Одним из критически важных шагов при создании хорошей модели является правильный выбор метрики для оценки её качества, поскольку неправильный выбор может привести к неверным выводам и, как следствие, к принятию не самых оптимальных решений. Поэтому на сегодняшний день существует большое количество метрик, подходящих для самых разных задач и ситуаций.

В данном туториале будут рассмотрены популярные метрики для задач классификации, регрессии и кластеризации, а также инструмент для анализа ошибки модели, известный как bias-variance decomposition. Помимо этого, для большей части метрик будут представлены ручные расчёты и реализация с нуля на Python, а в конце вы сможете найти дополнительные источники для более глубокого ознакомления.

В данной статье представлен обзор различных популярных (и не только) оптимизаторов, которые применяются в машинном и глубоком обучении, в частности для обучения нейронных сетей. Мы рассмотрим их основную идею и ключевые особенности, переходя от простых к более сложным концепциям. Помимо этого, в самом конце вы сможете найти большое количество дополнительных источников для более детального ознакомления с материалом.

В данной статье в виде ссылок представлены все популярные алгоритмы классического машинного обучения с их подробным теоретическим описанием и немного упрощённой реализацией с нуля на Python, отражающей основную идею. Помимо этого, в конце каждой темы указаны дополнительные источники для более глубокого ознакомления, а суммарное время прочтения статей ниже составляет более трёх часов!

В машинном и глубоком обучении линейная регрессия занимает особое место, являясь не просто статистическим инструментом, но а также фундаментальным компонентом для многих более сложных концепций. В данной статье рассмотрен не только принцип работы линейной регрессии с реализацией с нуля на Python, но а также описаны её модификации и проведён небольшой сравнительный анализ основных методов регуляризации. Помимо этого, в конце указаны дополнительные источники для более глубокого ознакомления.

Начнём с более простого. Логистическая регрессия — линейный бинарный классификатор, основанный на применении сигмоидальной функции к линейной комбинации признаков, результатом которого является вероятность принадлежности к определённому классу. Обычно порог устанавливается 0.5: если вероятность меньше порога — класс относится к 0, а если больше — к 1. В принципе, условия определения логистической регрессии такие же как и у линейной за исключением бинаризации таргета.

Линейный дискриминантный анализ (Linear Discriminant Analysis или LDA) — алгоритм классификации и понижения размерности, позволяющий производить разделение классов наилучшим образом. Основная идея LDA заключается в предположении о многомерном нормальном распределении признаков внутри классов и поиске их линейного преобразования, которое максимизирует межклассовую дисперсию и минимизирует внутриклассовую. Другими словами, объекты разных классов должны иметь нормальное распределение и располагаться как можно дальше друг от друга, а одного класса — как можно ближе.

Наивный байесовский классификатор (Naive Bayes classifier) — вероятностный классификатор на основе формулы Байеса со строгим (наивным) предположением о независимости признаков между собой при заданном классе, что сильно упрощает задачу классификации из-за оценки одномерных вероятностных плотностей вместо одной многомерной.

Помимо теории и реализации с нуля на Python, в данной статье также будет приведён небольшой пример использования наивного Байеса в контексте фильтрации спама со всеми подробными расчётами вручную.

Метод опорных векторов (Support Vector Machines или просто SVM) — мощный и универсальный набор алгоритмов для работы с данными любой формы, применяемый не только для задач классификации и регрессии, но и также для выявления аномалий. В данной статье будут рассмотрены основные подходы к созданию SVM, принцип работы, а также реализации с нуля его наиболее популярных разновидностей.

К-ближайших соседей (K-Nearest Neighbors или просто KNN) — алгоритм классификации и регрессии, основанный на гипотезе компактности, которая предполагает, что расположенные близко друг к другу объекты в пространстве признаков имеют схожие значения целевой переменной или принадлежат к одному классу.

Дерево решений CART (Classification and Regressoin Tree) — алгоритм классификации и регрессии, основанный на бинарном дереве и являющийся фундаментальным компонентом случайного леса и бустингов, которые входят в число самых мощных алгоритмов машинного обучения на сегодняшний день. Деревья также могут быть не бинарными в зависимости от реализации. К другим популярным реализациям решающего дерева относятся следующие: ID3, C4.5, C5.0.

