یادگیری ماشین، شاخهای از هوش مصنوعی است که به سیستمها امکان میدهد بدون نیاز به برنامهنویسی صریح، به صورت خودکار یاد بگیرند و پیشرفت کنند. در واقع، یادگیری ماشین به رایانهها این توانایی را میدهد که از دادهها برای یادگیری الگوها و روندها استفاده کنند و بر اساس آنها تصمیمگیری کنند.
فرآیند یادگیری ماشین با ارائه دادهها به سیستم آغاز میشود. این دادهها میتوانند شامل مثالها، تجارب مستقیم یا دستور العملها باشند. سیستم از این دادهها برای شناسایی الگوها و روندها استفاده میکند و سپس از این الگوها برای پیشبینی یا تصمیمگیری استفاده میکند.
هدف اصلی یادگیری ماشین، این است که به سیستمها این امکان را بدهد که بدون دخالت انسان، به طور خودکار یاد بگیرند و پیشرفت کنند. این امر میتواند منجر به بهبود عملکرد سیستمها در طیف گستردهای از وظایف شود.
چرا یادگیری ماشین مهم است؟
یادگیری ماشین، یکی از زیرمجموعههای هوش مصنوعی، به سیستمهای کامپیوتری این امکان را میدهد تا بدون نیاز به برنامهنویسی صریح، به صورت خودکار یاد بگیرند و پیشرفت کنند. در واقع، به رایانهها این توانایی را میدهد که از دادهها برای یادگیری الگوها و روندها استفاده کنند و بر اساس آنها تصمیمگیری کنند.
اهمیت یادگیری ماشین را میتوان در موارد زیر خلاصه کرد:
- بهبود عملکرد سیستمها: یادگیری ماشین میتواند به سیستمها کمک کند تا عملکرد خود را در طیف گستردهای از وظایف بهبود بخشند. به عنوان مثال، یادگیری ماشین میتواند برای بهبود دقت تشخیص چهره، پیشبینی بازار و توصیه محصولات استفاده شود.
- کاهش هزینهها: یادگیری ماشین میتواند به کاهش هزینههای عملیاتی شرکتها کمک کند. به عنوان مثال، یادگیری ماشین میتواند برای خودکارسازی وظایف تکراری، مانند پردازش سفارشات، استفاده شود.
- ایجاد فرصتهای جدید: یادگیری ماشین میتواند فرصتهای جدیدی را برای کسبوکارها ایجاد کند. به عنوان مثال، یادگیری ماشین میتواند برای توسعه محصولات و خدمات جدید استفاده شود.
پیشرفتهای تکنولوژیکی اخیر، اهمیت یادگیری ماشین را افزایش دادهاند.
دسترسی گستردهتر به دادهها، باعث افزایش حجم و تنوع دادهها شده است. این امر به یادگیری ماشین اجازه میدهد تا الگوها و روندهای پیچیدهتری را بیاموزد.
همچنین، افزایش قدرت پردازشی، باعث مقرون به صرفهتر شدن ذخیرهسازی و پردازش دادههای بزرگ شده است.
با توجه به اهمیت یادگیری ماشین، انتظار میرود که این فناوری در آیندهای نزدیک نقش مهمتری در زندگی انسانها ایفا کند. یادگیری ماشین میتواند به بهبود کارایی و اثربخشی سیستمها و کسبوکارها کمک کند و فرصتهای جدیدی را برای توسعه محصولات و خدمات جدید ایجاد کند.
مفهوم ساده یادگیری ماشین
یادگیری ماشین، به عنوان یک حوزه از هوش مصنوعی، به کامپیوترها اجازه میدهد تا بدون برنامهنویسی صریح، از تجربههای قبلی یاد بگیرند و الگوهای پنهان و قوانین را در دادهها پیدا کنند. یادگیری ماشین ماشینی است که به طور خودکار قادر است از دادهها یاد بگیرد و بر روی آنها پیشبینی یا تصمیمهایی بگیرد.
