← Zpět na přehledROZ / 04
VýkladS komentářem
ROZ 04 · Výklad s komentářem

Jak se model učí z dat

Rozhodovací pravidlo potřebuje parametry nebo celá rozdělení. Učení je jejich odhad z dostupných pozorování.

Projdeme bodové i Bayesovské odhady, neparametrické hustoty, neoznačené směsi, EM a volbu trénovacích dat.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 1

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Co znamená učit se

Učení s učitelem používá označená data, bez učitele hledá strukturu. Transfer využívá předchozí model pro novou úlohu; jeho vhodnost závisí na vztahu domén.

Přednáška zdůrazňuje také férovost a změnu prostředí. Velký soubor nemůže automaticky napravit systematicky chybné či nereprezentativní označení.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 1, 2, 3, 4

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Parametrický a neparametrický přístup

Parametrický model předem volí rodinu rozdělení a učí konečný počet parametrů. Neparametrický model dovoluje strukturu více přizpůsobit datům.

Flexibilita ale není zdarma: potřebujeme dost dat, vhodné vyhlazení a kontrolu složitosti. Oba přístupy obsahují předpoklady.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 4

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Klasická a Bayesovská statistika

V klasickém pojetí jsou parametry pevné neznámé hodnoty a hodnotíme opakované použití odhadu. Bayesovské pojetí pracuje s jejich priorním a posteriorním rozdělením.

Množství známé informace určuje úlohu: od hotového klasifikátoru přes označené či částečně označené vzorky až po zcela neoznačenou směs.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 4, 5

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Identifikovatelnost

Parametr lze jednoznačně obnovit z rozdělení jen tehdy, pokud různé parametry nepopisují stejné pozorovatelné rozdělení.

U směsí běžně nerozlišujeme přejmenování komponent. Závažnější neidentifikovatelnost nastává, když ani po této ekvivalenci nelze jednotlivé komponenty odvodit.

pθ=pθ′ ⟹ θ=θ′

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 5

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Co je odhad

Odhad je funkce náhodného výběru. Jeho hodnota se mezi výběry mění, i když je skutečný parametr stejný.

Momentová metoda, minimum χ², věrohodnost a Bayesovský odhad optimalizují různá kritéria. Nelze je zaměnit jen podle toho, který dává hezčí číslo.

θ^=T(X1,…,Xn)

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 6, 7

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Vychýlení a konzistence

Nestranný odhad má střední hodnotu rovnou pravému parametru. Konzistence znamená přibližování odhadu pravé hodnotě s rostoucím množstvím dat v určeném smyslu konvergence.

Ani malá variance nezaručuje malé vychýlení. Konzistentní odhad také nemusí být nestranný pro každý konečný vzorek.

bias(θ^)=E[θ^]−θ
θ^n→Pθ

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 7

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Variance, MSE a efektivita

Střední kvadratická chyba kombinuje rozptyl odhadu a jeho vychýlení. Proto může mírně vychýlený odhad být užitečnější než nestranný s velkou variancí.

Cramérova–Raova mez omezuje varianci nestranných odhadů za příslušných regularitních předpokladů. Dosažení meze se nazývá efektivita.

MSE=Var(θ^)+bias(θ^)2
Var(θ^)≥In(θ)−1
x₁x₂
Konstruované body a směr/hranice; nejde o experimentální data.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 8, 9

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Postačující statistika

Postačující statistika uchovává ve vzorku všechnu informaci relevantní k parametru v daném modelu. Nejde o univerzální kompresi pro libovolnou budoucí úlohu.

Například u Bernoulliho pokusů se společným parametrem stačí pro jeho odhad znát počet úspěchů a velikost výběru.

p(T∣θ)=g(s(T),θ)h(T)

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 8

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Momentová metoda

Teoretické momenty ztotožníme s výběrovými a vyřešíme rovnice pro parametry. U normálního rozdělení tak dostaneme výběrový průměr a rozptyl s dělením n.

Metoda vyžaduje existenci příslušných momentů. Například Cauchyho rozdělení nemá běžnou konečnou střední hodnotu ani rozptyl.

μ^=1n∑jxj
σ^ML2=1n∑j(xj−μ^)2

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 10

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Minimum χ²

Pozorování rozdělíme do intervalů. Porovnáváme jejich skutečné četnosti nᵢ s očekávanými n·pᵢ(θ).

Volbou parametrů minimalizujeme vážené odchylky. Vzorec vyžaduje kladné očekávané četnosti; kvantování a malé počty mohou ovlivnit výsledek.

θ^=argminθ∑i(ni−npi(θ))2npi(θ)

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 10, 11

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Maximální věrohodnost a MAP

ML vybírá parametr, při kterém jsou pozorovaná data nejvěrohodnější. U nezávislých vzorků přejdeme od součinu k součtu logaritmů.

MAP přidává prior parametru. Pseudověrohodnost je jiné zjednodušené kritérium a vyžaduje vlastní zdůvodnění.