Далее пойдёт речь про бэггинг и мой самый любимый алгоритм — случайный лес. Не смотря на то, что это одни из самых первых алгоритмов среди семейства ансамблей, они до сих пор пользуются большой популярностью за счёт своей простоты и эффективности, зачастую не уступая бустингам в плане точности. О том, что это такое и как работает, далее в статье.

Следующим мощным алгоритмом машинного обучения является AdaBoost (adaptive boosting), в основе которого лежит концепция бустинга, когда слабые базовые модели последовательно объединяются в одну сильную, исправляя ошибки предшественников.

В AdaBoost в качестве базовой модели используется пень решений (могут использоваться другие модели) — дерево с небольшой глубиной, которому присваивается вектор весов размера N, каждое значение которого соответствует определённому значению y_train и изначально равно 1 / N, где N — количество образцов в обучающей выборке. Каждый следующий пень обучается с учётом весов, рассчитанных на основе ошибок предыдущего прогноза. Также для каждого обученного пня отдельно рассчитывается вес, используемый для оценки важности итоговых прогнозов.

На сегодняшний день градиентный бустинг (gradient boosting machine) является одним из основных production-решений при работе с табличными, неоднородными данными, поскольку обладает высокой производительностью и точностью, а если быть точнее, то его модификации, речь о которых пойдёт чуть позже.

В данной статье представлена не только реализация градиентного бустинга GBM с нуля на Python, но а также довольно подробно описаны ключевые особенности его наиболее популярных модификаций.

Среди всех методов ансамблирования особое внимание заслуживают две очень мощные техники, известные как стекинг (stacked generalization) и блендинг, особенность которых заключается в возможности использования прогнозов не только однородных, но и сразу нескольких разных по природе алгоритмов в качестве обучающих данных для другой модели, на которой будет сделан итоговый прогноз. Например, прогнозы логистической регрессии и градиентного бустинга могут быть использованы для обучения случайного леса, на котором уже будет выполнен итоговый прогноз.

Стекинг и блендинг очень схожи между собой, однако между ними есть существенные различия, заключающиеся в разделении и использовании тренировочных данных. Рассмотрим более подробно как это происходит.

Метод главных компонент (Principal Component Analysis или же PCA) — алгоритм обучения без учителя, используемый для понижения размерности и выявления наиболее информативных признаков в данных. Его суть заключается в предположении о линейности отношений данных и их проекции на подпространство ортогональных векторов, в которых дисперсия будет максимальной.

Такие вектора называются главными компонентами и они определяют направления наибольшей изменчивости (информативности) данных. Альтернативно суть PCA можно определить как линейное проецирование, минимизирующее среднеквадратичное расстояние между исходными точками и их проекциями.

Кластеризация — это набор методов без учителя для группировки данных по определённым критериям в так называемые кластеры, что позволяет выявлять сходства и различия между объектами, а также упрощать их анализ и визуализацию. Из-за частичного сходства в постановке задач с классификацией кластеризацию ещё называют unsupervised classification.

В данной статье описан не только принцип работы популярных алгоритмов кластеризации от простых к более продвинутым, но а также представлены их упрощённые реализации с нуля на Python, отражающие основную идею. Помимо этого, в конце каждого раздела указаны дополнительные источники для более глубокого ознакомления.

То, что данные называют нефтью 21 века известно уже давно: на них учатся нейросети, их мгновенная обработка и передача сильно упростили нашу жизнь, и одной из самых распространенных структур хранения данных является реляционная.

Основным инструментом для взаимодействия с реляционными БД является структурированный язык запросов или же SQL.

Вкратце, на мой взгляд, необходимо знать следующие разделы:

Простой и красивый синтаксис, множество библиотек под самые разные задачи и большое комьюнити делают Python одним из самых популярных языков программирования на сегодняшний день, который активно используется в data science и машинном обучении, веб-разработке и других областях программирования.

Когда я начал изучать питон, у меня возникло несколько вопросов.

Беспилотные автомобили, продвинутые голосовые ассистенты, рекомендательные системы – это только малая часть тех классных продуктов, которые создаются с помощью инженеров по машинному обучению и, думаю, не для кого не секрет, что за кулисами сего чуда стоит математика. Именно она играет главную роль в понимании алгоритмов машинного и глубокого обучения.

Машинное обучение держится на трёх основных столпах: