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Buzzword Bingo: Data Science – Teil II

July 8, 2022/in Artificial Intelligence, Big Data, Business Analytics, Data Engineering, Data Mining, Data Science, Deep Learning, Insights, Machine Learning, Main Category/by Julius Meier

Im ersten Teil unserer Serie „Buzzword Bingo: Data Science“ widmeten wir uns den Begriffen Künstliche Intelligenz, Algorithmen und Maschinelles Lernen. Nun geht es hier im zweiten Teil weiter mit der Begriffsklärung dreier weiterer Begriffe aus dem Data Science-Umfeld.

Buzzword Bingo: Data Science – Teil II: Big Data, Predictive Analytics & Internet of Things

Im zweiten Teil unserer dreiteiligen Reihe „Buzzword Bingo Data Science“ beschäftigen wir uns mit den Begriffen „Big Data“, „Predictive Analytics“ und „Internet of Things“.

Big Data

Interaktionen auf Internetseiten und in Webshops, Likes, Shares und Kommentare in Social Media, Nutzungsdaten aus Streamingdiensten wie Netflix und Spotify, von mobilen Endgeräten wie Smartphones oder Fitnesstrackern aufgezeichnete Bewegungsdate oder Zahlungsaktivitäten mit der Kreditkarte: Wir alle produzieren in unserem Leben alltäglich immense Datenmengen.

Im Zusammenhang mit künstlicher Intelligenz wird dabei häufig von „Big Data“ gesprochen. Und weil es in der öffentlichen Diskussion um Daten häufig um personenbezogene Daten geht, ist der Begriff Big Data oft eher negativ konnotiert. Dabei ist Big Data eigentlich ein völlig wertfreier Begriff. Im Wesentlichen müssen drei Faktoren erfüllt werden, damit Daten als „big“ gelten. Da die drei Fachbegriffe im Englischen alle mit einem „V“ beginnen, wird häufig auch von den drei V der Big Data gesprochen.

Doch welche Eigenschaften sind dies?

Volume (Datenmenge): Unter Big Data werden Daten(-mengen) verstanden, die zu groß sind, um sie mit klassischen Methoden zu bearbeiten, weil beispielsweise ein einzelner Computer nicht in der Läge wäre, diese Datenmenge zu verarbeiten.
Velocity (Geschwindigkeit der Datenerfassung und -verarbeitung): Unter Big Data werden Daten(-mengen) verstanden, die in einer sehr hohen Geschwindigkeit generiert werden und dementsprechend auch in einer hohen Geschwindigkeit ausgewertet und weiterverarbeitet werden müssen, um Aktualität zu gewährleisten.
Variety (Datenkomplexität oder Datenvielfalt): Unter Big Data werden Daten(-mengen) verstanden, die so komplex sind, dass auf den ersten Blick keine Zusammenhänge erkennbar sind. Diese Zusammenhänge können erst mit speziellen maschinellen Lernverfahren aufgedeckt werden. Dazu gehört auch, dass ein Großteil aller Daten in unstrukturierten Formaten wie Texten, Bildern oder Videos abgespeichert ist.

Häufig werden neben diesen drei V auch weitere Faktoren aufgezählt, welche Big Data definieren. Dazu gehören Variability (Schwankungen, d.h. die Bedeutung von Daten kann sich verändern), Veracity (Wahrhaftigkeit, d.h. Big Data muss gründlich auf die Korrektheit der Daten geprüft werden), Visualization (Visualisierungen helfen, um komplexe Zusammenhänge in großen Datensets aufzudecken) und Value (Wert, d.h. die Auswertung von Big Data sollte immer mit einem unternehmerischen Vorteil einhergehen).

Predictive Analytics

Heute schon die Verkaufszahlen von morgen kennen, sodass eine rechtzeitige Nachbestellung knapper Produkte möglich ist?
Bereits am Donnerstagabend die Regenwahrscheinlichkeit für das kommende Wochenende kennen, sodass passende Kleidung für den Kurztrip gepackt werden kann?
Frühzeitig vor bevorstehenden Maschinenausfällen gewarnt werden, sodass die passenden Ersatzteile bestellt und das benötigte technische Personal angefragt werden kann?

Als Königsdisziplin der Data Science gilt für viele die genaue Vorhersage zukünftiger Zustände oder Ereignisse. Im Englischen wird dann von „Predictive Analytics“ gesprochen. Diese Methoden werden in vielen verschiedenen Branchen und Anwendungsfeldern genutzt. Die Prognose von Absatzzahlen, die Wettervorhersage oder Predictive Maintenance (engl. für vorausschauende Wartung) von Maschinen und Anlagen sind nur drei mögliche Beispiele.

Zu beachten ist allerdings, dass Predictive-Analytics-Modelle keine Wahrsagerei sind. Die Vorhersage zukünftiger Ereignisse beruht immer auf historischen Daten. Das bedeutet, dass maschinelle Modelle mit Methoden des überwachten maschinellen Lernens darauf trainiert werden, Zusammenhänge zwischen vielen verschiedenen Eingangseigenschaften und einer vorherzusagenden Ausgangseigenschaft zu erkennen. Im Falle der Predicitve Maintenance könnten solche Eingangseigenschaften beispielsweise das Alter einer Produktionsmaschine, der Zeitraum seit der letzten Wartung, die Umgebungstemperatur, die Produktionsgeschwindigkeit und viele weitere sein. In den historischen Daten könnte ein Algorithmus nun untersuchen, ob diese Eingangseigenschaften einen Zusammenhang damit aufweisen, ob die Maschine innerhalb der kommenden 7 Tage ausfallen wird. Hierfür muss zunächst eine ausreichend große Menge an Daten zur Verfügung stehen. Wenn ein vorherzusagendes Ereignis in der Vergangenheit nur sehr selten aufgetreten ist, dann stehen auch nur wenige Daten zur Verfügung, um dasselbe Ereignis für die Zukunft vorherzusagen. Sobald der Algorithmus einen entsprechenden Zusammenhang identifiziert hat, kann dieses trainierte maschinelle Modell nun verwendet werden, um zukünftige Maschinenausfälle rechtzeitig vorherzusagen.

Natürlich müssen solche Modelle dauerhaft darauf geprüft werden, ob sie die Realität immer noch so gut abbilden, wie zu dem Zeitpunkt, zu dem sie trainiert worden sind. Wenn sich nämlich die Umweltparameter ändern, das heißt, wenn Faktoren auftreten, die zum Trainingszeitpunkt noch nicht bekannt waren, dann muss auch das maschinelle Modell neu trainiert werden. Für unser Beispiel könnte dies bedeuten, dass wenn die Maschine für die Produktion eines neuen Produktes eingesetzt wird, auch für dieses neue Produkt zunächst geprüft werden müsste, ob die in der Vergangenheit gefundenen Zusammenhänge immer noch Bestand haben.

Internet of Things

Selbstfahrende Autos, smarte Kühlschränke, Heizungssysteme und Glühbirnen, Fitnesstracker und vieles mehr: das Buzzword „Internet of Things“ (häufig als IoT abgekürzt) beschreibt den Trend, nicht nur Computer über Netzwerke miteinander zu verbinden, sondern auch verschiedene alltägliche Objekte mit in diese Netzwerke aufzunehmen. Seinen Anfang genommen hat dieser Trend in erster Linie im Bereich der Unterhaltungselektronik. In vielen Haushalten sind schon seit Jahren Fernseher, Computer, Spielekonsole und Drucker über das Heimnetzwerk miteinander verbunden und lassen sich per Smartphone bedienen.

Damit ist das IoT natürlich eng verbunden mit Big Data, denn all diese Geräte produzieren nicht nur ständig Daten, sondern sie sind auch auf Informationen sowie auf Daten von anderen Geräten angewiesen, um zu funktionieren.

Die führende Fachkonferenz für Machine Learning

October 15, 2020/in Data Science News, Recommendations/by events

Seien Sie dabei, wenn sich am 16. bis 17. November 2020 Anwender, Entscheider und Experten von Predictive Analytics und Machine Learning virtual treffen, um sich über die neuesten Erkenntnisse und Fortschritte zu informieren.

Vom Data Lab zu Data Ops

Die Zeit des Experimentierens ist vorbei. Unternehmen erwarten, dass ihre Data Labs das liefern, was ihnen der KI-Hype versprochen hat: mehr Kunden, höhere Umsätze, effizientere Prozesse und vieles mehr. Doch viele Projekte stecken in der PoC-Falle fest: sie funktionieren als Prototyp – aber nicht im realen Betrieb. Aus der Data Science muss eine Data Industry werden: wir müssen selbst lernen, effizienter und effektiver zu werden – und zwar darin die wirklich kritischen Herausforderungen im Unternehmen zu identifizieren, die passenden Lösungsideen zu entwickeln, die Ideen schnell in funktionierende Modelle zu übersetzen, aus den Modellen skalierbare Lösungen zu entwickeln und schließlich dafür zu sorgen, dass diese Lösungen von den Fachbereichen gewinnbringend genutzt werden. Dies verlangt ein neues Selbstverständnis: wir sind nicht das Experimentierlabor der Unternehmen – sondern deren Maschinenraum: Data Ops statt Data Labs.

Predictive Analytics für die Finanz- & Versicherungsbranche

Auf der diesjährigen Konferenz starten wir ein neues Format: eine Vortragsreihe für angewandte Predictive Analytics in der Finanz- und Versicherungsbranche. Dieser eintägige Track zeigt Ihnen die wichtigsten Anwendungsfälle von Machine & Deep Learning für Banken, Versicherungen, Investoren und Fonds auf, indem er Ihnen reale Projekte von bekannten Unternehmen vorstellt. Sie erfahren, wie Sie Datenschutz- und Regulierungsprobleme lösen, Ihre Datenbestände mit Data Governance und Datenstrategie verwalten und verwerten sowie mit Data Science & Analytics erfolgreiche Datenprodukte entwickeln und betreiben.

Lassen Sie sich wertvolle Tipps und Tricks von erfahrenen Experten aus namhaften Unternehmen nicht entgehen!

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Sechs Eigenschaften einer modernen Business Intelligence

July 10, 2020/in Artificial Intelligence, Business Analytics, Business Intelligence, Data Mining, Data Science, Data Science News, Data Warehousing, Database, Gerneral, Insights, Main Category, Predictive Analytics, Process Mining/by Benjamin Aunkofer

Völlig unabhängig von der Branche, in der Sie tätig sind, benötigen Sie Informationssysteme, die Ihre geschäftlichen Daten auswerten, um Ihnen Entscheidungsgrundlagen zu liefern. Diese Systeme werden gemeinläufig als sogenannte Business Intelligence (BI) bezeichnet. Tatsächlich leiden die meisten BI-Systeme an Mängeln, die abstellbar sind. Darüber hinaus kann moderne BI Entscheidungen teilweise automatisieren und umfassende Analysen bei hoher Flexibilität in der Nutzung ermöglichen.

Read this article in English:
“Six properties of modern Business Intelligence”

Lassen Sie uns die sechs Eigenschaften besprechen, die moderne Business Intelligence auszeichnet, die Berücksichtigungen von technischen Kniffen im Detail bedeuten, jedoch immer im Kontext einer großen Vision für die eigene Unternehmen-BI stehen:

1. Einheitliche Datenbasis von hoher Qualität (Single Source of Truth)

Sicherlich kennt jeder Geschäftsführer die Situation, dass sich seine Manager nicht einig sind, wie viele Kosten und Umsätze tatsächlich im Detail entstehen und wie die Margen pro Kategorie genau aussehen. Und wenn doch, stehen diese Information oft erst Monate zu spät zur Verfügung.

In jedem Unternehmen sind täglich hunderte oder gar tausende Entscheidungen auf operative Ebene zu treffen, die bei guter Informationslage in der Masse sehr viel fundierter getroffen werden können und somit Umsätze steigern und Kosten sparen. Demgegenüber stehen jedoch viele Quellsysteme aus der unternehmensinternen IT-Systemlandschaft sowie weitere externe Datenquellen. Die Informationsbeschaffung und -konsolidierung nimmt oft ganze Mitarbeitergruppen in Anspruch und bietet viel Raum für menschliche Fehler.

Ein System, das zumindest die relevantesten Daten zur Geschäftssteuerung zur richtigen Zeit in guter Qualität in einer Trusted Data Zone als Single Source of Truth (SPOT) zur Verfügung stellt. SPOT ist das Kernstück moderner Business Intelligence.

Darüber hinaus dürfen auch weitere Daten über die BI verfügbar gemacht werden, die z. B. für qualifizierte Analysen und Data Scientists nützlich sein können. Die besonders vertrauenswürdige Zone ist jedoch für alle Entscheider diejenige, über die sich alle Entscheider unternehmensweit synchronisieren können.

2. Flexible Nutzung durch unterschiedliche Stakeholder

Auch wenn alle Mitarbeiter unternehmensweit auf zentrale, vertrauenswürdige Daten zugreifen können sollen, schließt das bei einer cleveren Architektur nicht aus, dass sowohl jede Abteilung ihre eigenen Sichten auf diese Daten erhält, als auch, dass sogar jeder einzelne, hierfür qualifizierte Mitarbeiter seine eigene Sicht auf Daten erhalten und sich diese sogar selbst erstellen kann.

Viele BI-Systeme scheitern an der unternehmensweiten Akzeptanz, da bestimmte Abteilungen oder fachlich-definierte Mitarbeitergruppen aus der BI weitgehend ausgeschlossen werden.

Moderne BI-Systeme ermöglichen Sichten und die dafür notwendige Datenintegration für alle Stakeholder im Unternehmen, die auf Informationen angewiesen sind und profitieren gleichermaßen von dem SPOT-Ansatz.