یکی از انواع یادگیری ماشین، یادگیری نظارتشده است. در این نوع یادگیری، مدل یادگیری ماشین بر اساس دادههای آموزشی که دارای برچسب هستند، آموزش میبیند. سپس در صورت دریافت دادههای جدید بدون برچسب، مدل به طور انتزاعی قادر است برچسب مورد نظر را پیشبینی کند.
یادگیری بدون نظارت نیز یکی از روشهای یادگیری ماشین است. در این نوع یادگیری، دادهها بدون برچسب آموزش داده میشوند و مدل یادگیری ماشین به طور خودکار الگوهای پنهان در دادهها را تشخیص میدهد و از آنها برای استخراج اطلاعات و ارزش تصمیمگیری استفاده میکند.
الگوریتمهای یادگیری ماشین را میتوان براساس شباهت در فرم و عملکرد دستهبندی کرد. برخی از این الگوریتمها شامل طبقهبندی، کاهش ابعاد، درخت تصمیم، گوسی مخفی مارکوف، تجزیه ماتریس، شبکه عصبی و غیره هستند.
هدف اصلی الگوریتمهای یادگیری ماشین، تعمیم یادگیری به فراتر از دادههای آموزش است. زمانی که یک مدل یادگیری ماشین به خوبی تعمیم مییابد، قادر است تا بر روی دادههای جدید و ناشناخته به درستی پاسخ دهد و پیشبینیهای موثری ارائه کند.
![یادگیری ماشینآموزش یادگیری ماشین
یادگیری با ناظر
یادگیری بدون ناظر
ماشین لرنینگ](https://miro.medium.com/v2/resize:fit:1400/0*QYxNNYh6W9jO1b_-.png)
کاربردهای یادگیری ماشین
یادگیری ماشین یک شاخه از هوش مصنوعی است که به سیستمهای کامپیوتری این امکان را میدهد تا بدون نیاز به برنامهنویسی صریح، به صورت خودکار یاد بگیرند و پیشرفت کنند. یادگیری ماشین در طیف گستردهای از کاربردها مورد استفاده قرار میگیرد، از جمله:
۱.طبقهبندی: در طبقهبندی، هدف این است که یک شیء را به یک گروه یا دسته مشخص اختصاص دهیم. به عنوان مثال، تشخیص چهره یک نوع طبقهبندی است که در آن هدف شناسایی چهره یک فرد در یک تصویر است.
۲.فیلتر کردن ایمیلها: طبقهبندی ایمیلها به عنوان هرزنامه یا غیر هرزنامه
۳.تشخیص پزشکی: طبقهبندی بیماران به عنوان مبتلا یا غیر مبتلا به یک بیماری خاص
۴.پیشبینی آب و هوا: پیشبینی اینکه آیا فردا باران میبارد یا خیر
مثالهایی از دیگر کاربردهای یادگیری ماشین شامل موارد زیر است که از اهمیت بالایی برخوردار هستند:
- بازشناسی گفتار: در بازشناسی گفتار، هدف این است که گفتار انسان را به متن تبدیل کنیم.
- توصیهگر محصولات: در توصیهگر محصولات، هدف این است که محصولات یا خدمات مرتبط با علاقهها یا سابقه خرید یک کاربر را به او توصیه کنیم.
- پیشبینی بازار: در پیشبینی بازار، هدف این است که قیمت سهام، کالاها یا سایر داراییها را پیشبینی کنیم.
یادگیری نظارت شده
یادگیری نظارت شده یک نوع یادگیری ماشین است که در آن سیستم با دادههای نمونه آموزش داده میشود که شامل یک ویژگی پیشبینیکننده و یک خروجی مورد انتظار است. سیستم از این دادهها برای یادگیری الگوهایی استفاده میکند که میتوان از آنها برای پیشبینی خروجی برای دادههای جدید استفاده کرد.
یادگیری نظارت شده در سه مرحله اصلی انجام میشود:
آموزش: در مرحله آموزش، سیستم با دادههای نمونه آموزش داده میشود. دادههای نمونه شامل ویژگیهای پیشبینیکننده و خروجیهای مورد انتظار است. سیستم از این دادهها برای یادگیری الگوهایی استفاده میکند که میتوان از آنها برای پیشبینی خروجی برای دادههای جدید استفاده کرد.
پیشبینی: در مرحله پیشبینی، سیستم از الگوهایی که در مرحله آموزش یاد گرفته است برای پیشبینی خروجی برای دادههای جدید استفاده میکند.
ارزیابی: در مرحله ارزیابی، عملکرد سیستم با استفاده از دادههای آزمایشی ارزیابی میشود. دادههای آزمایشی شامل ویژگیهای پیشبینیکننده و خروجیهای واقعی است. عملکرد سیستم با مقایسه خروجیهای پیشبینی شده با خروجیهای واقعی اندازهگیری میشود.
انواع یادگیری نظارت شده
یادگیری نظارت شده را میتوان بر اساس نوع خروجی مورد انتظار به دو دسته تقسیم کرد:
رگرسیون: در رگرسیون، هدف این است که رابطه بین یک یا چند ویژگی پیشبینیکننده و یک خروجی پیوسته را مدلسازی کنیم. به عنوان مثال، پیشبینی قیمت سهام یک نوع رگرسیون است که در آن هدف پیشبینی قیمت سهام در آینده بر اساس عواملی مانند سود شرکت، وضعیت اقتصادی و نوسانات بازار است.
طبقهبندی: در طبقهبندی، هدف این است که یک شیء را به یک گروه یا دسته مشخص اختصاص دهیم. به عنوان مثال، تشخیص چهره یک نوع طبقهبندی است که در آن هدف شناسایی چهره یک فرد در یک تصویر است.
الگوریتمهای یادگیری نظارت شده
الگوریتمهای یادگیری نظارت شده انواع مختلفی دارند که هر کدام برای کاربردهای خاصی مناسب هستند. برخی از الگوریتمهای یادگیری نظارت شده رایج عبارتند از:
خطی: الگوریتمهای خطی برای مدلسازی روابط خطی بین ویژگیهای پیشبینیکننده و خروجی استفاده میشوند.
غیرخطی: الگوریتمهای غیرخطی برای مدلسازی روابط غیرخطی بین ویژگیهای پیشبینیکننده و خروجی استفاده میشوند.
باینری: الگوریتمهای باینری برای طبقهبندی دادهها به دو کلاس استفاده میشوند.
چند کلاسه: الگوریتمهای چند کلاسه برای طبقهبندی دادهها به بیش از دو کلاس استفاده میشوند.
یادگیری نظارت شده مزایای زیر را دارد:
- دقیقتر از یادگیری بدون نظارت است.
- برای حل طیف گستردهای از مشکلات قابل استفاده است.
همچنین معایب آن :
- نیاز به دادههای نمونه دارد.
- آموزش آن میتواند زمانبر و محاسباتی باشد.
این روش یک روش قدرتمند یادگیری ماشین است که میتواند برای حل طیف گستردهای از مشکلات استفاده شود. این روش برای مشکلاتی که در آنها خروجی مورد انتظار برای دادههای آموزشی مشخص است، مناسب است.
یادگیری نظارت نشده
یادگیری نظارت نشده یکی از دو شاخه اصلی یادگیری ماشین است. در یادگیری نظارت نشده، دادههای ورودی به مدل یادگیری ماشین داده میشوند، اما برچسبی برای مشخص کردن خروجی صحیح وجود ندارد. به عبارت دیگر، در یادگیری نظارت نشده، مدل یادگیری ماشین باید از دادهها الگوهای پنهان را کشف کند.
یادگیری نظارت نشده شامل سه نوع اصلی است:
خوشهبندی (Clustering): در خوشهبندی، دادهها به گروههای مختلف بر اساس شباهتهای بین آنها تقسیم میشوند. به عنوان مثال، میتوان از خوشهبندی برای تقسیم مشتریان به گروههای مختلف بر اساس رفتار خرید آنها استفاده کرد.
