte T steht dabei für transponieren. Transponieren bedeutet, dass Spalten zu Zeilen werden – oder umgekehrt.

Beispielsweise befüllen wir zwei Vektoren x und w mit beispielhaften Inhalten:

Eingabewerte:

    \[ x = \begin{bmatrix} 5\\ 12\\ 30\\ 2 \end{bmatrix} \]

Gewichtungen:

    \[ w = \begin{bmatrix} 1\\ 2\\ 5\\ 12 \end{bmatrix} \]

Kann nun die Nettoeingabe z berechnet werden, denn der Gewichtungsvektor wird vom Spaltenvektor zum Zeilenvektor. So kann – mathematisch korrekt dargestellt – jedes Element des einen Vektors mit dem zugehörigen Element des anderen Vektors multipliziert werden, die dabei entstehenden Ergebniswerte werden summiert.

    \[ z = w^T \cdot x = \big[1\text{ }2\text{ }5\text{ }12\big] \cdot \begin{bmatrix} 5\\ 12\\ 30\\ 2 \end{bmatrix} = 1 \cdot 5 + 2 \cdot 12 + 5 \cdot 30 + 12 \cdot 2 = 203 \]


Zurück zur eigentlichen Aufgabe des künstlichen neuronalen Netzes: Klassifikation! (Regression, Clustering und Dimensionsreduktion blenden wir ja in diesem Artikel als Aufgabe aus 🙂

Das Perzeptron soll zwei Klassen trennen. Dafür sollen alle Eingaben richtig gewichtet werden, so dass die entstehende Nettoeingabe z die Sprungfunktion dann aktiviert, wenn der Datensatz nicht für die eine, sondern für die andere Klasse ausweist.

Da wir es mit einer linearen Funktion z zutun haben, ist die Konvergenz (= Passgenauigkeit des Models mit der Realität) eines Single-Layer-Perzeptrons nur für lineare Trennbarkeit möglich!

Training des Perzeptron-Netzes

Die Aufgabe ist nun, die richtigen Gewichte zu finden – und nicht nur irgendwelche richtigen, sondern genau die optimalen. Die Frage, die sich für jedes künstliche neuronale Netz stellt, ist die nach den richtigen Gewichtungen. Das Training eines Perzeptron ist vergleichsweise einfach, gerade weil es binär ist. Denn binär bedeutet auch, dass wenn eine falsche Antwort gegeben wurde, muss das jeweils andere mögliche Ergebnis korrekt sein.

Das Training eines Perzeptrons funktioniert wie folgt:

  1. Setze alle Gewichtungen auf den Wert 0,00
  2. Mit jedem Datensatz des Trainings
    1. Berechne den Ausgabewert \^{y}
    2. Vergleiche den Ausgabewert \^{y} mit dem tatsächlichen Ergebnis y
    3. Aktualisiere die Gewichtungen entgegen des Fehlers: w_i = w_i + \Delta w_i

Wobei die Gewichtsanpassung \Delta w_i entgegen des Fehlers (bzw. hin zur jeweils anderen möglichen Antwort) geschieht:

\Delta w_i = (\^{y}_j - y_j ) \cdot x_i

Anmerkung für die Experten: Die Schrittweite \eta blenden wir hier einfach mal aus. Bitte einfach von \eta = 1.0 ausgehen.

\Delta w_i ist die Differenz aus der Prädiktion und dem tatsächlichen Ergebnis (Klasse). Alle Gewichtungen werden mit jedem Fehler gleichzeitig aktualisiert. Sind alle Gewichtungen aktualisiert, kommt der nächste Durchlauf (erneuter Vergleich zwischen \^{y} und y), nicht zu vergessen ist dabei natürlich die Abhängigkeit von den Eingabewerten x:

\Delta w_0 = (\^{y}_j - y_j ) \cdot x_0

\Delta w_2 = (\^{y}_j - y_j ) \cdot x_1

\Delta w_2 = (\^{y}_j - y_j) \cdot x_2

\Delta w_n = (\^{y}_j - y_j) \cdot x_n

Training eines Perzeptrons

Das Training im überwachten Lernen basiert immer auf der Idee, den Ausgabe-Fehler (die Differenz zwischen Prädiktion und tatsächlich korrektem Ergebnis) zu betrachten und die Klassifikationslogik an den richtigen Stellschrauben (bei neuronalen Netzen sind das die Gewichtungen) entgegen des Fehlers anzupassen.

Richtige Klassifikations-Situationen können True-Positives und True-Negatives darstellen, die zu keiner Gewichtsanpassung führen sollen:

True-Positive -> Klassifikation: 1 | korrekte Klasse: 1

\Delta w_i = (\^{y}_j - y_j) \cdot x_i = (1 - 1) \cdot x_i = 0

True-Negative-> Klassifikation: -1 | korrekte Klasse: -1

\Delta w_i = (\^{y}_j - y_j) \cdot x_i = (-1 - -1) \cdot x_i = 0

Falsche Klassifikationen erzeugen einen Fehler, der zu einer Gewichtsanpassung entgegen des Fehlers führen soll:

False-Positive -> Klassifikation: 1 | korrekte Klasse: -1

\Delta w_i = (\^{y}_j - y_j) \cdot x_i = (1 - -1) \cdot x_i = 2 \cdot x_i

False-Negative -> Klassifikation: -1 | korrekte Klasse: 1

\Delta w_i = (\^{y}_j - y_j) \cdot x_i = (-1 - 1) \cdot x_i = -2 \cdot x_i

Imaginäres Trainingsbeispiel eines Single-Layer-Perzeptrons (SLP)

Nehmen wir an, dass x_1 = 0,5 ist und das SLP irrtümlicherweise die Klasse \^{y_1} = -1 ausgewiesen hat, obwohl die korrekte Klasse y_1 = +1 wäre. (Und die Schrittweite lassen wir bei \eta = 1,0)

Dann passiert folgendes:

\Delta w_1 = (\^{y}_1 - y_1) \cdot x_1 = (-1 - 1) \cdot 0,5 = -2,0 \cdot 0,5 = -1,0

Die Gewichtung w_1 verringert sich entsprechend w_1 = w_1 + \Delta w_1 = w_1 - 1,0 und somit wird die Wahrscheinlichkeit größer, dass wenn bei der nächsten Iteration (j=1) wieder die Klasse +1 korrekt sei,  den Schwellwert \phi(z) zu unterschreiten und auf eben diese korrekte Klasse zu stoßen.

Die Aktualisierung der Gewichtung \Delta w_i ist proportional zu x_i. So würde beispielsweise ein neues x_1=2,0 (bei Iteration j=2) zu einer irrtümlichen Klassifikation \^(y_2) = -1 (y_2 = +1) führen, würde die Entscheidungsgrenze zur korrekten Prädiktion der Klasse beim nächsten Durchlauf (j = 3) an w_1 noch weiter in die gleiche Richtung verschoben werden:

\Delta w_1 = (\^{y}_2 - y_2) \cdot x_1 = (-1 - 1) \cdot 2,0 = -2,0 \cdot 2,0 = -4,0

Mehr zum Training von künstlichen neuronalen Netzen ist im nächsten Artikel dieser Artikelserie zu erfahren.

Single-Layer-Perzeptrons (SLP) – Beispiel mit der boolischen Trennung

Verlassen wir nun das Training des Perzeptrons und gehen einfach mal davon aus, dass die idealen Gewichte schon gefunden wurden und schauen uns nun an, was ein Perzeptron alles (nicht) kann. Denn nicht vergessen, es soll eigentlich Klassen unterscheiden bzw. die dafür nötigen Entscheidungsgrenzen finden.

Boolische Operatoren unterscheiden Fälle nach boolischen Werten. Sie sind ein beliebtes “Hello World” für die Einarbeitung in die lineare Entscheidungslogik eines Perzeptrons. Es gibt drei grundlegende boolische Vergleichsoperatoren: AND, OR und XOR

  x1     x2   AND OR XOR
0 0 0 0 0
0 1 0 1 1
1 0 0 1 1
1 1 1 1 0

Ein Perzeptron zur Lösung dieser Aufgabe bräuchte also zwei Dimensionen (+ Bias): x_1 und x_2
Und es müsste Gewichtungen haben, die dafür sorgen, dass die Vorhersage entsprechend der Logik AND, OR oder XOR mit \^{y} = \phi(z) = \phi (w_0 \cdot 1 + w_1 \cdot x_1 + w_2 \cdot x_2) funktioniert.

Dabei ist es wichtig, dass wir auch phi \phi als Sprungfunktion definieren. Sie könnte beispielsweise so aussehen, dass sie auf den Wert \phi(z) = 1 springt, wenn z > 0 ist, ansonsten aber \phi(z) = 0 bleibt.

Das Netz und die Gewichtungen (w-Setup) könnten für die AND- und die OR-Logik so aussehen:

Die Gewichtungen funktionieren beim SLP problemlos, denn wir haben es mit linear trennbaren Problemen zutun:

Kleiner Test gefällig? So nehmen wir uns erstmal die AND-Logik vor:

  • Wenn x1 = 0 und x2 = 0 ist, gilt: z = -1,5 \cdot 1 + 1 \cdot 0 + 1 \cdot 0 = - 1,5,
    wie erhalten als Prädiktion \phi(z) = \phi(-1,5) = 0
  • Wenn x1 = 1 und x2 = 0 ist, gilt: z = -1,5 \cdot 1 + 1 \cdot 1 + 1 \cdot 0 = - 0,5,
    wie erhalten als Prädiktion \phi(z) = \phi(-0,5) = 0
  • Wenn x1 = 1 und x2 = 1 ist, gilt: z = -1,5 \cdot 1 + 1 \cdot 1 + 1 \cdot 1 = + 0,5,
    wie erhalten als Prädiktion \phi(z) = \phi(0,5) = 1

Scheint zu funktionieren!

Und dann die OR-Logik mit

  • Wenn x1 = 0 und x2 = 0 ist, gilt: z = -0,5 \cdot 1 + 1 \cdot 0 + 1 \cdot 0 = - 0,5,
    wie erhalten als Prädiktion \phi(z) = \phi(-0,5) = 0
  • Wenn x1 = 1 und x2 = 0 ist, gilt: z = -0,5 \cdot 1 + 1 \cdot 1 + 1 \cdot 0 = + 0,5,
    wie erhalten als Prädiktion \phi(z) = \phi(0,5) = 1
  • Wenn x1 = 1 und x2 = 1 ist, gilt: z = -0,5 \cdot 1 + 1 \cdot 1 + 1 \cdot 1 = + 1,5,
    wie erhalten als Prädiktion \phi(z) = \phi(1,5) = 1

Super! Jedoch stellt sich nun die Frage, wie das XOR-Problem zu lösen ist, denn das bedingt sowohl die Grenzen von AND als auch jene des OR-Operators.

Multi-Layer-Perzeptron (MLP) bzw. (Deep) Feed Forward (FF) Net

Denn ein XOR kann mathematisch auch so korrekt beschrieben werden: x_1 \text{ xor } x_2 = (x_1 \text{ and } \neg x_2) \text{ or } (\neg x_1 \text{ and } x_2)

Testen wir es aus!

  • Wenn x1 = 0 und x2 = 0 ist, gilt:
    z_1 = w_{10} \cdot 1 + w_{11} \cdot x1 + w_{12} \cdot  x2 = -0.5 \cdot 1 + 1,0 \cdot 0 - 1,0 \cdot 0 = -0,5 und somit \phi(z_1) = \phi(-0,5) = 0
    z_2 = w_{20} \cdot 1 + w_{21} \cdot x1 + w_{22} \cdot  x2 = -0.5 \cdot 1 - 1,0 \cdot 0 + 1,0 \cdot 0 = -0,5 und somit \phi(z_2) = \phi(-0,5) = 0
    z_3 = w_{30} \cdot 1 + w_{31} \cdot \phi(z_1) + w_{32} \cdot \phi(z_2) = -0,5 \cdot 1 + 1,0 \cdot 0 + 1,0 \cdot 0 = -0,5 und somit \phi(z_3) = \phi(-0,5) = 0
  • Wenn x1 = 1 und x2 = 0 ist, gilt:
    z_1 = w_{10} \cdot 1 + w_{11} \cdot x1 + w_{12} \cdot  x2 = -0.5 \cdot 1 + 1,0 \cdot 1 - 1,0 \cdot 0 = 0,5 und somit \phi(z_1) = \phi(0,5) = 1
    z_2 = w_{20} \cdot 1 + w_{21} \cdot x1 + w_{22} \cdot  x2 = -0.5 \cdot 1 - 1,0 \cdot 1 + 1,0 \cdot 0 = -1,5 und somit \phi(z_2) = \phi(-1,5) = 0
    z_3 = w_{30} \cdot 1 + w_{31} \cdot \phi(z_1) + w_{32} \cdot \phi(z_2) = -0,5 \cdot 1 + 1,0 \cdot 1 + 1,0 \cdot 0 = 0,5 und somit \phi(z_3) = \phi(0,5) = 1
  • Wenn x1 = 0 und x2 = 1 ist, gilt:
    z_1 = w_{10} \cdot 1 + w_{11} \cdot x1 + w_{12} \cdot  x2 = -0.5 \cdot 1 + 1,0 \cdot 0 - 1,0 \cdot 1 = -1,5 und somit \phi(z_1) = \phi(-1,5) = 0
    z_2 = w_{20} \cdot 1 + w_{21} \cdot x1 + w_{22} \cdot  x2 = -0.5 \cdot 1 - 1,0 \cdot 0 + 1,0 \cdot 1 = 0,5 und somit \phi(z_2) = \phi(0,5) = 1
    z_3 = w_{30} \cdot 1 + w_{31} \cdot \phi(z_1) + w_{32} \cdot \phi(z_2) = -0,5 \cdot 1 + 1,0 \cdot 0 + 1,0 \cdot 1 = 0,5 und somit \phi(z_3) = \phi(0,5) = 1
  • Wenn x1 = 1 und x2 = 1 ist, gilt:
    z_1 = w_{10} \cdot 1 + w_{11} \cdot x1 + w_{12} \cdot  x2 = -0.5 \cdot 1 + 1,0 \cdot 1 - 1,0 \cdot 1 = -1,5 und somit \phi(z_1) = \phi(-0,5) = 0
    z_2 = w_{20} \cdot 1 + w_{21} \cdot x1 + w_{22} \cdot  x2 = -0.5 \cdot 1 - 1,0 \cdot 1 + 1,0 \cdot 1 = 0,5 und somit \phi(z_2) = \phi(-0,5) = 0
    z_3 = w_{30} \cdot 1 + w_{31} \cdot \phi(z_1) + w_{32} \cdot \phi(z_2) = -0,5 \cdot 1 + 1,0 \cdot 0 + 1,0 \cdot 0 = -0,5 und somit \phi(z_3) = \phi(-0,5) = 0

Es funktioniert!

Mehrfachklassifikation mit dem Perzeptron

Ein Perzeptron-Netz klassifiziert binär, die Ausgabe beschränkt sich auf 1 oder -1 bzw. 0 oder 1.

Jedoch wird in der Praxis oftmals eine One-vs-All (OvA) bzw. One-vs-Rest (OvR) Klassifikation implementiert. In diesem Fall steht die 1 für die Erkennung einer konkreten Klasse, während alle anderen übrigen Klassen als negativ betrachtet werden.

Um jede Klasse erkennen zu können, werden n Klassifizierer (= n Perzeptron-Netze) benötigt. Jedes Perzeptron-Netz ist auf die Erkennung einer bestimmten Klasse trainiert.

Adaline – Oder: die Limitation des Perzeptrons

Das Perzeptron wird nur über eine Sprungfunktion aktiviert. Das schränkt die Feinabstimmung des Trainings enorm ein. Besser sind Aktivierungen über stetige Funktionen, die dann nämlich differenzierbar (ableitbar) sind. Das ergibt eine konvexe Fehlerfunktion mit einem eindeutigen Minimum. Der Adaline-Algorithmus (ADAptive Linear NEuron) erweitert die Idee des Perzeptrons um genau diese Idee. Der wesentliche Fortschritt der Adaline-Regel gegenüber der des Perzeptrons ist demnach, dass die Aktualisierung der Gewichtungen nicht wie beim Perzeptron auf einer einfachen Sprungfunktion, sondern auf einer linearen, stetigen Aktivierungsfunktion beruht.

Single-Layer-Adaline

Wie ein künstliches neuronales Netz mit der Kategorie Adaline trainiert werden kann, wird im nächsten Artikel dieser Artikelserie erläutert.

Weiterführende Netz-Konzepte (CNN und RNN)

Wer bereits mit Frameworks wie TensorFlow in das Deep Learning eingestiegen ist, hat möglicherweise schon erweiterte Konzepte der künstlichen neuronalen Netze kennen gelernt. Die CNNs (Convolutional Neuronal Network) sind im Moment die Wahl für die Verarbeitung von hochdimensionalen Aufgaben, beispielsweise die Bilderkennung (Computer Vision) und Texterkennung (NLP). Das CNN erweitert die Möglichkeiten mit neuronalen Netzen deutlich, indem ein Netz zur Dimensionsreduktion vorgeschaltet wird, im Kern steckt jedoch weiterhin die Idee der MLPs. Beim Einsatz in der Bilderkennung funktionieren CNNs vereinfacht gesprochen so, dass der vorgeschaltete Netzbereich die Millionen Bildpixel sektorweise ausliest (Convolution, Faltung durch Auslesen über Sektoren, die sich gegenseitig überlappen), verdichtet (Pooling, beispielsweise über nicht-lineare Funktionen wie max()) und dann – nach diesem Prozedere – ähnlich eim MLP klassifiziert.

 

Eine andere erweiterte Form sind RNNs (Recurrent Neuronal Network), die ebenfalls auf der Idee des MLPs basieren, dieses Konzept jedoch dank Rückverbindungen (Neuronen senden an vorherige Schichten) und Selbstverbindungen (Neuronen senden an sich selbst) wiederum auf den Kopf stellen.

 

Dennoch ist es für das tiefere Verständnis von CNNs und RNNs essenziell, dass vorher das Konzept des MLPs verstanden ist. Es ist die einfachste Form der auch heute noch am meisten eingesetzten und sehr mächtigen Netz-Topologien.

Im Jahr 2016 hatte Fjodor van Veen von asimovinstitute.org hatte – dankenswerterweise – mal eine Zusammenstellung von Netz-Topologien erstellt, auf die ich heute noch immer mal wieder einen Blick werfe:

Künstliche neuronale Netze – Topologie-Übersicht von Fjodor van Veen

Buchempfehlungen

Die folgenden Bücher nutze ich für mein Selbststudium von Machine Learning und Deep Learning und sind teilweise Gedankenvorlagen auch für diesen Artikel gewesen:

 

Machine Learning mit Python und Scikit-Learn und TensorFlow: Das umfassende Praxis-Handbuch für Data Science, Predictive Analytics und Deep Learning (mitp Professional) Deep Learning mit Python und Keras: Das Praxis-Handbuch vom Entwickler der Keras-Bibliothek(mitp Professional)

 

Interview – Die Bedeutung von Machine Learning für das Data Driven Business

Um das Optimum aus ihren Daten zu holen, müssen Unternehmen Data Analytics vorantreiben, um Entscheidungsprozesse für Innovation und Differenzierung stärker zu automatisieren. Die Data Science scheint hier der richtige Ansatz zu sein, ist aber ein neues und schnelllebiges Feld, das viele Sackgassen kennt. Cloudera Fast Forward Labs unterstützt Unternehmen dabei sich umzustrukturieren, Prozesse zu automatisieren und somit neue Innovationen zu schaffen.

Alice Albrecht ist Research Engineer bei Cloudera Fast Forward Labs. Dort widmet sie sich der Weiterentwicklung von Machine Learning und Künstlicher Intelligenz. Die Ergebnisse ihrer Forschungen nutzt sie, um ihren Kunden konkrete Ratschläge und funktionierende Prototypen anzubieten. Bevor sie zu Fast Forward Labs kam, arbeitete sie in Finanz- und Technologieunternehmen als Data Science Expertin und Produkt Managerin. Alice Albrecht konzentriert sich nicht nur darauf, Maschinen “coole Dinge” beizubringen, sondern setzt sich auch als Mentorin für andere Wissenschaftler ein. Während ihrer Promotion der kognitiven Neurowissenschaften in Yale untersuchte Alice, wie Menschen sensorische Informationen aus ihrer Umwelt verarbeiten und zusammenfassen.

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“Interview – The Importance of Machine Learning for the Data Driven Business”


Data Science Blog: Frau Albrecht, Sie sind eine bekannte Keynote-Referentin für Data Science und Künstliche Intelligenz. Während Data Science bereits im Alltag vieler Unternehmen angekommen ist, scheint Deep Learning der neueste Trend zu sein. Ist Künstliche Intelligenz für Unternehmen schon normal oder ein überbewerteter Hype?

Ich würde sagen, nichts von beidem stimmt. Data Science ist inzwischen zwar weit verbreitet, aber die Unternehmen haben immer noch Schwierigkeiten, diese neue Disziplin in ihr bestehendes Geschäft zu integrieren. Ich denke nicht, dass Deep Learning mittlerweile Teil des Business as usual ist – und das sollte es auch nicht sein. Wie jedes andere Tool, braucht auch die Integration von Deep Learning Modellen in die Strukturen eines Unternehmens eine klar definierte Vorgehensweise. Alles andere führt ins Chaos.

Data Science Blog: Nur um sicherzugehen, worüber wir reden: Was sind die Unterschiede und Überschneidungen zwischen Data Analytics, Data Science, Machine Learning, Deep Learning und Künstlicher Intelligenz?

Hier bei Cloudera Fast Forward Labs verstehen wir unter Data Analytics das Sammeln und Addieren von Daten – meist für schnelle Diagramme und Berichte. Data Science hingegen löst Geschäftsprobleme, indem sie sie analysiert, Prozesse mit den gesammelten Daten abgleicht und anschließend entsprechende Vorgänge prognostiziert. Beim Machine Learning geht es darum, Probleme mit neuartigen Feedbackschleifen zu lösen, die sich mit der Anzahl der zur Verfügung stehenden Daten noch detaillierter bearbeiten lassen. Deep Learning ist eine besondere Form des Machine Learnings und ist selbst kein eigenständiges Konzept oder Tool. Künstliche Intelligenz zapft etwas Komplizierteres an, als das, was wir heute sehen. Hier geht es um weit mehr als nur darum, Maschinen darauf zu trainieren, immer wieder dasselbe zu tun oder begrenzte Probleme zu lösen.

Data Science Blog: Und wie können wir hier den Kontext zu Big Data herstellen?

Theoretisch gesehen gibt es Data Science ja bereits seit Jahrzehnten. Die Bausteine für modernes Machine Learning, Deep Learning und Künstliche Intelligenz basieren auf mathematischen Theoremen, die bis in die 40er und 50er Jahre zurückreichen. Die Herausforderung bestand damals darin, dass Rechenleistung und Datenspeicherkapazität einfach zu teuer für die zu implementierenden Ansätze waren. Heute ist das anders. Nicht nur die Kosten für die Datenspeicherung sind erheblich gesunken, auch Open-Source-Technologien wie etwa Apache Hadoop haben es möglich gemacht, jedes Datenvolumen zu geringen Kosten zu speichern. Rechenleistung, Cloud-Lösungen und auch hoch spezialisierte Chip-Architekturen, sind jetzt auch auf Anfrage für einen bestimmten Zeitraum verfügbar. Die geringeren Kosten für Datenspeicherung und Rechenleistung sowie eine wachsende Liste von Tools und Ressourcen, die über die Open-Source-Community verfügbar sind, ermöglichen es Unternehmen jeder Größe, von sämtlichen Daten zu profitieren.

Data Science Blog: Was sind die Herausforderungen beim Einstieg in Data Science?

Ich sehe zwei große Herausforderungen: Eine davon ist die Sicherstellung der organisatorischen Ausrichtung auf Ergebnisse, die die Data Scientists liefern werden (und das Timing für diese Projekte).  Die zweite Hürde besteht darin, sicherzustellen, dass sie über die richtigen Daten verfügen, bevor sie mit dem Einstellen von Data Science Experten beginnen. Das kann “tricky” sein, wenn man im Unternehmen nicht bereits über Know-how in diesem Segment verfügt. Daher ist es manchmal besser, im ersten Schritt einen Data Engineer oder Data Strategist einzustellen, bevor man mit dem Aufbau eines Data Science Team beginnt.

Data Science Blog: Es gibt viele Diskussionen darüber, wie man ein datengesteuertes Unternehmen aufbauen kann. Geht es bei Data Science nur darum, am Ende das Kundenverhalten besser zu verstehen?

Nein “Data Driven” bedeutet nicht nur, die Kunden besser zu verstehen – obwohl das eine Möglichkeit ist, wie Data Science einem Unternehmen helfen kann. Abgesehen vom Aufbau einer Organisation, die sich auf Daten und Analysen stützt, um Entscheidungen über das Kundenverhalten oder andere Aspekte zu treffen, bedeutet es, dass Daten das Unternehmen und seine Produkte voranbringen.

Data Science Blog: Die Zahl der Technologien, Tools und Frameworks nimmt zu, was zu mehr Komplexität führt. Müssen Unternehmen immer auf dem Laufenden bleiben oder könnte es ebenso hilfreich sein, zu warten und Pioniere zu imitieren?

Obwohl es generell für Unternehmen nicht ratsam ist, pauschal jede neue Entwicklung zu übernehmen, ist es wichtig, dass sie mit den neuen Rahmenbedingungen Schritt halten. Wenn ein Unternehmen wartet, um zu sehen, was andere tun, und deshalb nicht in neue Entwicklungen investiert, haben sie den Anschluss meist schon verpasst.

Data Science Blog: Global Player verfügen meist über ein großes Budget für Forschung und den Aufbau von Data Labs. Mittelständische Unternehmen stehen immer unter dem Druck, den Break-Even schnell zu erreichen. Wie können wir die Wertschöpfung von Data Science beschleunigen?

Ein Team zu haben, das sich auf ein bestimmtes Set von Projekten konzentriert, die gut durchdacht und auf das Geschäft ausgerichtet sind, macht den Unterschied aus. Data Science und Machine Learning müssen nicht auf Forschung und Innovation verzichten, um Werte zu schaffen. Der größte Unterschied besteht darin, dass sich kleinere Teams stärker bewusst sein müssen, wie sich ihre Projektwahl in neue Rahmenbedingungen und ihre besonderen akuten und kurzfristigen Geschäftsanforderungen einfügt.

Data Science Blog: Wie hilft Cloudera Fast Forward Labs anderen Unternehmen, den Einstieg in Machine Learning zu beschleunigen?

Wir beraten Unternehmen, basierend auf ihren speziellen Bedürfnissen, über die neuesten Trends im Bereich Machine Learning und Data Science. Und wir zeigen ihnen, wie sie ihre Datenteams aufbauen und strukturieren können, um genau die Fähigkeiten zu entwickeln, die sie benötigen, um ihre Ziele zu erreichen.

Data Science Blog: Zum Schluss noch eine Frage an unsere jüngeren Leser, die eine Karriere als Datenexperte anstreben: Was macht einen guten Data Scientist aus? Arbeiten sie lieber mit introvertierten Coding-Nerds oder den Data-loving Business-Experten?

Ein guter Data Scientist sollte sehr neugierig sein und eine Liebe für die Art und Weise haben, wie Daten zu neuen Entdeckungen und Innovationen führen und die nächste Generation von Produkten antreiben können.  Menschen, die im Data Science Umfeld erfolgreich sind, kommen nicht nur aus der IT. Sie können aus allen möglichen Bereichen kommen und über die unterschiedlichsten Backgrounds verfügen.

Interview – The Importance of Machine Learning for the Data Driven Business

To become more data-driven, organizations must mature their analytics and automate more of their decision making processes for innovation and differentiation. Data science seems like the right approach, yet is a new and fast moving field that seems to have as many dead ends as it has high ways to value. Cloudera Fast Forward Labs, led by Hilary Mason, shows companies the way.

Alice Albrecht is a research engineer at Cloudera Fast Forward Labs.  She spends her days researching the latest and greatest in machine learning and artificial intelligence and bringing that knowledge to working prototypes and delivering concrete advice for clients.  Prior to joining Fast Forward Labs, Alice worked in both finance and technology companies as a practicing data scientist, data science leader, and – most recently – a data product manager.  In addition to teaching machines to do cool things, Alice is passionate about mentoring and helping others grow in their careers.  Alice holds a PhD from Yale in cognitive neuroscience where she studied how humans summarize sensory information from the world around them and the neural substrates that underlie those summaries.

Read this article in German:
“Interview – Die Bedeutung von Machine Learning für das Data Driven Business“

Data Science Blog: Ms. Albrecht, you are a well-known keynote speaker for data science and artificial intelligence. While data science has arrived business already, deep learning seems to be the new trend. Is artificial intelligence for business already normal business or is it an overrated hype?

I’d say it isn’t either of those two options.  Data science is now widely adopted but companies still struggle to integrate this new discipline into their existing businesses.  As for deep learning, it really depends on the company that’s looking into using this technique.  I wouldn’t say that deep learning is by any means part of business as usual- nor should it be.  It’s a tool like any other and building a capacity for using a tool without clearly defined business needs is a recipe for disaster.

Data Science Blog: Just to make sure what we are talking about: What are the differences and overlaps between data analytics, data science, machine learning, deep learning and artificial intelligence?

Here at Cloudera Fast Forward Labs, we like to think of data analytics as collecting data and counting things (mostly for quick charts and reports).  Data science solves business problems by counting cleverly and predicting things with the data that’s collected.  Machine learning is about solving problems with new kinds of feedback loops that improve with more data.  Deep learning is a particular type of machine learning and is not itself a separate concept or type of tool.  Artificial intelligence taps into something more complicated than what we’re seeing today – it’s much broader than training machines to repetitively do very specialized tasks or solve very narrow problems.

Data Science Blog: And how can we add the context to big data?