3. Effiziente Möglichkeiten zur Erweiterung (Time to Market)

Bei den Kernbenutzern eines BI-Systems stellt sich die Unzufriedenheit vor allem dann ein, wenn der Ausbau oder auch die teilweise Neugestaltung des Informationssystems einen langen Atem voraussetzt. Historisch gewachsene, falsch ausgelegte und nicht besonders wandlungsfähige BI-Systeme beschäftigen nicht selten eine ganze Mannschaft an IT-Mitarbeitern und Tickets mit Anfragen zu Änderungswünschen.

Gute BI versteht sich als Service für die Stakeholder mit kurzer Time to Market. Die richtige Ausgestaltung, Auswahl von Software und der Implementierung von Datenflüssen/-modellen sorgt für wesentlich kürzere Entwicklungs- und Implementierungszeiten für Verbesserungen und neue Features.

Des Weiteren ist nicht nur die Technik, sondern auch die Wahl der Organisationsform entscheidend, inklusive der Ausgestaltung der Rollen und Verantwortlichkeiten – von der technischen Systemanbindung über die Datenbereitstellung und -aufbereitung bis zur Analyse und dem Support für die Endbenutzer.

4. Integrierte Fähigkeiten für Data Science und AI

Business Intelligence und Data Science werden oftmals als getrennt voneinander betrachtet und geführt. Zum einen, weil Data Scientists vielfach nur ungern mit – aus ihrer Sicht – langweiligen Datenmodellen und vorbereiteten Daten arbeiten möchten. Und zum anderen, weil die BI in der Regel bereits als traditionelles System im Unternehmen etabliert ist, trotz der vielen Kinderkrankheiten, die BI noch heute hat.

Data Science, häufig auch als Advanced Analytics bezeichnet, befasst sich mit dem tiefen Eintauchen in Daten über explorative Statistik und Methoden des Data Mining (unüberwachtes maschinelles Lernen) sowie mit Predictive Analytics (überwachtes maschinelles Lernen). Deep Learning ist ein Teilbereich des maschinellen Lernens (Machine Learning) und wird ebenfalls für Data Mining oder Predictvie Analytics angewendet. Bei Machine Learning handelt es sich um einen Teilbereich der Artificial Intelligence (AI).

In der Zukunft werden BI und Data Science bzw. AI weiter zusammenwachsen, denn spätestens nach der Inbetriebnahme fließen die Prädiktionsergebnisse und auch deren Modelle wieder in die Business Intelligence zurück. Vermutlich wird sich die BI zur ABI (Artificial Business Intelligence) weiterentwickeln. Jedoch schon heute setzen viele Unternehmen Data Mining und Predictive Analytics im Unternehmen ein und setzen dabei auf einheitliche oder unterschiedliche Plattformen mit oder ohne Integration zur BI.

Moderne BI-Systeme bieten dabei auch Data Scientists eine Plattform, um auf qualitativ hochwertige sowie auf granularere Rohdaten zugreifen zu können.

5. Ausreichend hohe Performance

Vermutlich werden die meisten Leser dieser sechs Punkte schon einmal Erfahrung mit langsamer BI gemacht haben. So dauert das Laden eines täglich zu nutzenden Reports in vielen klassischen BI-Systemen mehrere Minuten. Wenn sich das Laden eines Dashboards mit einer kleinen Kaffee-Pause kombinieren lässt, mag das hin und wieder für bestimmte Berichte noch hinnehmbar sein. Spätestens jedoch bei der häufigen Nutzung sind lange Ladezeiten und unzuverlässige Reports nicht mehr hinnehmbar.

Ein Grund für mangelhafte Performance ist die Hardware, die sich unter Einsatz von Cloud-Systemen bereits beinahe linear skalierbar an höhere Datenmengen und mehr Analysekomplexität anpassen lässt. Der Einsatz von Cloud ermöglicht auch die modulartige Trennung von Speicher und Rechenleistung von den Daten und Applikationen und ist damit grundsätzlich zu empfehlen, jedoch nicht für alle Unternehmen unbedingt die richtige Wahl und muss zur Unternehmensphilosophie passen.

Tatsächlich ist die Performance nicht nur von der Hardware abhängig, auch die richtige Auswahl an Software und die richtige Wahl der Gestaltung von Datenmodellen und Datenflüssen spielt eine noch viel entscheidender Rolle. Denn während sich Hardware relativ einfach wechseln oder aufrüsten lässt, ist ein Wechsel der Architektur mit sehr viel mehr Aufwand und BI-Kompetenz verbunden. Dabei zwingen unpassende Datenmodelle oder Datenflüsse ganz sicher auch die neueste Hardware in maximaler Konfiguration in die Knie.

