Vorlesung Neuronale Netze- Maschinelles Lernen: Grundlagen und –ideen -

SS 2004

Holger Fröhlich

Lehrstuhl Rechnerarchitektur, Prof. Dr. A. Zell

Neuronale Netze, SS 2004 2Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Gliederung

Allgemeiner ÜberblickDas Problem Generalisierungsfähigkeit beim

überwachten LernenDesign und Evaluation von Klassifikatoren

Neuronale Netze, SS 2004 3Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Menschliches Gehirn

Neuronale Netze, SS 2004 4Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Eigenschaften des Gehirns

FrequenzcodierungHochgradige VernetzungMassiv parallele Verarbeitung

große SpeicherfähigkeitLern- und Assoziationsfähigkeit

Kann man das mit einer Maschine auch???

Neuronale Netze, SS 2004 5Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Maschinelles Lernen

Was genau soll eine Maschine eigentlich lernen?

Wie kann man den Lernerfolg messen?

Wie kann man das effizient auf einem herkömmlichen Computer implementieren?

=> Notwendigkeit der Konkretisierung und Formalisierung

Neuronale Netze, SS 2004 6Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Arten des Maschinellen Lernens

Überwachtes Lernen: Lerne “Regel” (Modell, Hypothese) aus Menge von Beispielen

Verstärkendes Lernen: Lernen mit Hilfe von Kritik (“Dein letzter Versuch war gut / schlecht”)

Unüberwachtes Lernen: Lerne etwas durch Vergleich von Objektenz.B.: Objekt A sieht so ähnlich aus wie Objekt B. Also

müssen sie beide zur selben “Kategorie” gehören.

Neuronale Netze, SS 2004 7Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Überwachtes Lernen - Klassifikation

Source: Duda, Hart, Stork, Pattern Classification, Wiley Interscience, 2000

Neuronale Netze, SS 2004 8Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Mögliche Klassifikationen?

Source: Duda, Hart, Stork, Pattern Classification, Wiley Interscience, 2000

Neuronale Netze, SS 2004 9Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Probleme

Wie können wir entscheiden, welche Klassifikation korrekt ist?

Wir wollen einen Klassifikator, der auch möglichst richtig auf ungesehenen Daten arbeitet, d.h. generalisiert!

Wie können wir solch einen Klassifikator konstruieren?

Neuronale Netze, SS 2004 10Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Überwachtes Lernen - Regression

Source: Schölkopf, Smola, Learning with Kernels, MIT Press, 2002

Neuronale Netze, SS 2004 11Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Dieselben Probleme

Wie können wir entscheiden, welche Regressions-Funktion korrekt ist?

Wir wollen eine Regressions-Funktion, die auch möglichst richtig auf ungesehenen Daten arbeitet, d.h. generalisiert!

Wie können wir solch eine Regressions-Funktion konstruieren?

Neuronale Netze, SS 2004 12Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Unüberwachtes Lernen – Bsp. Clustering

Neuronale Netze, SS 2004 13Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Problem

Wie kann man die Objekte sinnvoll in gleichartige Kategorien/Cluster einteilen?

Wie kann man die Güte einer solchen Einteilung beurteilen?

Wie viele Cluster sollen gefunden werden?

Neuronale Netze, SS 2004 14Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Allgemeiner ÜberblickDas Problem Generalisierungsfähigkeit beim

überwachten LernenDesign und Evaluation von Klassifikatoren

Neuronale Netze, SS 2004 15Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Überwachtes Lernen formal

Geg.: ges.:

Klassifikation: Y endlich Regression: Y = d

Annahme: Daten wurden statistisch unabhängig (i.i.d.) einer unbekannten Zufallsverteilung P(x,y) entnommen

YXyxyxD nn ),(),...,,( 11

YXf :

Neuronale Netze, SS 2004 16Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Empirisches Risiko

Vereinfachung:Empirisches Risiko (=Trainingsfehler)

Funktion heißt FehlerfunktionHier:

1: Xf

emp1

1[ ] ( , ( ))

n

i ii

R f y f xn

:Y Y 1 '

( , ')0

y yy y

sonst

Neuronale Netze, SS 2004 17Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Kernproblem

Wahres Risiko

Ein guter Klassifikator sollte R[f] minimieren

ABER: R[f] kann man nicht berechnen!!! (da P(x,y) nicht bekannt ist)

Reicht die Minimierung des emp. Risikos statt dessen aus???

[ ] ( , ( )) ( , )X Y

R f y f x dP x y

Neuronale Netze, SS 2004 18Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Statistische Perspektive (Vapnik, Chervonenkis, 1979)

Begreife Remp[f] als statist. Schätzer für R[f].

Gewünscht: Konsistenz von Remp[f], d.h.

Frage: Ist dies möglich?

optemp

Proptemp

lim Pr(| [ ] [ ] | ) 0 0

kurz: [ ] [ ] 0

n

n

n

R f R f

R f R f

Neuronale Netze, SS 2004 19Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Beobachtung 1:Beobachtung 2: Insbesondere gilt dann

Summe der Ungleichungen:

opt[ ] [ ] 0 R f R f f F

emp emp[ ] [ ] 0 nR f R f f F

opt

optemp emp

[ ] [ ] 0

und [ ] [ ] 0

n

n

R f R f

R f R f

opt optemp emp

opt optemp emp

opt optemp emp

0 [ ] [ ] [ ] [ ]

[ ] [ ] [ ] [ ]

sup( [ ] [ ]) [ ] [ ]

n n

n n

f F

R f R f R f R f

R f R f R f R f

R f R f R f R f

Neuronale Netze, SS 2004 20Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Zweite Hälfte der Gleichung: opt ist unabhängig von Trainingsdaten! Daher:

Aber:

erfordet gleichmäßige Konvergenz über alle Funktionen, die die Maschine implementieren kann!

Propt optemp| [ ] [ ] | 0 (Gesetz der großen Zahlen)R f R f

Prempsup( [ ] [ ]) 0

f FR f R f

Neuronale Netze, SS 2004 21Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Gleichmäßige Konvergenz

Source: Schölkopf, Smola, Learning with Kernels, MIT Press, 2002

Neuronale Netze, SS 2004 22Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Gleichmäßige Konvergenz (2)

Wie kann gleichmäßige Konvergenz a priori garantiert werden?

Satz (Vapnik, Chervonenkis): Für alle >0

N(F,2n) heißt shattering Koeffizient der Funktionenklasse F.

N(F,2n) ist ein Maß, um die Komplexität (Kapazität) von F zu messen.

2

empPr(sup( [ ] R [ ]) ) 4 ( , 2 )exp8f F

nR f f N F n

Neuronale Netze, SS 2004 23Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Shattering

Source: Schölkopf, Smola, Learning with Kernels, MIT Press, 2002

Neuronale Netze, SS 2004 24Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

VC-Dimension

Shattering = Realisierung aller 2n verschiedenen Klasseneinteilungen von n Punkten

VC-Dimension = maximale Anzahl Punkte h, für die es eine Menge von h Punkten gibt, die F shattern kann (und , falls es kein solches h gibt).

Bsp.: VC-Dimension der Klasse der Hyperebenen in 2 ist 3.

Neuronale Netze, SS 2004 25Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

VC-Schranke

Folgerung: gleichmäßige Konvergenz hängt von Kapazität von F ab.

=> Kapazität sollte beschränkt werden (Bevorzugung möglichst “einfacher” Funktionen)

Quantitativ (aus vorherigem Satz):

emp

Mit Wahrscheinlichkeit 1 gilt:

1 2 4[ ] R [ ] ln 1 ln

nR f f h

n h

Neuronale Netze, SS 2004 26Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Überanpassung vs. Unteranpassung

Überanpassung (overfitting): emp. Risiko klein (vielleicht 0), aber h groß.

Unteranpassung (underfitting): h klein, aber emp. Risiko groß.

Neuronale Netze, SS 2004 27Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Überanpassung vs. Unteranpassung (2)

Source: Schölkopf, Smola, Learning with Kernels, MIT Press, 2002

Neuronale Netze, SS 2004 28Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Regularisierung

Trade-off zwischen Überanpassung und Unteranpassung.