From a theoretical perspective, data science has been around for decades. The building blocks for modern day machine learning, deep learning and artificial intelligence are based on mathematical theorems  that go back to the 1940’s and 1950’s. The challenge was that at the time, compute power and data storage capacity were simply too expensive for the approaches to be implemented. Today that’s all changed.. Not only has the cost of data storage dropped considerably, open source technology like Apache Hadoop has made it possible to store any volume of data at costs approaching zero. Compute power, even highly specialised chip architectures, are now also available on demand and only for the time organisations need them through public and private cloud solutions. The decreased cost of both data storage and compute power, together with a growing list of tools and resources readily available via the open source community allows companies of any size to benefit from data (no matter that size of that data).

Data Science Blog: What are the challenges for organizations in getting started with data science?

I see two big challenges when getting started with data science.  One is ensuring that you have organizational alignment around exactly what type of work data scientists will deliver (and timing for those projects).  The second hurdle is around ensuring that you have the right data in place before you start hiring data scientists. This can be tricky if you don’t have in-house expertise in this area, so sometimes it’s better to hire a data engineer or a data strategist (or director of data science) before you ever get started building out a data science team.

Data Science Blog: There are many discussions about how to build a data-driven business. Is it just about using data science to get a better understanding of customer behavior?

No, being data driven doesn’t just mean better understanding your customers (though that is one way that data science can help in an organization).  Aside from building an organization that relies on data and analytics to help them make decisions (about customer behavior or otherwise), being a data-driven business means that data is powering your core products.

Data Science Blog: The number of technologies, tools and frameworks is increasing. For organizations this also means increasing complexity. Do companies need to stay always up-to-date or could it be an advice to wait and imitate pioneers later?

While it’s not critical (or advisable) for organizations to adopt every new advancement that comes along, it is critical for them to stay abreast of emerging frameworks.  If a business waits to see what others are doing, and therefore don’t invest in understanding how new advancements can affect their particular business, they’ve likely already missed the boat.

Data Science Blog: Global players have big budgets just for doing research and setting up data labs. Middle-sized companies need to see the break even point soon. How can we accelerate the value generation of data science?

Having a team that is highly focused on a specific set of projects that are well-scoped and aligned to the business makes all the difference.  Data science and machine learning don’t have to sacrifice doing research and being innovative in order to produce value.  The biggest difference is that smaller teams will have to be more aware of how their choice of project fits into emerging frameworks and their particular acute and near term business needs.

Data Science Blog: How does Cloudera Fast Forward Labs help other organizations to accelerate their start with machine learning?

We advise organizations, based on their particular needs, on what the latest advancements are in machine learning and data science, how to build and structure their data teams to develop the capabilities they need to meet their goals, and how to quickly implement custom forward-looking solutions using their own data and in-house expertise.

Data Science Blog: Finally, a question for our younger readers who are looking for a career as a data expert: What makes a good data scientist? Do you like to work with introverted coding nerds or the data loving business experts?

A good data scientists should be deeply curious and have a love for the ways in which data can lead to new discoveries and power the next generation of products.  We expect the people who thrive in this field to come from a variety of backgrounds and experiences.

Deep Learning and Human Intelligence – Part 1 of 2

Many people are under the impression that the new wave of data science, machine learning and/or digitalization is new, that it did not exist before. But its history is as long as the history of humanity and/or science itself.  The scientific discovery could hardly take place without the necessary data. Even the process of discovering the numbers included elements of machine learning: pattern recognition, comparison between different groups (ranking), clustering, etc. So what differentiates mathematical formulas from machine learning and how does it relate to artificial intelligence?

There is no difference between the two if seen from the perspective of formulas however, such a perspective limits the type of data to which they can be applied. Data stored via tables consist of structured data and are stored in so-called relational databases. The reason for such a data storage is the connection between different fields that assume a well-established structure in advance, such as a company’s sales or balance sheet. However, with the emergence of personal computers, many of the daily activities have been digitalized: music, pictures, movies, and so on. All this information is stored unrelated to other data and therefore called unstructured data.

IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV), 2015, DOI: 10.1109/ICCV.2015.428

Copyright: IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV), 2015, DOI: 10.1109/ICCV.2015.428

The essence of scientific discoveries was and will be structure. Not surprisingly, the mathematical formulas revolve around relations between variables – information, in general. For example, Galileo derived the law of falling balls from measuring the successive hight of a falling ball. The main difficulty was to obtain measurements at regular time intervals. What about if the data is not structured, which mathematical formula should be applied then? There is a distribution of people’s height, but no distribution for the pictures taken in all holidays for the last year, there is an amplitude for acoustic signals, but no function that detects the similarity between two songs. This is one of the reasons why machine learning focuses heavily on clustering and classification.

Roughly speaking, these simple examples are enough to categorize the difference between scientific discovery and machine learning. Science is about discovering relationships between different variables, Machine Learning tries to automatize processes. Every technical improvement is part of the automation, so why is everything different in this case? Because the current automation deals with human intelligence. The car automates the walking, the kitchen stove the fire, but Machine Learning parts of the human intelligence. There is a difference between the previous automation steps and those of human intelligence. All the previous ones are either outside the human body – such as Fire – or unconsciously executed (once learned) – walking, spinning, etc. The automation induced by Machine Learning affects a part of the human intelligence that we consciously perceive. Of course, today’s machine learning tools are unable to automate all human intelligence, but it is a fascinating step in that direction.

A breakthrough in Machine Learning tasks was achieved in 2012 when the first Deep Learning algorithm for detecting types of images, reached near-human accuracy. It could appreciate the likelihood that the image is a human face, a train, a ball or a fish without having “seen” the picture before. Such an algorithm can be used in various areas:  personally – facial recognition in pictures and/or social media – as tagging of images or videos, medicine – cancer detection, etc. For understanding such cutting-edge issues of classification, one cannot avoid understanding how Deep Learning works. To see the beauty of such algorithms and, at the same time, to be able to comprehend the difficulty of working with them, an example will be the best guide.

The building blocks of Deep Learning are neurons, operational units, which perform mathematical operations or logical operations like AND, OR, etc., and are modelled after the neurons in the brain. Already in the 1950’s two neuroscientist, Hubel and Wiesel, observed that not all neurons in the brain are responding in the same fashion to visual stimuli. Some responded only to horizontal lines, whereas others to vertical lines, with other words, the brain is constructed with specialized neurons. Groups of such neurons are called, in the Machine Learning community, layers. Like in the brain, neurons with different properties are clustered in different layers. This implies that layers have also specific properties and have to be arranged in a specific way, called architecture. It is this architecture which differentiates Deep Learning from Artificial Neuronal Networks (ANN are similar to a layer).

Unfortunately, scientists still haven’t figured out how the brain works, thus to discover how to train Deep Learning from data was not an easy task, and is also the reason why another example is used to explain the training of Deep Learning: the eye. One has always to remember: once it is known how Deep Learning works, it is simple to find example which illustrates the working mechanism.  For such an analogy, it is sufficient for someone without any knowledge about Deep Learning, to keep in mind only the elements that compose such architectures: input data, different layers of neurons, output layers, ReLu’s.

Input data are any type of information, in our example it is light. Of course, that Deep Learning is not limited only to images or videos, but also to sound and/or time series, which would imply that the example would be the ear and sound waves, or the brain and numbers.

Layers can be seen as cells in the eye. It is well known that the eye is formed of different layers connected to each other with each of them having different properties, functionalities. The same is true also for the layers of a Deep Learning architecture: one can see the neurons as cells of the layer as the tissue. While, mathematically, the neurons are nothing more than simple operations, usually linear weight functions, they can be seen as the properties of individual cells. Each layer has one weight matrix, which gives the neuron (and layer) specific properties depending on the data and the task at hand.

It is here that the architecture becomes very important. What Deep Learning offers is a default setting of the layers with unknown weights. One can see this as trying to build an eye knowing that there are different types of cells and different ways how tissues of such cells can be arranged, but not which cell exactly is needed (with what properties) and which arrangement of layers works best. Such an approach has the advantage that one is capable of building any type of organ desired, but the disadvantage is also very obvious: it is time consuming to find the appropriate cell properties and layers arrangements.

Still, the strategy of Deep Learning is a significant departure from the Machine Learning approaches. The performance of Machine Learning methods is as good as the features engineering performed by Data Scientists, and thus depending on the creativity of the Data Scientist. In the case of Deep Learning the engineers of the features is performed automatically as part of the model building. This is a huge improvement, as the only difficult task is to have enough data and computer power to find the right weights matrices. Such an endeavor was performed also by nature for the eye — and is also the reason why one can choose it as an example for Deep Learning — evolution. It is not surprising that Deep Learning is one of the best direction scientists have of Artificial Intelligence today.

The evolution of the eye can be seen, from the perspective of Data Scientists, as the continuous training of a Deep Learning architecture which enables to recognize and track one or more objects. The performance of the evolutional process can be summed up as the fine tuning of the cells which are getting more and more susceptible to light and the adaptation of layers to enable a better vision. Different animals in different environments and different targets — as the hawk and the fly — developed different eyes than humans, but they all work according to the same principle. The tasks that Deep Learning is performing today are similar, for example it can be used to drive cars but there is still a difference:  there is no connection to other organs. Deep Learning is not the approximation of an Artificial Organism, like an android, but a simplified Artificial Organ that can work on its own.

Returning to the working mechanism of the Deep Learning architecture, we can already follow the analogy of what happens if a ray of light is hitting the eye. Once the eye is fully adapted to the task, one can followed how the information enters the Deep Learning architecture (Artificial Eye) by penetrating the input layer. already here arises the question, what kind of eye is the best? One where a small source of light can reach as many neurons as possible, or the one where the light sources reaches only few neurons? In order to take such a decision, a last piece of the puzzle is required: ReLu. One can see them as synapses between neurons (cells) and/or similarly for tissue. By using continuous functions, such as the shape of the latter ‘S’ (called sigmoid), the information from one neuron will be distributed over a large number of other neurons. If one uses the maximum function, then only few neurons are updated with processed information from earlier layers.

Such sparse structures between neurons, was a major improvement in the development of the technique of training Deep Learning architectures. Again, it has a strong evolutionary analogy: energy efficiency. By needing less neurons, the tissues and architecture are both kept to a minimal size which enables flexibility in development and less energy. As the information is process by the different layers, the Artificial Eye is gathering more and more complex (non-linear) structures — the adapted features –, which help to decide, from past experience, what kind of object is detected.