6. Kosteneffizienter Einsatz und Fazit

Professionelle Cloud-Systeme, die für BI-Systeme eingesetzt werden können, bieten Gesamtkostenrechner an, beispielsweise Microsoft Azure, Amazon Web Services und Google Cloud. Mit diesen Rechnern – unter Einweisung eines erfahrenen BI-Experten – können nicht nur Kosten für die Nutzung von Hardware abgeschätzt, sondern auch Ideen zur Kostenoptimierung kalkuliert werden. Dennoch ist die Cloud immer noch nicht für jedes Unternehmen die richtige Lösung und klassische Kalkulationen für On-Premise-Lösungen sind notwendig und zudem besser planbar als Kosten für die Cloud.

Kosteneffizienz lässt sich übrigens auch mit einer guten Auswahl der passenden Software steigern. Denn proprietäre Lösungen sind an unterschiedliche Lizenzmodelle gebunden und können nur über Anwendungsszenarien miteinander verglichen werden. Davon abgesehen gibt es jedoch auch gute Open Source Lösungen, die weitgehend kostenfrei genutzt werden dürfen und für viele Anwendungsfälle ohne Abstriche einsetzbar sind.

Die Total Cost of Ownership (TCO) gehören zum BI-Management mit dazu und sollten stets im Fokus sein. Falsch wäre es jedoch, die Kosten einer BI nur nach der Kosten für Hardware und Software zu bewerten. Ein wesentlicher Teil der Kosteneffizienz ist komplementär mit den Aspekten für die Performance des BI-Systems, denn suboptimale Architekturen arbeiten verschwenderisch und benötigen mehr und teurere Hardware als sauber abgestimmte Architekturen. Die Herstellung der zentralen Datenbereitstellung in adäquater Qualität kann viele unnötige Prozesse der Datenaufbereitung ersparen und viele flexible Analysemöglichkeiten auch redundante Systeme direkt unnötig machen und somit zu Einsparungen führen.

In jedem Fall ist ein BI für Unternehmen mit vielen operativen Prozessen grundsätzlich immer günstiger als kein BI zu haben. Heutzutage könnte für ein Unternehmen nichts teurer sein, als nur nach Bauchgefühl gesteuert zu werden, denn der Markt tut es nicht und bietet sehr viel Transparenz.

Dennoch sind bestehende BI-Architekturen hin und wieder zu hinterfragen. Bei genauerem Hinsehen mit BI-Expertise ist die Kosteneffizienz und Datentransparenz häufig möglich.

Predictive Analytics World 2019

September 18, 2019/in Data Science News, Events, Recommendations/by events

Maschinelles Lernen: Klassifikation vs Regression

December 20, 2017/in Artificial Intelligence, Business Analytics, Data Mining, Data Science, Deep Learning, Machine Learning, Main Category, Mathematics, Predictive Analytics/by Benjamin Aunkofer

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 $y = \beta \cdot x + \alpha$ , 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.

Einstieg in das Maschinelle Lernen mit Python(x,y)

January 30, 2017/in Artificial Intelligence, Business Analytics, Business Intelligence, Data Mining, Data Science, Data Science Hack, Data Warehousing, Machine Learning, Predictive Analytics, Python, Statistics/by Christoph Gresch

Python(x,y) ist eine Python-Distribution, die speziell für wissenschaftliche Arbeiten entwickelt wurde. Es umfasst neben der Programmiersprache auch die Entwicklungsumgebung Spyder und eine Reihe integrierter Python-Bibliotheken. Mithilfe von Python(x,y) kann eine Vielzahl von Interessensbereichen bearbeitet werden. Dazu zählen unter anderem Bildverarbeitung oder auch das maschinelle Lernen. Das All-in-One-Setup für Python(x,y) ist für alle gängigen Betriebssysteme online erhältlich. Read more

Wahrscheinlichkeitsverteilungen – Zentralen Grenzwertsatz verstehen mit Pyhton

December 15, 2016/in Business Analytics, Data Mining, Data Science, Data Science Hack, Python, Python, Statistics, Tutorial/by Benjamin Aunkofer

Wahrscheinlichkeitsverteilung sind im Data Science ein wichtiges Handwerkszeug. Während in der Mathevorlesung die Dynamik dieser Verteilungen nur durch wildes Tafelgekritzel schwierig erlebbar zu machen ist, können wir mit Programmierkenntnissen (in diesem Fall wieder mit Python) eine kleine Testumgebung für solche Verteilungen erstellen, um ein Gefühl dafür zu entwickeln, wie unterschiedlich diese auf verschiedene Wahrscheinlichkeitswerte, Varianz und Mengen an Datenpunkten reagieren und wann sie untereinander annäherungsweise ersetzbar sind – der zentrale Grenzwertsatz. Den Schwerpunkt lege ich in diesem Artikel auf die Binominal- und Normalverteilung.