ℓ(θ)=∑jlogp(xj∣θ)
θ^MAP=argmaxθ[ℓ(θ)+logp(θ)]

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 11

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Bayesovská predikce

Posterior parametru kombinuje prior s věrohodností trénovacích dat. Pro nové pozorování integrujeme přes zbývající nejistotu o parametru.

Nová data lze zapracovat rekurzivně: včerejší posterior se stane dnešním priorem. Konvergence vyžaduje předpoklady modelu a nelze ji slibovat bez nich.

p(θ∣T)∝p(T∣θ)p(θ)
p(x∣T)=∫p(x∣θ)p(θ∣T)dθ

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 12

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Odhad závisí na ztrátě

Pro kvadratickou ztrátu minimalizuje posteriorní očekávanou ztrátu posteriorní průměr. Absolutní ztráta vede k posteriornímu mediánu.

Maximum posteriorní hustoty je MAP, ale není automaticky optimální pro libovolnou ztrátovou funkci.

θ^L2=E[θ∣T]

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 13

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Histogram jako odhad hustoty

Počet prvků v buňce převedeme na pravděpodobnostní hmotu dělením počtem pozorování. Pro hustotu musíme navíc dělit objemem buňky.

Při k intervalech v každém z d rozměrů vznikne kᵈ buněk. Ve velkém rozměru bývá většina z nich prázdná.

p^(x)=nbinnVbin
Nbins=kd

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 13

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Parzenův odhad a šířka jádra

Každé pozorování nahradíme normalizovaným nezáporným jádrem a všechna zprůměrujeme. Gaussovské, kulové a krychlové jádro se liší tvarem i chováním hranic.

Pro konzistenci se obvykle nechává šířka h klesat, ale počet vzorků v lokálním objemu musí růst. Příliš malá i příliš velká šířka mají své chyby.

p^(x)=1nhd∑jK(x−xjh)
h→0,nhd→∞
AB
Dvě konstruované hustoty; výška není pravděpodobnost bodu.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 13, 14

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Neoznačená data: módy nebo směs

Můžeme hledat oddělené módy rozdělení, nebo předpokládat směs parametrických komponent. Výsledek závisí na tom, co model považuje za shluk.

UNISEP promítá data do směrů vlastních vektorů, hledá minima mezi módy histogramu a rekurzivně rozděluje soubor. Šum a projekce mohou vytvářet nebo skrývat zdánlivé módy.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 14, 15

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Směsi a nejednoznačnost

Pozorujeme pouze součet vážených komponent, nikoli jejich označení. Přejmenování komponent samo o sobě rozdělení nezmění.

U dvousložkové Bernoulliho směsi se stejnými vahami určuje pozorování pouze průměr parametrů. Dvojice 0,2 a 1,0 může dát stejnou směs jako 0,6 a 0,6.

p(x)=∑k=1Kπkp(x∣θk)
P(X=1)=12(θ1+θ2)

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 15, 16, 17

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Momentová metoda pro směs

Momenty směsi jsou vážené součty momentů jejích komponent. U Gaussovské směsi druhý moment obsahuje rozptyl i čtverec středu.

Samotný počet rovnic nestačí: řešení může být nejednoznačné nebo nestabilní. Pozorovatelný střed směsi není středem každé komponenty.

E[X]=∑kπkμk
E[X2]=∑kπk(σk2+μk2)

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 17

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Proč je učení směsi provázané

Při maximální věrohodnosti neoznačené směsi se uvnitř každého logaritmu sčítají všechny komponenty. Parametry proto nelze jednoduše odhadnout po třídách nezávisle.

Latentní přiřazení pozorování ke komponentám vede k algoritmu EM.

ℓ(θ)=∑jlog(∑kπkp(xj∣θk))

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 17

ROZ 04 · Výklad s komentářem

EM: očekávání a maximalizace

V E-kroku odhadneme posteriorní rozdělení skrytých proměnných při současných parametrech. V M-kroku maximalizujeme očekávanou úplnou logaritmickou věrohodnost.

Střídáme doplnění neznámé informace a aktualizaci parametrů. Nejde obecně o tvrdé přiřazení každého bodu jedné třídě.

Q(θ∣θt)=E[logp(X,Z∣θ)∣X,θt]
θt+1=argmaxθQ(θ∣θt)
E: odpovědnostiM: parametryDalší iterace
Nově kreslené schéma GRAFIT · ilustrační konstrukce.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 18

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Číselný příklad neúplného pozorování

Podklad pracuje s četnostmi (125,18,20,34) a kategoriemi s pravděpodobnostmi (2+α,1−α,1−α,α)/4. První kategorie slučuje dvě skryté možnosti.