Idee: Minimierung des regularisierten Risikos

-> Idee bei Support Vector Machines

reg emp[ ] [ ] [ ], 0R f R f f

Neuronale Netze, SS 2004 29Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Allgemeiner ÜberblickDas Problem Generalisierungsfähigkeit beim

überwachten LernenDesign und Evaluation von Klassifikatoren

Neuronale Netze, SS 2004 30Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Das Klassifikations-Framework

Source: Duda, Hart, Stork, Pattern Classification, Wiley Interscience, 2000

Neuronale Netze, SS 2004 31Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Vorverarbeitung der Daten

(falls möglich) Codierung als reelwertiger VektorNormalisierung aller Merkmale auf Mittelwert 0

und Standardabweichung 1.Alternativ: Skalierung, z.B. zwischen [-1,1].

Anzahl Räder Motor (ja/nein) Farbe Fahrzeugtyp4 ja blau Auto3 nein grün Dreirad2 ja gelb Motorrad2 nein rot Fahrrad4 ja silber Auto

... ... ... ...

Neuronale Netze, SS 2004 32Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Merkmalsauswahl

Entfernung irrelevanter Merkmale (hier: “Farbe”)Extraktion möglichst informativer Merkmale aus

den ursprünglichen Daten durch Transformation (z.B. Principal Component Analysis)

Neuronale Netze, SS 2004 33Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Evaluation eines Klassifikators

Möglichkeit 1: Teste auf einer großen Menge von ungesehenen Testdaten

Möglichkeit 2 (besser): benutze Kreuzvalidierung (cross-validation)

Neuronale Netze, SS 2004 34Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

K-fold Kreuzvalidierung

Neuronale Netze, SS 2004 35Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Eigenschaften der Kreuzvalidierung

Schätzer für Generalisierungsleistung (Risiko)Schätzung um so genauer, je mehr folds. -> extrem: Leave-one-out cross-validationVorteil: einfacher Vergleich von KlassifikatorenNachteil: Rechenzeit

Neuronale Netze, SS 2004 36Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

No Free Lunch

Gibt es einen universal besten Klassifikator? Sei hk die von Klassifikator k gelernte

Hypothese und g die Zielfunktion.Sei Pr(hk|D) die Wahrscheinlichkeit, daß der

Algorithmus hk liefert, wenn er auf Datensatz D trainiert wurde.

Definiere “Matching” zwischen Verteilungen P(hk|D) und P(g|D)

, '

( ) ( )(1 ( ( ), ( ))) ( | ) ( | )k

k k

h F g F x D

Match D P x g x h x P h D P g D

Neuronale Netze, SS 2004 37Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

No Free Lunch (2)

Folgerung: Ohne Vorwissen von P(g|D) kann man eigentlich gar nichts über P(hk|D) zeigen.

Definiere sog. off-training Fehler

offtrain ( , ) ( )(1 ( ( ), ( ))) ( | )k k k k

x D

E g D P x g x h x P h D dx

Neuronale Netze, SS 2004 38Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Satz (No Free Lunch Theorem)

1. Es gilt

2. Für irgendeinen festen Datensatz D gilt

3. 1 + 2 gelten auch gleichverteilt gemittelt über alle Priors P(g)

1 2offtrain offtrain( | )( [ , ] [ , ]) 0g D

P D g E g D E g D

1 2offtrain offtrain( | )( [ , ] [ , ]) 0g

P D g E g D E g D

Neuronale Netze, SS 2004 39Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Interpretation von 1 + 2

1. Falls alle Zielfunktionen gleich wahrscheinlich sind, dann wird, egal wie clever wir einen “guten” Lernalgorithmus P1(h1|D) und einen “schlechten” P2(h2|D) wählen, der “gute” nicht besser als der “schlechte” sein.

2. Das gleiche gilt, falls D schon bekannt ist.

Wie kann man 3. Interpretieren?

Neuronale Netze, SS 2004 40Univ. Tübingen, Informatik, Abt. Prof. Zell,

Folgerungen

Selbst ein theoretisch gut fundierter Algorithmus wird auf einigen Daten schlecht funktionieren.

Vergleiche der Generalisierungsleistung von Algorithmen sind nur auf vorhandenen Datensätzen sinnvoll.

Jeder Lernalgorithmus muß (implizite) Annahmen über das Lernproblem machen.

Es gibt keinen universalen Lernalgorithmus, der ohne Vorwissen auskommt.