Für die folgenden Beispiele werden folgende Python-Bibliotheken benötigt:

import matplotlib.pyplot as pyplot
import random as random
import math as math

Wahrscheinlichkeitesrechnung – Grundstein für Predictive Analytics

November 11, 2015/in Data Science, Mathematik, Predictive Analytics, Statistics/by Benjamin Aunkofer

Die Wahrscheinlichkeitsrechnung behandelt die Gesetzmäßigkeiten des (von außen betrachtet) zufälligen Vorkommens bestimmter Ereignisse aus einer vorgegebenen Ereignismenge. Die mathematische Statistik fasst diese Wahrscheinlichkeitsrechnung zur Stochastik zusammen, der Mathematik des Zufalls.

Mit diesem Artikel – zu der ich eine Serie plane – möchte ich den Einstieg in Predictive Analytics wagen, zugegebenermaßen ein Themengebiet, in dem man sich sehr schnell verlieren und den Wald vor lauter Bäumen nicht mehr findet. Also belassen wir es erstmal bei einem sanften Einstieg…

Klassische Definition der Wahrscheinlichkeit

Das klassische Verständnis der Wahrscheinlichkeit geht von endlich vielen Ausgängen (Ereignisse) aus, bei denen alle Ausgänge gleich wahrscheinlich sind. Die dafür erdachten Zufallsexperimente wurden von dem französischen Mathematiker Pierre Simon Lapplace (1749 – 1827) zum ersten Mal nachvollziehbar beschrieben. Diese Zufallsexperimente werden daher auch Laplace-Experimente genannt.

Bei einem Laplace Experiment gilt:

Ereignismenge $Omega = {omega_1,omega_2,omega_3,…omega_s}$
Wahrscheinlichkeit $p(w_j)=frac{1}{s}=frac{1}{|Omega|}$
$(j=1,2,3,…s)$

Die Ergebnismenge, das ist die Menge aller möglichen Ereignisse, wird in der Regel mit einem $Omega$ (Omega) gekennzeichnet, ein beliebiges Einzelereignis hingegen als $omega$ (kleines Omega).

Eine typische Laplace-Wahrscheinlichkeitsfrage ist ein bevorstehender Würfelwurf. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, mit einem echten (unverfälschten) Würfel eine gerade Zahl zu würfeln?

Mit $Omega={1,2,3,4,5,6}$ und $A={2,4,6}$ folgt $P(A)=frac{|A|}{|Omega|}=frac{3}{6}=0,5$ .

Axiomatische Definition der Wahrscheinlichkeit

Jeder Wahrscheinlichkeitsbegriff muss auf denselben äußeren Bedingungen beruhenden Zufallsexperimenten beliebig oft wiederholbar sein. Die axiomatische Definition der Wahrscheinlichkeit P(A) eines Ereignisses A berücksichtigt Axiome. Axiome sind nicht beweisbare Grundpostulate, darunter fallen Gegebenheiten, die gewissermaßen unverstanden sind und deren Vorkommen und Bedeutung in der Regel empirisch belegt werden müssen.
Die Definition der axiomatischen Wahrscheinlichkeit stammt vom russischen Mathematiker Andrej Nikollajewitsch Kolmogorov (1903 – 1987).

In der Realität gibt es keine perfekte Zufälligkeit, denn jedes Ergebnis ist von ganz bestimmten Faktoren abhängig. Auf den Würfelwurf bezogen, hängt das gewürfelte Ergebnis von unüberschaubar vielen Faktoren ab. Wären diese alle bekannt, könnte das Ergebnis exakt berechnet und somit mit einer Sicherheit vorhergesagt werden. Da dafür jedoch in der Praxis unbestimmbar viele Faktoren eine Rolle spielen (beispielsweise die genaue Beschaffenheit des Würfels in Form, Gewicht, Materialwiderstand, der genaue Winkel, die Fallgeschwindigkeit, die Ausgangsposition der Hand und des Würfels) können wir das Ergebnis nur schätzen, indem die Beschreibung des Vorgangs vereinfacht wird. Nur diese Vereinfachung macht es uns möglich, Vorhersagen zu treffen, die dann jedoch nur eine Wahrscheinlichkeit darstellen und somit mit einer Unsicherheit verbunden sind.

In der abstrakten Welt des perfekten Zufalls gäbe es die gleiche Chance, eine “4” zu würfeln, wie jeweils alle anderen Ziffern.

Mit $Omega={1,2,3,4,5,6}$ und $A={4}$ folgt $P(A)=frac{|A|}{|Omega|}=frac{1}{6}=0,167$ .