کاهش ابعاد (Dimensionality Reduction): در کاهش ابعاد، تعداد ویژگیهای دادهها کاهش مییابد بدون اینکه اطلاعات مهم از دست بروند. به عنوان مثال، میتوان از کاهش ابعاد برای کاهش حجم دادههای استفاده کرد که برای یادگیری ماشین مورد نیاز است.
یادگیری قواعد وابستگی (Association Rule Learning): در یادگیری قواعد وابستگی، الگوهای ارتباط بین ویژگیهای دادهها شناسایی میشوند. به عنوان مثال، میتوان از یادگیری قواعد وابستگی برای شناسایی محصولاتی که معمولاً با هم خریداری میشوند استفاده کرد.
مزایا و معایب
یادگیری نظارت نشده مزایای متعددی دارد، از جمله:
- عدم نیاز به برچسبگذاری دادهها: در یادگیری نظارت نشده، نیازی به برچسبگذاری دستی دادهها نیست. این امر میتواند زمان و هزینه یادگیری ماشین را کاهش دهد.
- قابلیت استفاده از دادههای نامتقارن: در یادگیری نظارت نشده، نیازی نیست که دادهها به طور یکنواخت توزیع شده باشند. این امر میتواند یادگیری ماشین را در مورد دادههایی که در دنیای واقعی یافت میشوند، آسانتر کند.
- قابلیت استفاده از دادههای ناقص: در یادگیری نظارت نشده، نیازی نیست که دادهها کامل باشند. این امر میتواند یادگیری ماشین را در مورد دادههایی که اغلب در دنیای واقعی یافت میشوند، آسانتر کند.
یادگیری نظارت نشده نیز معایبی دارد، از جمله:
- عدم قطعیت در نتایج: در یادگیری نظارت نشده، خروجی مدل یادگیری ماشین همیشه قطعی نیست.
- نیاز به دادههای کافی: یادگیری نظارت نشده برای عملکرد صحیح به دادههای کافی نیاز دارد.
کاربردهای یادگیری نظارت نشده
یادگیری نظارت نشده در زمینههای مختلفی کاربرد دارد، از جمله:
- تجزیه و تحلیل بازار: یادگیری نظارت نشده میتواند برای شناسایی الگوهای رفتاری مشتریان، مانند ترجیحات خرید، استفاده شود.
- پیشبینی: یادگیری نظارت نشده میتواند برای پیشبینی رفتار آینده، مانند تقاضا برای محصولات یا خدمات، استفاده شود.
- تشخیص: یادگیری نظارت نشده میتواند برای تشخیص بیماریها یا سایر شرایط، مانند سرطان، استفاده شود.
نمونههایی از یادگیری نظارت نشده
شرکتهای خردهفروشی از یادگیری نظارت نشده برای شناسایی الگوهای خرید مشتریان استفاده میکنند. این اطلاعات میتواند برای هدفگیری تبلیغات و محصولات جدید استفاده شود.
شرکتهای بیمه از یادگیری نظارت نشده برای شناسایی خطرات احتمالی استفاده میکنند. این اطلاعات میتواند برای تعیین نرخ بیمه استفاده شود.
پزشکان از یادگیری نظارت نشده برای تشخیص بیماریها استفاده میکنند. این اطلاعات میتواند برای بهبود دقت تشخیص استفاده شود.
یادگیری نظارت نشده یک ابزار قدرتمند است که میتواند برای حل طیف گستردهای از مشکلات استفاده شود. با پیشرفتهای اخیر در زمینه یادگیری ماشین، انتظار میرود تا کاربردهای یادگیری نظارت نشده در آینده افزایش یابد.
یادگیری تقویتی
یادگیری تقویتی یکی از سه شاخه اصلی یادگیری ماشین است. در یادگیری تقویتی، یک عامل در یک محیط قرار میگیرد و باید با آزمون و خطا یاد بگیرد که چگونه برای بیشینه کردن پاداش خود عمل کند.
