Читать онлайн Введение в машинное обучение

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Рекомендован к изданию УМО РУМС

Рецензенты:

Барахнин В. Б., д.т.н., профессор, НГУ, Россия, Новосибирск

Никульчев Е. В., д.т.н., профессор, МИРЭА, Россия, Москва

Маткаримов Б. Т., , д.т.н., профессор, Назарбаев университет, Казахстан, Нурсултан

Эту книгу мы посвящаем памяти наших родителей Валерии, Ильгиза, Несипхана и Задан, которые дали нам жизнь, любовь и возможность стать теми, кто мы есть.

Равиль Ильгизович Мухамедиев,Едилхан Несипханович Амиргалиев

Предисловие

Авторы по роду своей педагогической деятельности и в рамках своих научных исследований довольно часто соприкасались с проблемами искусственного интеллекта, распознавания образов, в том числе машинного обучения. Естественно, нам приходилось поглубже изучать эти проблемы, чтобы успешно оперировать методами машинного обучения, которые становятся «модными» инструментами, применяемыми многими специалистами для решения оптимизационных задач в «плохо формализованных» областях исследования.

Машинное обучение наиболее быстро развивающая часть науки о данных. Новые, успешные модели появляются ежегодно, а их модификации и примеры приложений практически ежедневно. Поэтому написание какого-нибудь подробного пособия сопряжено с трудностями выбора такого содержания, которое с одной стороны не будет слишком поверхностным изложением самых последних достижений, а с другой стороны не погрузиться в разбор моделей, которые на практике используются уже не столь часто. Авторы постарались следовать от простого к сложному, уделив особое внимание аппарату искусственных нейронных сетей, поскольку последние достижения в области искусственного интеллекта связаны с моделями глубоких нейронных сетей. Вместе с тем разбор особенностей различных моделей хоть и полезен, но не достаточен для практических применений. Поэтому авторы включили специальные разделы, описывающие оценку качества моделей, предобработку данных и оценку параметров, которые в той или иной мере присутствуют в каждом приложении машинного обучения. На наш взгляд имеющийся набор сведений достаточен для успешного старта на пути применения машинного обучения на практике. Учебник обогащен материалами на основе опыта преподавания авторами предметов по искусственному интеллекту, распознаванию образов и классификации, компьютерному зрению, обработке естественного языка и машинному обучению в ведущих вузах Республики Казахстан: КазНУ имени аль-Фараби, КазНИТУ имени К. Сатпаева, Международном университете информационных технологий, Университете имени Сулеймана Демиреля, Казахстанско-Британском Техническом университете, а также материалами и результатами, полученными в рамках научных исследований по выполненным научным проектам грантового и программно-целевого финансирования в течение последних 10 лет.

Любая книга – это большой и часто длительный труд, который не мог бы состояться без помощи многих людей. Авторы выражают искреннюю признательность рецензентам В. Б. Барахнину, Е. В. Никульчеву и Б. Т. Маткаримову, потратившим драгоценное время для улучшения качества текста и давшим ценные советы по содержанию учебника. Большую работу по коррекции текста и тестированию примеров книги проделали Адилхан Сымагулов, Марина Елис, Ян Кучин. Ян Кучин оказал большую помощь в рамках проекта по созданию классификатора литологических типов урановых скважин РК. Рустам Мусабаев представил результаты эксперимента, посвященные высокопроизводительным вычислениям.

Не претендуя на полноту изложения всех возможностей методов машинного обучения, авторы в данной книге необходимый материал подали в двух частях, как введение в теорию и введение в практику машинного обучения. Практическая часть насыщена лабораторными занятиями и разборами кодов примеров, что поможет читателям поглубже освоить методы применения машинного обучения. Архив с примерами программ читатели могут скопировать по адресу: https://www.dropbox.com/s/xtxicveo5lwmu8z/ML_book_ExamplesLabs_v.1.0.zip?dl=0.

Авторы надеются, что учебник окажет помощь преподавателям вузов, магистрантам, докторантам и многим разработчикам, занимающимся прикладными задачами.

За все ошибки и неточности, которые заинтересованный читатель увидит в тексте, несут ответственность только авторы. Мы будем признательны за конструктивные замечания и уточнения, которые читатели могут направить на адреса электронной почты: [email protected], [email protected]. Дополнительный материал авторы планируют размещать на сайте geoml.info.

Введение

Машинное обучение (Machine Learning – ML) – направление науки, относящееся к большой области, называемой искусственным интеллектом. Это направление исследований развивается уже несколько десятков лет. Оно обеспечивает потребности практики в тех ситуациях, когда строгая математическая модель задачи отсутствует или является неприемлемо сложной. В рамках этого направления рассматривают алгоритмы, которые способны обучаться, то есть, по существу, находить закономерности в данных. ML как научное направление изучает методы кластеризации, классификации и регрессии. В результате для специалистов по разработке программного обеспечения предлагаются методы обработки данных, которые реализуют часть интеллектуальных способностей, присущих человеку. К их числу относится способность обучаться, переобучаться, классифицировать объекты реального мира, предсказывать на основе накопленного опыта. В настоящее время именно с ML связано наибольшее количество ожиданий по реализации «умных» программ и сервисов (Smart Services). Например, по оценкам Gartner в 2017 году (рисунок 1.1), ML порождает наибольшие ожидания в развитии технологий. Более того, значительная часть новых технологий связана с ML.