Das Ergebnis eines Wurfes des Würfels ist in der Realität auch von der Beschaffenheit des Würfels abhängig. Angenommen, der Würfel hat auf Seite der Ziffer “4” bei allen vier Kanten eine Abrundung, die ein Umkippen auf eine andere Seite begünstigen, so bedeutet dies:

Die Ziffer “4” hat vier abgerundete Kanten, die Wahrscheinlichkeit eine “4” zu würfeln sinkt stark
Die Ziffern “1”, “3”, “5”, “6” haben jeweils eine abgerundete Kante (Berühungskante zur “4”) sinkt
Die Ziffer “2” liegt der “4” gegenüber, hat somit keine Berührungskante und keine Abrundung, so steigt ihre Chance gewürfelt zu werden

Nun könnte sich nach einer empirischen Untersuchung mit einer ausreichenden Stichprobe folgende Wahrscheinlichkeit ergeben:

$p(4) = 0,1$
$p(1) = p(3) = p(5) = p(6) = 0,15$
$p(2) = 0,3$
$P(Omega) = 1,0$

Durch die Analyse der bisherigen Wurf-Historie und der Betrachtung der Beschaffenheit der Kanten des Würfels können wir uns somit weit realistischere Wahrscheinlichkeiten über die Wurfergebnisse ermitteln. Wie hoch wäre nun die Wahrscheinlichkeit, nach einem Wurf eine gerade Zahl zu würfeln?

Mit $Omega={1,2,3,4,5,6}$ und $A={2,4,6}$ folgt $P(A)=p(2)+p(4)+p(6)=0,55$ .

Top 10 der Python Bibliotheken für Data Science

May 24, 2015/in Data Mining, Data Science, GPU-Processing, Machine Learning, Predictive Analytics, Python, Text Mining/by Benjamin Aunkofer

Python gilt unter Data Scientists als Alternative zu R Statistics. Ich bevorzuge Python auf Grund seiner Syntax und Einfachheit gegenüber R, komme hinsichtlich der vielen Module jedoch häufig etwas durcheinander. Aus diesem Grund liste ich hier die – meiner Einschätzung nach – zehn nützlichsten Bibliotheken für Python, um einfache Datenanalysen, aber auch semantische Textanalysen, Predictive Analytics und Machine Learning in die Tat umzusetzen.

NumPy – Numerische Analyse

NumPy ist eine Open Source Erweiterung für Python. Das Modul stellt vorkompilierte Funktionen für die numerische Analyse zur Verfügung. Insbesondere ermöglicht es den einfachen Umgang mit sehr großen, multidimensionalen Arrays (Listen) und Matrizen, bietet jedoch auch viele weitere grundlegende Features (z. B. Funktionen der Zufallszahlenbildung, Fourier Transformation, linearen Algebra). Ferner stellt das NumPy sehr viele Funktionen mathematische Funktionen für das Arbeiten mit den Arrays und Matrizen bereit.

matplotlib – 2D/3D Datenvisualisierung

Die matplotlib erweitert NumPy um grafische Darstellungsmöglichkeiten in 2D und 3D. Das Modul ist in Kombination mit NumPy wohl die am häufigsten eingesetzte Visualisierungsbibliothek für Python.

Die matplotlib bietet eine objektorientierte API, um die dynamischen Grafiken in Pyhton GUI-Toolkits einbinden zu können (z. B. GTL+ oder wxPython).

NumPy und matplotlib werden auch mit den nachfolgenden Bibliotheken kombiniert.

Bokeh – Interaktive Datenvisualisierung

Während die Plot-Funktionen von matplotlib statisch angezeigt werden, kann in den Visualsierungsplots von Bokeh der Anwender interaktiv im Chart klicken und es verändern. Bokeh ist besonders dann geeignet, wenn die Datenvisualisierung als Dashboard im Webbrowser erfolgen soll.

Das Bild über diesen Artikel zeigt Visualiserungen mit dem Python Package Bokeh.

Pandas – Komplexe Datenanalyse

Pandas ist eine Bibliothek für die Datenverarbeitung und Datenanalyse mit Python. Es erweitert Python um Datenstrukturen und Funktionen zur Verarbeitung von Datentabellen. Eine besondere Stärke von Pandas ist die Zeitreihenanalyse. Pandas ist freie Software (BSD License).

Statsmodels – Statistische Datenanalyse

Statsmodels is a Python module that allows users to explore data, estimate statistical models, and perform statistical tests. An extensive list of descriptive statistics, statistical tests, plotting functions, and result statistics are available for different types of data and each estimator.

Die explorative Datenanalyse, statistische Modellierung und statistische Tests ermöglicht das Modul Statsmodels. Das Modul bringt neben vielen statistischen Funktionen auch eigene Plots (Visualisierungen) mit. Mit dem Modul wird Predictive Analytics möglich. Statsmodels wird häufig mit NumPy, matplotlib und Pandas kombiniert.