در یادگیری تقویتی، عامل با یک محیط تعامل دارد. محیط شامل وضعیتها (States)، اقدامات (Actions) و پاداشها (Rewards) است. وضعیتها توصیفهایی از موقعیت فعلی عامل در محیط هستند. اقدامات کارهایی هستند که عامل میتواند انجام دهد. پاداشها مقادیری هستند که به عامل پس از انجام یک اقدام داده میشوند.
هدف عامل این است که با انجام اقداماتی که پاداش بیشتری را به همراه دارند، پاداش خود را بیشینه کند. عامل این کار را با استفاده از یک سیاست (Policy) انجام میدهد. سیاست یک تابع است که وضعیت فعلی عامل را به یک اقدام تبدیل میکند.
عامل با آزمون و خطا یاد میگیرد که چگونه سیاستی را پیدا کند که پاداش بیشتری را به همراه داشته باشد. در هر مرحله، عامل یک اقدام را بر اساس سیاست خود انجام میدهد. سپس، محیط یک پاداش به عامل میدهد. عامل این پاداش را برای بهروزرسانی سیاست خود استفاده میکند.
یادگیری تقویتی در زمینههای مختلفی کاربرد دارد، از جمله:
- رباتیک: یادگیری تقویتی میتواند برای آموزش رباتها برای انجام کارهایی مانند راه رفتن، برداشتن اشیا و تعامل با انسانها استفاده شود.
- بازیهای کامپیوتری: یادگیری تقویتی میتواند برای آموزش بازیکنان کامپیوتری برای بازیهای کامپیوتری مانند شطرنج و Go استفاده شود.
- کنترل: یادگیری تقویتی میتواند برای کنترل سیستمهای پیچیده مانند شبکههای برق و سیستمهای حملونقل استفاده شود.
این نوع یادگیری شامل دو نوع اصلی است:
یادگیری تقویتی مبتنی بر ارزش (Value-based Reinforcement Learning): در یادگیری تقویتی مبتنی بر ارزش، عامل سعی میکند ارزش هر وضعیت را یاد بگیرد. ارزش یک وضعیت نشان میدهد که اگر عامل در آن وضعیت باشد، چه مقدار پاداش انتظار میرود دریافت کند.
یادگیری تقویتی مبتنی بر سیاست (Policy-based Reinforcement Learning): در یادگیری تقویتی مبتنی بر سیاست، عامل سعی میکند سیاستی را یاد بگیرد که پاداش بیشتری را به همراه داشته باشد.
چند مثال از کاربردهای یادگیری تقویتی در دنیای واقعی :
- شرکتهای خودروسازی از یادگیری تقویتی برای آموزش رانندگان خودران استفاده میکنند.
- شرکتهای بازیسازی از یادگیری تقویتی برای آموزش بازیکنان کامپیوتری برای بازیهای کامپیوتری استفاده میکنند.
- شرکتهای انرژی از یادگیری تقویتی برای کنترل شبکههای برق خود استفاده میکنند.
یادگیری تقویتی یک ابزار قدرتمند است که میتواند برای حل طیف گستردهای از مشکلات استفاده شود. با پیشرفتهای اخیر در زمینه یادگیری ماشین، انتظار میرود تا کاربردهای یادگیری تقویتی در آینده افزایش یابد.
مقایسه یادگیری تقویتی با یادگیری نظارتی
یادگیری تقویتی و یادگیری نظارتی دو رویکرد اصلی یادگیری ماشین هستند. در یادگیری نظارتی، دادههای آموزش شامل برچسبهایی هستند که نشان میدهد خروجی صحیح چیست. در یادگیری تقویتی، دادههای آموزش شامل پاداشهایی هستند که به عامل داده میشوند.
تفاوت اصلی بین یادگیری تقویتی و یادگیری نظارتی این است که در یادگیری تقویتی، عامل باید با آزمون و خطا یاد بگیرد، در حالی که در یادگیری نظارتی، عامل میتواند از برچسبها برای یادگیری استفاده کند.
یادگیری تقویتی میتواند برای حل مشکلاتی که در یادگیری نظارتی دشوار یا غیرممکن است، استفاده شود. به عنوان مثال، یادگیری تقویتی میتواند برای آموزش رباتها یا بازیکنان کامپیوتری برای انجام کارهایی استفاده شود که در مورد آنها هیچ دادههای آموزش نظارتی موجود نیست.
۷ گام مهم برای ایجاد یک سیستم یادگیری ماشین
۱.درک مشکل کسبوکار: اولین قدم در ایجاد یک سیستم ماشین لرنینگ موفق، درک مشکل کسبوکار است. شما باید بدانید که چه مشکلی را باید حل کنید و این مشکل چه تاثیری بر کسبوکار شما دارد.
۲.درک و شناسایی داده: یک مدل ماشین لرنینگ با استفاده از دادههای آموزشی ساخته میشود. بنابراین، قبل از هر چیز، باید دادههای مورد نیاز را شناسایی کنید.
۳.جمعآوری و آمادهسازی داده: پس از شناسایی دادههای مورد نیاز، باید آنها را جمعآوری و آمادهسازی کنید. آمادهسازی داده شامل مراحلی مانند تمیز کردن داده، تجمیع داده، نشانهگذاری داده، نرمالسازی داده و غیره میشود.
۴.تعیین ویژگیهای مدل و آموزش آن: پس از آمادهسازی داده، باید ویژگیهای مدل را تعیین کنید. ویژگیها، متغیرهایی هستند که برای توصیف دادههای آموزشی استفاده میشوند. پس از تعیین ویژگیها، باید مدل را آموزش دهید. آموزش مدل شامل استفاده از دادههای آموزشی برای یادگیری الگوهای موجود در دادهها است.
۵.ارزیابی مدل: پس از آموزش مدل، باید آن را ارزیابی کنید. ارزیابی مدل به شما کمک میکند تا متوجه شوید که مدل تا چه حد در حل مشکل کسبوکار موفق است.
۶.استقرار مدل: پس از ارزیابی مدل و اطمینان از عملکرد مناسب آن، میتوانید آن را در محیط واقعی استقرار دهید. استقرار مدل شامل مراحلی مانند پیادهسازی مدل، تنظیم مدل و نظارت بر عملکرد مدل میشود.
۷.نگهداری مدل: پس از استقرار مدل، باید آن را بهطور منظم نگهداری کنید. نگهداری مدل شامل مراحلی مانند بهروزرسانی مدل، نظارت بر عملکرد مدل و اصلاح مدل میشود.
رعایت این گامها میتواند شانس موفقیت پروژه ماشین لرنینگ شما را افزایش دهد.
نکات مهم پایانی
- درک مشکل کسبوکار مهمترین گام در ایجاد یک سیستم ماشین لرنینگ موفق است. شما باید بدانید که چه مشکلی را باید حل کنید و این مشکل چه تاثیری بر کسبوکار شما دارد.
- دادههای باکیفیت برای ایجاد یک مدل ماشین لرنینگ موفق ضروری است. دادههای باید کامل، دقیق و مرتبط باشند.
- آمادهسازی داده یک مرحله مهم و زمانبر است. در این مرحله، باید دادهها را تمیز کنید، تجمیع کنید، نشانهگذاری کنید و نرمالسازی کنید.
- ارزیابی مدل یک مرحله ضروری برای اطمینان از عملکرد مناسب مدل است. شما میتوانید از روشهای مختلفی برای ارزیابی مدل استفاده کنید.
- نگهداری مدل یک مرحله مهم برای اطمینان از عملکرد مداوم مدل است. شما باید مدل را بهطور منظم بهروزرسانی کنید و عملکرد آن را نظارت کنید.
با رعایت این نکات، میتوانید شانس موفقیت پروژه ماشین لرنینگ خود را افزایش دهید.