This was part 1 of 2 of the article series. Part 2 will be published soon.

Machine Learning vs Deep Learning – Wo liegt der Unterschied?

Machine Learning gehört zu den Industrie-Trends dieser Jahre, da besteht kein Zweifel. Oder war es Deep Learning? Oder Artificial Intelligence? Worin liegt da eigentlich der Unterschied? Dies ist Artikel 1 von 5 der Artikelserie –Einstieg in Deep Learning.

Machine Learning

Maschinelles Lernen (ML) ist eine Sammlung von mathematischen Methoden der Mustererkennung. Diese Methoden erkennen Muster beispielsweise durch bestmögliche, auf eine bestmögliche Entropie gerichtete, Zerlegung von Datenbeständen in hierarchische Strukturen (Entscheidungsbäume). Oder über Vektoren werden Ähnlichkeiten zwischen Datensätzen ermittelt und daraus trainiert (z. B. k-nearest-Neighbour, nachfolgend einfach kurz: k-nN) oder untrainiert (z.B. k-Means) Muster erschlossen.

Algorithmen des maschinellen Lernens sind tatsächlich dazu in der Lage, viele alltägliche oder auch sehr spezielle Probleme zu lösen. In der Praxis eines Entwicklers für Machine Learning stellen sich jedoch häufig Probleme, wenn es entweder zu wenige Daten gibt oder wenn es zu viele Dimensionen der Daten gibt. Entropie-getriebene Lern-Algorithmen wie Entscheidungsbäume werden bei vielen Dimensionen zu komplex, und auf Vektorräumen basierende Algorithmen wie der k-nächste-Nachbarn-Algorithmus sind durch den Fluch der Dimensionalität in ihrer Leistung eingeschränkt.


Der Fluch der Dimensionalität

Datenpunkte sind in einem zwei-dimensionalen Raum gut vorstellbar und auch ist es vorstellbar, das wir einen solchen Raum (z. B. ein DIN-A5-Papierblatt) mit vielen Datenpunkten vollschreiben. Belassen wir es bei der Anzahl an Datenpunkten, nehmen jedoch weitere Dimensionen hinzu (zumindest die 3. Dimension können wir uns noch gut vorstellen), werden die Abstände zwischen den Punkten größer. n-dimensionale Räume können gewaltig groß sein, so dass Algorithmen wie der k-nN nicht mehr gut funktionieren (der n-dimensionale Raum ist einfach zu leer).


Auch wenn es einige Konzepte zum besseren Umgang mit vielen Dimensionen gibt (z. B. einige Ideen des Ensemble Learnings)

Feature Engineering

Um die Anzahl an Dimensionen zu reduzieren, bedienen sich Machine Learning Entwickler statistischer Methoden, um viele Dimensionen auf die (wahrscheinlich) nützlichsten zu reduzieren: sogenannte Features. Dieser Auswahlprozess nennt sich Feature Engineering und bedingt den sicheren Umgang mit Statistik sowie idealerweise auch etwas Fachkenntnisse des zu untersuchenden Fachgebiets.
Bei der Entwicklung von Machine Learning für den produktiven Einsatz arbeiten Data Scientists den Großteil ihrer Arbeitszeit nicht an der Feinjustierung ihrer Algorithmen des maschinellen Lernens, sondern mit der Auswahl passender Features.

Deep Learning

Deep Learning (DL) ist eine Disziplin des maschinellen Lernes unter Einsatz von künstlichen neuronalen Netzen. Während die Ideen für Entscheidungsbäume, k-nN oder k-Means aus einer gewissen mathematischen Logik heraus entwickelt wurden, gibt es für künstliche neuronale Netze ein Vorbild aus der Natur: Biologische neuronale Netze.

Prinzip-Darstellung eines künstlichen neuronalen Netzes mit zwei Hidden-Layern zwischen einer Eingabe- und Ausgabe-Schicht.

Wie künstliche neuronale Netze im Detail funktionieren, erläutern wir in den nächsten zwei Artikeln dieser Artikelserie, jedoch vorab schon mal so viel: Ein Eingabe-Vektor (eine Reihe von Dimensionen) stellt eine erste Schicht dar, die über weitere Schichten mit sogenannten Neuronen erweitert oder reduziert und über Gewichtungen abstrahiert wird, bis eine Ausgabeschicht erreicht wird, die einen Ausgabe-Vektor erzeugt (im Grunde ein Ergebnis-Schlüssel, der beispielsweise eine bestimmte Klasse ausweist: z. B. Katze oder Hund). Durch ein Training werden die Gewichte zwischen den Neuronen so angepasst, dass bestimmte Eingabe-Muster (z. B. Fotos von Haustieren) immer zu einem bestimmten Ausgabe-Muster führen (z. B. “Das Foto zeigt eine Katze”).

Der Vorteil von künstlichen neuronalen Netzen ist die sehr tiefgehende Abstraktion von Zusammenhängen zwischen Eingabe-Daten und zwischen den abstrahierten Neuronen-Werten mit den Ausgabe-Daten. Dies geschieht über mehrere Schichten (Layer) der Netze, die sehr spezielle Probleme lösen können. Aus diesen Tatsachen leitet sich der übergeordnete Name ab: Deep Learning

Deep Learning kommt dann zum Einsatz, wenn andere maschinelle Lernverfahren an Grenzen stoßen und auch dann, wenn auf ein separates Feature Engineering verzichtet werden muss, denn neuronale Netze können über mehrere Schichten viele Eingabe-Dimensionen von selbst auf die Features reduzieren, die für die korrekte Bestimmung der Ausgabe notwendig sind.

Convolutional Neuronal Network

Convolutional Neuronal Networks (CNN) sind neuronale Netze, die vor allem für die Klassifikation von Bilddaten verwendet werden. Sie sind im Kern klassische neuronale Netze, die jedoch eine Faltungs- und eine Pooling-Schicht vorgeschaltet haben. Die Faltungsschicht ließt den Daten-Input (z. B. ein Foto) mehrfach hintereinander, doch jeweils immer nur einen Ausschnitt daraus (bei Fotos dann einen Sektor des Fotos), die Pooling-Schicht reduzierte die Ausschnittsdaten (bei Fotos: Pixel) auf reduzierte Informationen. Daraufhin folgt das eigentliche neuronale Netz.

CNNs sind im Grunde eine spezialisierte Form von künstlichen neuronalen Netzen, die das Feature-Engineering noch geschickter handhaben.

Deep Autoencoder

Gegenwärtig sind die meisten künstlichen neuronalen Netze ein Algorithmen-Modell für das überwachte maschinelle Lernen (Klassifikation oder Regression), jedoch kommen sie auch zum unüberwachten Lernen (Clustering oder Dimensionsreduktion) zum Einsatz, die sogenannten Deep Autoencoder.

Deep Autoencoder sind neuronale Netze, die im ersten Schritt eine große Menge an Eingabe-Dimensionen auf vergleichsweise wenige Dimensionen reduzieren. Die Reduktion (Encoder) erfolgt nicht abrupt, sondern schrittweise über mehrere Schichten, die reduzierten Dimensionen werden zum Feature-Vektor. Daraufhin kommt der zweite Teil des neuronalen Netzes zum Einsatz: Die reduzierten Dimensionen werden über weitere Schichten wieder erweitert, die ursprünglichen Dimensionen als abstrakteres Modell wieder rekonstruiert (Decoder). Der Sinn von Deep Autoencodern sind abstrakte Ähnlichkeitsmodelle zu erstellen. Ein häufiges Einsatzgebiet sind beispielsweise das maschinelle Identifizieren von ähnlichen Bildern, Texten oder akkustischen Signalmustern.

Artificial Intelligence

Artificial Intelligence (AI) oder künstliche Intelligenz (KI) ist ein wissenschaftlicher Bereich, der das maschinelle Lernen beinhaltet, jedoch noch weitere Bereiche kennt, die für den Aufbau einer KI von Nöten sind. Eine künstliche Intelligenz muss nicht nur Lernen, sie muss auch Wissen effizient abspeichern, einordnen bzw. sortieren und abrufen können. Sie muss ferner über eine Logik verfügen, wie sie das Wissen und das Gelernte einsetzen muss. Denken wir an biologische Intelligenzen, ist es etwa nicht so, dass jegliche Fähigkeiten erlernt wurden, einige sind mit der Geburt bereits ausgebildet oder liegen als sogenannter Instinkt vor.

Ein einzelner Machine Learning Algorithmus würde wohl kaum einen Turing-Test bestehen oder einen Roboter komplexe Aufgaben bewältigen lassen. Daher muss eine künstliche Intelligenz weit mehr können, als bestimmte Dinge zu erlernen. Zum wissenschaftlichen Gebiet der künstlichen Intelligenz gehören zumindest:

  • Machine Learning (inkl. Deep Learning und Ensemble Learning)
  • Mathematische Logik
    • Aussagenlogik
    • Prädikatenlogik
    • Default-Logik
    • Modal-Logik
  • Wissensbasierte Systeme
    • relationale Algebra
    • Graphentheorie
  • Such- und Optimierungsverfahren:
    • Gradientenverfahren
    • Breitensuche & Tiefensuche

AI(ML(DL))

Buch-Empfehlungen

Grundkurs Künstliche Intelligenz: Eine praxisorientierte Einführung (Computational Intelligence) Praxiseinstieg Deep Learning: Mit Python, Caffe, TensorFlow und Spark eigene Deep-Learning-Anwendungen erstellen

Machine Learning: Online vs Offline

Das ist Artikel 4 von 4 aus der Artikelserie – Was ist eigentlich Machine Learning?

Die Begriffe online und offline sind mit vielen Bedeutungen versehen und so ist – wie bei vielen Unterscheidungsmöglichkeiten des maschinellen Lernens – die Verwirrung vorprogrammiert. Diese Unterscheidung betrifft die Trainingsphasen der parametrischen Verfahren des maschinellen Lernens.

Offline Learning

Mit Offline Learning ist nicht gemeint, dass der Algorithmus nicht ans Internet angebunden ist, sondern dass es sich bei der Trainingsprozedure um eine Stapelverarbeitung handelt. Daher wird manchmal auch vom Batch Learning gesprochen. Beim Batch Learning werden die Parameter bzw. das Modell erst angepasst, nachdem der gesamte Batch (Stapel an Datensätzen) das Training durchlaufen hat. Die gewöhnliche Gradientenmethode als ein Optimierungsverfahren ist das Gradientenabstiegsverfahren als Stapelverarbeitung. Dabei wird der Gradient, der die Richtung für die Anpassung der Gewichtungen der Funktionsparameter vorgibt, anhand der gesamten Trainingsdatenmenge berechnet.

Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass das Training als Prozess sehr schnell läuft und die Funktionsparameter direkt aus dem gesamten Datenbestand heraus bestimmt werden.

Demgegenüber steht der Nachteil, dass der ganze Stapel in den Arbeitsspeicher geladen werden muss, was eine entsprechend leistungsfähige Hardware voraussetzt. Soll das Lern-System für das Training live an einer Datenquelle (z. B. ein Data Stream aus dem Social Media) angebunden werden, müssen die Daten erstmal gespeichert werden (Bildung des Stapels), bevor sie verarbeitet und dann verworfen werden können, was den dafür nötigen Speicherplatz bedingt.

Online Learning

Beim Online-Learning wird nicht über einen Stapel (Batch) trainiert, sondern jeder einzelne Datensatz (aus einer großen Menge an Datensätzen oder live hinzugefügte Datensätze) wird dem Training einzeln hinzugefügt, trainiert und umgehend in eine Parameteranpassung (Modellanpassung) umgesetzt. Dies lässt sich beispielsweise mit der stochastischen Gradientenmethode realsieren, die iterativ arbeiten und den Gradienten zur Gewichtungsanpassung für jeden einzelnen Datensatz bestimmt, statt einen ganzen Batch zu verarbeiten und daraus einen Fehler zu berechnen. Online-Learning ist ein inkrementell arbeitendes Lernen, welches das Modell kontinuierlich – nämlich nach jedem Datensatz (Sample) – anpasst.

Die Optimierung läuft somit – wenn auf eine große Datenmenge angewendet wird – natürlich langsamer und ist eher nicht geeignet, wenn ein Training schnell verlaufen muss oder eine große Datenmenge die Hardware sowieso schon auslastet. Dafür wird das Modell beim Online-Learning in Echtzeit trainiert, wenn neue Daten zur Verfügung stehen. Neu hinzugefügte Daten fließen sofort ins Modell ein, so kann ein Lern-System als ein Live-System gleich auf Änderungen reagieren und die Trainingsdaten wieder verworfen werden (da sie bereits ins Training eingeflossen sind).

Mini-Batch-Verfahren

Während beim Online Learning alle Datensätze einzeln durchgegangen werden (dauert lange) und beim Offline Learning der gesamte Stapel an Datensätzen durchgearbeitet wird (viel Speicherplatzbedarf), ist der sogenannte Mini-Batch der Mittelweg. Wie der Name bereits andeutet, wird ein kleinerer Stapel (z. B. 50 Datensätze) gesammelt und verarbeitet.

Einstieg in Deep Learning – Artikelserie

Deep Learning gilt als ein Teilgebiet des maschinellen Lernens (Machine Learning), welches wiederum ein Teilgebiet der künstlichen Intelligenz (Artificial Intelligence) ist. Machine Learning umfasst alle (teilweise äußerst unterschiedliche) Methoden der Klassifikation oder Regression, die die Maschine über ein vom Menschen begleitetes Training selbst erlernt. Darüber hinaus umfasst Machine Learning auch unüberwachte Methoden zum Data Mining in besonders großen und vielfältigen Datenmengen.

Deep Learning ist eine Unterform des maschinellen Lernens und macht im Grunde nichts anderes: Es geht um antrainierte Klassifikation oder Regression. Seltener werden Deep Learning Algorithmen auch als unüberwachter Lernenmechanismus verwendet, zum Lernen von Rauschen zur Erkennung von Mustern (Data Mining). Deep Learning bezeichnet den Einsatz von künstlichen neuronalen Netzen, die gegenüber anderen Verfahren des maschinellen Lernens häufig überlegen sind und diesen gegenüber auch andere Vor- und Nachteile besitzen.

Im Rahmen dieser Artikelserie erscheinen im Laufe der kommenden Monate folgende Artikel:

  1. Machine Learning vs Deep Learning – Wo liegt der Unterschied?
  2. Funktionsweise künstlicher neuronaler Netze
  3. Training von künstlichen neuronalen Netzen (erscheint demnächst)
  4. Künstliches neuronales Netz in Python (erscheint demnächst)
  5. Künstliches neuronales Netz mit dem TensorFlow-Framework (erscheint demnächst)

Buchempfehlungen

Seit 2016 arbeite ich mich in Deep Learning ein und biete auch Seminare und Workshops zu Machine Learning und Deep Learning an, dafür habe ich eine ausführliche Einarbeitung und ein immer wieder neu auflebendes Literaturstudium hinter mir. Unter Anderen habe ich folgende Bücher für mein Selbststudium verwendet und nutze ich auch Auszugsweise für meine Lehre:


Praxiseinstieg Machine Learning mit Scikit-Learn und TensorFlow: Konzepte, Tools und Techniken für intelligente Systeme (Animals)

Neuronale Netze selbst programmieren: Ein verständlicher Einstieg mit Python

Praxiseinstieg Deep Learning: Mit Python, Caffe, TensorFlow und Spark eigene Deep-Learning-Anwendungen erstellen

Machine Learning mit Python und Scikit-Learn und TensorFlow: Das umfassende Praxis-Handbuch für Data Science, Predictive Analytics und Deep Learning (mitp Professional)

 

Maschinelles Lernen: Klassifikation vs Regression

Das ist Artikel 2 von 4 aus der Artikelserie – Was ist eigentlich Machine Learning? Die Unterscheidung zwischen Klassifikation und Regression ist ein wichtiger Schritt für das Verständnis von Predictive Analytics. Nun möchte ich eine Erklärung liefern, die den Unterschied (hoffentlich) deutlich macht.

Regression – Die Vorhersage von stetigen Werten

Wir suchen bei der Regression demnach eine Funktion y = \alpha \cdot x + \beta, die unsere Punktwolke – mit der wir uns zutrauen, Vorhersagen über die abhängige Variable vornehmen zu können – möglichst gut beschreibt. Dabei ist y der Zielwert (abhängige Variable) und x der Eingabewert. Wir arbeiten also in einer zwei-dimensionalen Welt. Variablen, die die Funktion mathematisch definieren, werden oft als griechische Buchstaben darsgestellt. Die Variable \alpha (Alpha) ist der y-Achsenschnitt bei x = 0. Dieser wird als Bias, selten auch als Default-Wert, bezeichnet. Der Bias ist also der Wert, wenn die x-Eingabe gleich Null ist. Eine weitere Variable \beta (Beta) beschreibt die Steigung.

Ferner ist zu beachten, dass sich eine Punktwolke durch eine Gerade nie perfekt beschreiben lässt, und daher für jedes x_{i} ein Fehler \varepsilon_{i} existiert. Diesen Fehler wollen wir in diesem Artikel ignorieren.

In einem zwei-dimensionalen System (eine Eingabe und eine Ausgabe) sprechen wir von einer einfachen Regression. Generalisieren wir die Regressionsmethode auf ein multivariates System (mehr als eine Eingabe-Variable), werden die Variablen in der Regel nicht mehr als griechische Buchstaben (denn auch das griechische Alphabet ist endlich) dargestellt, sondern wir nehmen eines abstrahierende Darstellung über Gewichtungen (weights). Dies ist eine sehr treffende Symbolisierungen, denn sowohl der Bias (w_{0} statt \alpha) als auch die Steigungen (w_{1\ldots n}) sind nichts anderes als Gewichtungen zwischen den Eingaben.

    \[y = w_{0} \cdot x_{0} + w_{1} \cdot x_{1} + \ldots + w_{n} \cdot x_{n}\]

y ist eine Summe aus den jeweiligen Produkten aus x_{i} und w_{i}. Verkürzt ausgedrückt:

    \[y = \sum_{i=0}^n w_{i} \cdot x_{i}\]

Noch kürzer ausgedrückt:

    \[y = w^T \cdot x\]

Anmerkung: Das hochgestellte T steht für Transponieren, eine Notation aus der linearen Algebra, die im Ergebnis nichts anderes bewirkt als y = \sum_{i=0}^n w_{i} \cdot x_{i}.

Diese mathematische lineare Funktion kann wie folgt abgebildet werden:

Der Output ist gleich y bzw. die Ausgabe der Nettoeingabe (Net Sum) w^T \cdot x. Auf der linken Seite finden wir alle Eingabewerte, wobei der erste Wert statisch mit 1.0 belegt ist, nur für den Zweck, den Bias (w_{0}) in der Nettoeingabe aufrecht zu erhalten. Im Falle einer einfachen linearen Regression hätten wir also eine Funktion mit zwei Gewichten: y = 1 \cdot w_{0} + x \cdot w_{1}

Das Modell beschreibt, wie aus einer Reihe von Eingabewerten (n = Anzahl an x-Dimensionen) und einer Reihe von Gewichtungen (n + 1) eine Funktion entsteht, die einen y-Wert berechnet. Diese Berechnung wird auch als Forward-Propagation bezeichnet.
Doch welche Werte brauchen wir für die Gewichtungen, damit bei gegebenen x-Werten ein (mehr oder weniger) korrekter y-Wert berechnet wird? Anders gefragt, wie schaffen wir es, dass die Forward-Propagation die richtigen Werte ausspuckt?

Mit einem Training via Backpropagation!


Einfache Erklärung der Backpropagation

Die Backpropagation ist ein Optimierungsverfahren, unter Einsatz der Gradientenmethode, den Fehler einer Forward-Propagation zu berechnen und die Gewichtungen in Gegenrichtung des Fehlers anzupassen. Optimiert wird in der Form, dass der Fehler minimiert wird. Es ist ein iteratives Verfahren, bei dem mit jedem Iterationsschritt wieder eine Forward-Propagation auf Basis von Trainingsdaten durchgeführt wird und die Prädiktionsergebnisse mit den vorgegebenen Ergebnissen (der gekennzeichneten Trainingsdaten) verglichen und damit die Fehler berechnet werden. Die resultierende Fehlerfunktion ist konvex, ableitbar und hat ein zentrales globales Minimum. Dieses Minimum finden wir durch diese iterative Vorgehensweise.


Die Backpropagation zu erklären, erfordert einen separaten Artikel. Merken wir uns einfach: Die Backpropagation nutzt eine Fehlerfunktion, um die Werte der Gewichtungen schrittweise entgegen des Fehlers (bei jeder Forward-Propagation) bis zu einem Punkt anzupassen, bis keine wesentliche Verbesserung (Reduzierung des Fehlers) mehr eintritt. Nach dem Vollzug der Backpropagation erhalten wir die “richtigen” Gewichtungen und haben eine Funktion zur Vorhersage von y-Werten bei Eingabe neuer x-Werte.

Klassifikation – Die Vorhersage von Gruppenzugehörigkeiten

Bei der Klassifikation möchten wir jedoch keine Gerade oder Kurve vorhersagen, die sich durch eine Punktwolke legt, sondern wie möchten Punktwolken voneinander als Klassen unterscheiden, um später hinzukommende Punkte ihren richtigen Klassen zuweisen zu können (Klassifikation). Wir können jedoch auf dem vorherigen Modell der Prädiktion von stetigen Werten aufbauen und auch die Backpropagation zum Training einsetzen, möchten das Training dann jedoch auf die Trennung der Punktwolken ausrichten.

Hinweis: Regressions- und Klassifikationsherausforderungen werden in den Dimensionen unterschiedlich dargestellt. Zur Veranschaulichung: Während wir bei der einfachen Regression eine x-Eingabe als unabhängige Variable und eine y-Ausgabe als abhängige Variable haben, haben wir bei einer zwei-dimensionalen Klassifikation zwei x-Dimensionen als Eingabe. Die Klassen sind die y-Ausgabe (hier als Farben visualisiert).

Ergänzen wir das Modell nun um eine Aktivierungsfunktion, dass die stetigen Werte der Nettosumme über eine Funktion in Klassen unterteilt, erhalten wir einen Klassifikator: Den Perceptron-Klassifikator. Das Perzeptron gilt als der einfachste Klassifikator und ist bereits die kleinste Form eines künstlichen neuronalen Netzes. Es funktioniert nur bei linearer Trennbarkeit der Klassen.

Was soll die Aktivierungsfunktion bewirken? Wir berechnen wieder eine Nettoeingabe w^T \cdot x, die uns stetige Werte ausgiebt. Wir haben also immer noch unsere Gewichtungen, die wir trainieren können. Nun trainieren wir nur nicht auf eine “korrekte” stetige Ausgabe der Nettoeingabe hin, sondern auf eine korrekte Ausgabe der Aktivierungsfunktion \phi (Phi), die uns die stetigen Werte der Nettoeingabe in einen binären Wert (z. B. 0 oder 1) umwandelt. Das Perzeptron ist die kleinste Form des künstlichen neuronalen Netzes und funktioniert wie der lineare Regressor, jedoch ergänzt um eine Aktivierungsfunktion die bewirken soll, dass ein Neuron (hier: der einzelne Output) “feuert” oder nicht “feuert”.  Es ist ein binärer Klassifikator, der beispielsweise die Wertebereiche -1 oder +1 annehmen kann.

Das Perceptron verwendet die einfachste Form der Aktivierungsfunktion: Eine Sprungfunktion, die einer einfachen if… else… Anweisung gleich kommt.

    \[ y = \phi(w^T \cdot x) = \left\{ \begin{array}{12} 1  &  w^T \cdot x > 0\\ -1 & \text{otherwise} \end{array} \]

Fazit – Unterschied zwischen Klassifikation und Regression

Mathematisch müssen sich Regression und Klassifikation gar nicht all zu sehr voneinander unterscheiden. Viele Verfahren der Klassifikation lassen sich mit nur wenig Anpassung auch zur Regression anwenden, oder umgekehrt. Künstliche neuronale Netze, k-nächste-Nachbarn und Entscheidungsbäume sind gute Beispiele, die in der Praxis sowohl für Klassifkation als auch für Regression eingesetzt werden, natürlich mit unterschiedlichen Stärken und Schwächen.

Unterschiedlich ist jedoch der Zweck der Anwendung: Bei der Regression möchten wir stetige Werte vorhersagen (z. B. Temperatur der Maschine), bei der Klassifikation hingegen Klassen unterscheiden (z. B. Maschine überhitzt oder überhitzt nicht).

Unterschiede zwischen linearer und nicht-linearer Klassifikation und linearer und nicht-linearer Regression. Für Einsteiger in diese Thematik ist beachten, dass jede maschinell erlernte Klassifikation und Regression einen gewissen Fehler hat, der unter Betrachtung der Trainings- und Testdaten zu minimieren ist, jedoch nie ganz verschwindet.

Und Clustering?

Clustering ist eine Disziplin des unüberwachten Lernens, um Gruppen von Klassen bzw. Grenzen dieser Klassen innerhalb von unbekannten Daten zu finden. Es ist im Prinzip eine untrainierte Klassifikation zum Zwecke des Data Minings. Clustering gehört auch zum maschinellen Lernen, ist aber kein Predictive Analytics. Da keine – mit dem gewünschten Ergebnis vorliegende – Trainingsdaten vorliegen, kann auch kein Training über eine Backpropagation erfolgen. Clustering ist folglich eine schwache Klassifikation, die mit den trainingsbasierten Klassifikationsverfahren nicht funktioniert.

Ensemble Learning

Stellen Sie sich vor, Sie haben die Frage Ihres Lebens vor sich. Die korrekte Beantwortung dieser Frage wird Ihr Leben positiv beeinflussen, andernfalls negativ. Aber Sie haben Glück: Sie dürfen einen Experten, den Sie auswählen dürfen, um Rat fragen oder Sie dürfen eine annonyme Gruppe, sagen wir 1.000 Personen, um Rat fragen. Welchen Rat würden Sie sich einholen? Die einzelne Experten-Meinung oder die aggriegierte Antwort einer ganzen Gruppe von Menschen?
Oder wie wäre es mit einer Gruppe von Experten?

Ensemble Learning

Beim Einsatz eines maschinellen Lernalgorithmus auf ein bestimmtes Problem kann durchaus eine angemessene Präzision (Accuracy, eine Quote an Prädiktionsergebnissen, die als korrekt einzustufen sind) erzielt werden, doch oftmals reicht die Verlässlichkeit eines einzelnen Algorithmus nicht aus. Algorithmen können mit unterschiedlichen Parametern verwendet werden, die sich bei bestimmten Daten-Situationen verschieden auswirken. Bestimmte Algorithmen neigen zur Unteranpassung (Underfitting), andere zur Überanpassung (Overfitting).

Soll Machine Learning für den produktiven Einsatz mit bestmöglicher Zuverlässigkeit entwickelt und eingesetzt werden, kommt sinnvollerweise Ensemble Learning zum Einsatz. Beim Ensemble Learning wird ein Ensemble (Kollektiv von Prädiktoren) gebildet um ein Ensemble Average (Kollektivmittelwert) zu bilden. Sollte also beispielsweise einige Klassifizierer bei bestimmten Daten-Eingaben in ihren Ergebnissen ausreißen, steuern andere Klassifizierer dagegen. Ensemble Learning kommt somit in der Hoffnung zum Einsatz, dass eine Gruppe von Algorithmen ein besseres Ergebnis im Mittel erzeugen als es ein einzelner Algorithmus könnte.

Ich spreche nachfolgend bevorzugt von Klassifizierern, jedoch kommt Ensemble Learning auch bei der Regression zum Einsatz.

Voting Classifiers (bzw. Voting Regressors)

Eine häufige Form – und i.d.R. auch als erstes Beispiel eines Ensemble Learners – ist das Prinzip der Voting Classifiers. Das Prinzip der Voting Classifiers ist eine äußerst leicht nachvollziehbare Idee des Ensemble Learnings und daher vermutlich auch eine der bekanntesten Form der Kollektivmittelwert-Bildung. Gleich vorweg: Ja, es gibt auch Voting Regressors, jedoch ist dies ein Konzept, das nicht ganz ohne umfassendere Aggregation auf oberster Ebene auskommen wird, daher wäre für die Zwecke der akkurateren Regression eher das Stacking (siehe unten) sinnvoll.

Eine häufige Frage im Data Science ist, welcher Klassifizierer für bestimmte Zwecke die besseren sind: Entscheidungsbäume, Support-Vector-Machines, k-nächste-Nachbarn oder logistische Regressionen?

Warum nicht einfach alle nutzen? In der Tat wird genau das nicht selten praktiziert. Das Ziel dieser Form des Ensemble Learnings ist leicht zu erkennen: Die unterschiedlichen Schwächen aller Algorithmen sollen sich – so die Hoffnung – gegenseitig aufheben. Alle Algorithmen (dabei können auch mehrere gleiche Algorithmen mit jedoch jeweils unterschiedlichen Paramtern gemeint sein, z. B. mehrere knN-Klassifizierer mit unterschiedlichen k-Werten und Dimensionsgewichtungen) werden auf dasselbe Problem hin trainiert.

Stacking

Bei der Prädiktion werden entweder alle Klassifizierer gleich behandelt oder unterschiedlich gewichtet (wobei größere Unterschiede der Gewichtungen unüblich, und vermutlich auch nicht sinnvoll, sind). Entsprechend einer Ensemble-Regel werden die Ergebnisse aller Klassifizierer aggregiert, bei Klassifikation durch eine Mehrheitsentscheidung, bei Regression meistens durch Durchschnittsbildung oder (beim Stacking) durch einen weiteren Regressor.

Abgesehen davon, dass wir mit dem Ensemble-Klassifizierer bzw. Regressoren vermutlich bessere Ergebnisse haben werden, haben wir nun auch eine weitere Information hinzubekommen: Eine Entropie über die Wahrscheinlichkeit. Bestenfalls haben alle Klassifizierer die gleiche Vorhersage berechnet, schlechtestensfalls haben wir ein Unentschieden. So können wir Vorhersagen in ihrer Aussagekraft bewerten. Analog kann bei Regressionen die Varianz der Ergebnisse herangezogen werden, um das Ergebnis in seiner Aussagekraft zu bewerten.

Betrachtung im Kontext von: Eine Kette ist nur so stark, wie ihr schwächstes Glied

Oft heißt es, dass Ensemble Learning zwar bessere Ergebnisse hervorbringt, als der schwächste Klassifizier in der Gruppe, aber auch schlechtere als der beste Klassifizierer. Ist Ensemble Learning also nur ein Akt der Ratlosigkeit, welcher Klassifizierer eigentlich der bessere wäre?

Ja und nein. Ensemble Learning wird tatsächlich in der Praxis dazu verwendet, einzelne Schwächen abzufangen und auch Ausreißer-Verhalten auf bisher andersartiger Daten abzuschwächen. Es ist ferner jedoch so, dass Ensemble Learner mit vielen Klassifizieren sogar bessere Vorhersagen liefern kann, als der beste Klassifizierer im Programm.

Das liegt an dem Gesetz der großen Zahlen, dass anhand eines Beispiels verdeutlicht werden kann: Bei einem (ausbalanzierten) Münzwurf liegt die Wahrscheinlichkeit bei genau 50,00% dafür, Kopf oder Zahl zu erhalten. Werfe ich die Münze beispielsweise zehn Mal, erhalte ich aber vielleicht drei Mal Kopf und sieben mal Zahl. Werfe ich sie 100 Mal, erhalte ich vielleicht 61 Mal Kopf und 39 Mal Zahl. Selbst nur 20 Mal die Zahl zu erhalten, wäre bei nur 100 Würfen gar nicht weit weg von unwahrscheinlich. Würde ich die Münze jedoch 10.000 Male werfen, würde ich den 50% schon sehr annähern, bei 10 Millionen Würfen wird sich die Verteilung ganz sicher als Gleichverteilung mit 50,0x% für Kopf oder Zahl einpendeln.

Nun stellt man sich (etwas überspitzt, da analog zu den Wünzwürfen) nun einen Ensemble Learner mit einer Gruppe von 10.000 Klassifiziern vor. Und angenommen, jeder einzelne Klassifizierer ist enorm schwach, denn eine richtige Vorhersage trifft nur mit einer Präzision von 51% zu (also kaum mehr als Glücksspiel), dann würde jedoch die Mehrheit der 10.000 Klassifizierer (nämlich 51%) richtig liegen und die Mehrheitsentscheidung in den absolut überwiegenden Fällen die korrekte Vorhersage treffen.

Was hingehen in diesem Kontext zutrifft: Prädiktionen via Ensemble Learning sind zwangsläufig langsam. Durch Parallelisierung der Klassifikation kann natürlich viel Zeit eingespart werden, dann ist das Ensemble Learning jedoch mindestens immer noch so langsam, wie der langsamste Klassifizierer.

Bagging

Ein Argument gegen den Einsatz von gänzlich verschiedenen Algortihmen ist, dass ein solcher Ensemble Learner nur schwer zu verstehen und einzuschätzen ist (übrigens ein generelles Problem im maschinellen Lernen). Bereits ein einzelner Algorithmus (z. B. Support Vector Machine) kann nach jedem Training alleine auf Basis der jeweils ausgewählten Daten (zum Training und zum Testen) recht unterschiedlich in seiner Vorhersage ausfallen.

Bagging (kurze Form von Bootstrap Aggregation) ist ein Ensemble Learning Prinzip, bei dem grundsätzlich der gleiche Algorithmus parallel mit unterschiedlichen Aufteilungen der Daten trainiert (und natürlich getestet) wird. Die Aufteilung der Daten kann dabei komplett (der vollständige Datensatz wird verteilt und verwendet) oder auch nur über Stichproben erfolgen (dann gibt es mehrfach verwendete Datenpunkte, aber auch solche, die überhaupt nicht verwendet werden). Das Ziel ist dabei insbesondere, im Endergebnis Unter- und Überanpassung zu vermeiden. Gibt es viele Dichte-Cluster und Ausreißer in den Daten, wird nicht jeder Klassifizierer sich diesen angepasst haben können. Jede Instanz der Klassifizierer erhält weitgehend unterschiedliche Daten mit eigenen Ausreißern und Dichte-Clustern, dabei darf es durchaus Überschneidungen bei der Datenaufteilung geben.

Pasting

Pasting ist fast genau wie Bagging, nur mit dem kleinen aber feinen Unterschied, dass sich die Datenaufteilung nicht überschneiden darf. Wird ein Datenpunkt durch Zufallsauswahl einem Klassifizierer zugewiesen, wird er nicht mehr für einen anderen Klassifizierer verwendet. Über die Trainingsdaten des einen Klassifizierers verfügt demnach kein anderer Klassifizierer. Die Klassifizierer sind somit völlig unabhängig voneinander trainiert, was manchmal explizit gewollt sein kann. Pasting setzt natürlich voraus, dass genug Daten vorhanden sind. Diese Voraussetzung ist gleichermaßen auch eine Antwort auf viele Probleme: Wie können große Datenmengen schnell verarbeitet werden? Durch die Aufteilung ohne Überschneidung auf parallele Knoten.

Random Forest

Random Forests sollten an dieser Stelle im Text eigentlich nicht stehen, denn sie sind ein Beispiel des parallelen Ensembles bzw. des Voting Classifiers mit Entscheidungsbäumen (Decision Trees). Random Forests möchte ich an dieser Stelle dennoch ansprechen, denn sie sind eine äußerst gängige Anwendung des Baggings oder (seltener) auch des Pastings für Entscheidungsbaumverfahren. Die Datenmenge wird durch Zufall aufgeteilt und aus jeder Aufteilung heraus wird ein Entscheidungsbaum erstellt. Eine Mehrheitsentscheidung der Klassifikationen aller Bäume ist das Ensemble Learning des Random Forests.

Random Forest ist ein Verfahren der Klassifikation oder Regression, das bereits so üblich ist, dass es mittlerweile längst in (fast) allen Machine Learning Bibliotheken implemeniert ist und – dank dieser Implementierung – in der Anwendung nicht komplizierter, als ein einzelner Entscheidungsbaum.

Stacking

Stacking ist eine Erweiterung des Voting Classifiers oder Voting Regressors um eine höhere Ebene (Blending-Level), die die beste Aggregation der Einzel-Ergebnisse erlernt. An der Spitze steht beim Stacking (mindestens) ein weiterer Klassifikator oder Regressor

Stacking ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Ergebnisse der einzelnen Algorithmen sehr unterschiedlich ausfallen können, was bei der Regression – da stetige Werte statt wenige Klassen – nahezu immer der Fall ist. Stacking-Algorithmen können sogar mehrere Schichten umfassen, was ihr Training wesentlich schwieriger gestaltet.

Boosting (Sequential Ensemble Learning)

Bagging, Pasting und Stacking sind parallele Verfahren des Ensemble Learning (was nicht bedeutet, dass die parallel dargestellten Algorithmen in der Praxis nicht doch sequenziell abgearbeitet werden). Zwangsweise sequenziell durchgeführt wird hingegen das Boosting, bei dem wir schwache Klassifizierer bzw. Regressoren durch Iteration in ihrem Training verstärken wollen. Boosting kann somit als eine Alternative zum Deep Learning gesehen werden. Während beim Deep Learning ein starker Algorithmus durch ein mehrschichtiges künstliches neuronales Netz dafür entworfen und trainiert wird, um ein komplexes Problem zu lösen (beispielsweise Testerkennung [OCR]), können derartige Herausforderungen auch mit schwächeren Klassifikatoren unter Einsatz von Boosting realisiert werden.

Boosting bezieht sich allein auf das Training und ist aus einer Not heraus entstanden: Wie bekommen wir bessere Prädiktionen mit einem eigentlich schwachen Lernalgorithmus, der tendenziell Unteranpassung erzeugt? Boosting ist eine Antwort auf Herausforderungen der Klassifikation oder Regression, bei der ein Algorithmus iterativ, also in mehreren Durchläufen, durch Anpassung von Gewichten trainiert wird.

Eines der bekanntesten Boosting-Verfahren ist AdaBoost. Der erste Schritt ist ein normales Training. Beim darauffolgenden Testen zeigen sich Klassifikations-/Regressionsfehler. Die fehlerhaft vorhergesagten Datenpunkte werden dann für einen nächsten Durchlauf höher gewichtet. Diese Iteration läuft einige Male, bis die Fehlerquote sich nicht mehr verbessert.

Bei AdaBoost werden falsch vorhergesagte Datensätze im jeweils nächsten Durchlauf höher gewichtet. Bei einem alternativen Boosing-Verfahren, dem Gradient Boosting (auf Basis der Gradientenmethode), werden Gewichtungen explizit in Gegenrichtung des Prädiktionsfehlers angepasst.

Was beispielsweise beim Voting Classifier der Random Forest ist, bei dem mehrere Entscheidungsbäume parallel arbeiten, sind das Äquvivalent beim Boosting die Gradient Boosted Trees, bei denen jeder Baum nur einen Teil der Daten akkurat beschreiben kann, die sequentielle Verschachtelung der Bäume jedoch auch herausfordernde Klassifikationen meistert.

Um bei dem Beispiel der Entscheidungsbäume zu bleiben: Sowohl Random Forests als auch Gradient Boosted Trees arbeiten grundsätzlich mit flachen Bäumen (schwache Klassifikatoren). Gradient Boosted Trees können durch die iterative Verstärkung generell eine höhere Präzision der Prädiktion erreichen als Random Forests, wenn die Feature- und Parameter-Auswahl bereits zu Anfang sinnvoll ist. Random Forests sind hingegen wiederum robuster bei der Feature- und Parameter-Auswahl, verstärken sich jedoch nicht gegenseitig, sondern sind in ihrem Endergebnis so gut, wie die Mehrheit der Bäume.

Buchempfehlungen

Mehr zum Thema Machine Learning und Ensemble Learning gewünscht? Folgende zwei Buchempfehlungen bieten nicht nur Erklärungen, sondern demonstrieren Ensemble Learning auch mit Beispiel-Code mit Python Scikit-Learn.

Hands-On Machine Learning with Scikit-Learn and TensorFlow: Concepts, Tools, and Techniques for Building Intelligent Systems Machine Learning mit Python: Das Praxis-Handbuch für Data Science, Predictive Analytics und Deep Learning (mitp Professional)