SciPy – Lineare Optimierung

SciPy ist ein sehr verbreitetes Mathematik-Modul für Python, welches den Schwerpunkt auf die mathematische Optimierung legt. Funktionen der linearen Algebra, Differenzialrechnung, Interpolation, Signal- und Bildverarbeitung sind in SciPy enthalten.

scikit-learn – Machine Learning

scikit-learn ist eine Framework für Python, das auf NumPy, matplotlob und SciPy aufsetzt, dieses jedoch um Funktionen für das maschinelle Lernen (Machine Learning) erweitert. Das Modul umfasst für das maschinelle Lernen notwendige Algorithmen für Klassifikationen, Regressionen, Clustering und Dimensionsreduktion.

Mlpy – Machine Learning

Alternativ zu scikit-learn, bietet auch Mlpy eine mächtige Bibliothek an Funktionen für Machine Learning. Mlpy setzt ebenfalls auf NumPy und SciPy, auf, erweitert den Funktionsumfang jedoch um Methoden des überwachten und unüberwachten maschinellen Lernens.

NLTK – Text Mining

NLTK steht für Natural Language Toolkit und ermöglicht den effektiven Einstieg ins Text Mining mit Python. Das Modul beinhaltet eigene (eher einfache) Visualisierungsmöglichkeiten zur Darstellung von Textmuster-Zusammenhängen, z. B. in Baumstrukturen. Für Text Mining und semantische Textanalysen mit Python gibt es wohl nichts besseres als NLTK.

Theano – Multidimensionale Berechnungen & GPU-Processing

Theano is a Python library that allows you to define, optimize, and evaluate mathematical expressions involving multi-dimensional arrays efficiently

Für multidimensionale Datenanalysen bzw. die Verarbeitung und Auswertung von multidimensionalen Arrays gibt es wohl nichts schnelleres als die Bibliothek Theano. Theano ist dabei eng mit NumPy verbunden.

Theano ermöglicht die Auslagerung der Berechnung auf die GPU (Grafikprozessor), was bis zu 140 mal schneller als auf der CPU sein soll. Getestet habe ich es zwar nicht, aber grundsätzlich ist es wahr, dass die GPU multidimensionale Arrays schneller verarbeiten kann, als die CPU. Zwar ist die CPU universeller (kann quasi alles berechnen), die GPU ist aber auf die Berechnung von 3D-Grafiken optimiert, die ebenfalls über multidimensionalen Vektoren verarbeitet werden.

DataQuest.io – Online Einstieg in Data Science mit Python

May 11, 2015/in Data Science, Fortbildung / Training, Python/by Benjamin Aunkofer

Data Science hat unglaublich viele Facetten und eine davon, ist die Analyse von Daten mit der Programmiersprache Python. Diese Programmiersprache ist neben R eine der am häufigsten eingesetzten Programmiersprachen für alle möglichen Aufgaben rund um die Auswertung von Daten.

Wer schon immer in die Datenanalyse mit Python einsteigen wollte, kann dies nun sehr einfach über einen ausgeklügelten Online-Kurs namens DataQuest tun.

Ich selbst habe DataQuest ausprobiert und finde es super. Die ersten Module waren für mich erstmal sehr zäh, da sich diese mit Pythen und einigen Programmiergrundlagen befassen. Die Module können allerdings in beliebiger Reihenfolge abgearbeitet werden. Hat man den “Learning Python”-Teil aber durch, wird es schnell sehr spezifisch und auch als Experte kann die Aufgaben als guten Denksport verstehen.

Sehr gut dabei ist, dass der komplette Kurs online in der Cloud stattfindet. Benötigt wird nichts weiter als ein gewöhnlicher Internet-Browser und man muss sich nicht mit der Einrichtung von Python und der Entwicklungsumgebung auf dem Computer beschäftigen. DataQuest stellt über den Browser server-seitig die Entwicklungsumgebung bereit. Es kann also sofort nach der Account-Einrichtung losgehen! Die Kurse von DataQuest gibt es allerdings nur auf Englisch.

Der Kursumfang beginnt recht ausführlich über die Grundlagen der Programmierung, basierend auf Python. Die Grundlagen werden jedoch bereits überwiegend anhand von Aufgaben im Bereich der Datenanalyse erklärt, beispielsweise den Zugriff auf Textdateien.

Zumindest alle Grundlagen-Kurse sind kostenlos. Der weitere Kursinhalt über die Programmiergrundlagen hinaus befasst sich direkt mit dem Einstieg in Data Science mit der explorativen Datenanalyse, der Datenvisualisierung und der Statistik im Allgemeinen und Predictive Analytics im Speziellen. Ferner sollen in der Zukunft Kurse mit einen Einstieg ins Maschinelle Lernen (Machine Learning) angeboten werden. Die interessantesten Kurse können jedoch nur über den Premium-Account gestartet werden. Dieser ist für bezahlbare 35 US-Dollar pro Monat zu haben.

URL zum Anbieter: www.dataquest.io