Při α=0,5 připadne proměnné části první kategorie očekávaných 25 pozorování. M-krok dá α′=59/97≈0,60825.

z^=125α2+α
α′=z^+34z^+34+18+20

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 18

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Vlastnosti a meze EM

Při přesném E-kroku a odpovídající maximalizaci věrohodnost neklesá. To ale nezaručuje globální optimum ani jediný správný rozklad.

Záleží na inicializaci a regularitě. U Gaussovských směsí může komponenta kolabovat do bodu a vést k degeneraci.

ℓ(θt+1)≥ℓ(θt)

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 18, 19

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Diskrétní směs součinových komponent

Uvnitř každé komponenty lze předpokládat nezávislé diskrétní souřadnice. E-krok určí váhy přiřazení a M-krok z nich počítá vážené četnosti.

Podmíněná nezávislost uvnitř komponent neznamená nezávislost v celé směsi. Marginalizaci lze v tomto modelu provést součtem přes komponenty.

p(x)=∑kπk∏rp(xr∣θk)

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 19

ROZ 04 · Výklad s komentářem

EM pro Gaussovskou směs

Odpovědnost rⱼₖ říká, nakolik bod j patří komponentě k. Z těchto vah vypočteme efektivní velikost komponenty, její střed a kovarianci.

Kovariance musí být numericky použitelná. Omezení společné kovariance nebo regularizace mění model a mají být explicitní.

Nk=∑jrjk,πk′=Nk/n
μk′=1Nk∑jrjkxj
Σk′=1Nk∑jrjk(xj−μk′)(xj−μk′)⊤

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 20

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Co nám poskytují označená data

Známé třídy usnadní oddělené učení komponent; neoznačená směs nese menší informaci o jejich rozkladu. V obou případech rozhoduje reprezentativnost dat.

Vyvažování, podvzorkování, kopírování a syntéza mají odlišné důsledky. Kopie jednoho případu není nové nezávislé pozorování.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 21, 22

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Málo vzorků, mnoho parametrů

Vzorková kovariance nemusí být při malém n invertibilní. Můžeme snížit rozměr, sdílet kovarianci mezi třídami nebo ji přiblížit stabilnějšímu cíli.

Smrštění k násobku jednotkové matice ponechá průměrné měřítko rozptylu. Sílu regularizace vybíráme na validačních datech.

Σλ=(1−λ)Σ^+λτI
τ=tr(Σ^)/d

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 22, 23

ROZ 04 · Výklad s komentářem

Hughesův jev

Při pevném množství trénovacích dat nemusí více příznaků znamenat lepší klasifikaci. Zisk informace může převážit narůstající chyba odhadu jen do určité složitosti.

Příznaky i regularizaci vybíráme uvnitř trénovacího procesu. Test zůstává nezávislým závěrečným vyhodnocením.

x₁x₂
Konstruované body a směr/hranice; nejde o experimentální data.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 23

ROZ 04 · Interaktivní doplněk GRAFIT

Minimum s kvadratickou penalizací

Vyzkoušejte · doplněk GRAFIT

Konstruovaný didaktický model. Měňte vstupy a sledujte výpočet; nejde o naměřený výkon ani plný učící algoritmus.

ROZ 04 · Řešený příklad · doplněk GRAFIT

Normalizace jako únik informace

Průměr a směrodatnou odchylku pro standardizaci spočítáme pouze z trénovací části. Stejnou transformaci potom použijeme na validaci a test. Při křížové validaci se odhad transformace opakuje uvnitř každého trénovacího foldu.

Opakované ladění podle testovacího výsledku mění test v další validační sadu. Stejné osoby či téměř duplicitní vzorky ve více sadách mohou hodnocení výrazně zkreslit.

ROZ 04 · Ověření porozumění · doplněk GRAFIT

Zkuste si odpovědět

Můžeme standardizaci před křížovou validací naučit na všech vzorcích?

Zobrazit vysvětlení

Ne. Transformace se učí uvnitř každého trénovacího foldu a použije se na jeho validační část.

ROZ 04 · Shrnutí souvislostí · komentář GRAFIT

Co se z dat učí

Učení s učitelem využívá vstupy a cílové odpovědi. Učení bez učitele hledá strukturu bez těchto třídních štítků. Rozdíl není v konkrétním programovacím jazyce, ale v dostupné informaci a cíli úlohy.

ROZ 04 · Shrnutí souvislostí · komentář GRAFIT

Model a jeho nastavení

Parametry se odhadují v trénování, hyperparametry se vybírají validačním postupem. I výběr příznaků, normalizace a rozhodovací práh mohou být součástí učení a musejí respektovat hranici mezi tréninkem a testem.

ROZ 04 · Shrnutí souvislostí · komentář GRAFIT

Přeučení

Složitější model může snížit trénovací chybu a přitom zhoršit chybu na nových datech. Regularizace, vhodná kapacita a dostatek reprezentativních dat pomáhají, ale neposkytují automatickou záruku přenosu do jiné domény.

ROZ 04 · Shrnutí souvislostí · komentář GRAFIT

Učení není důkaz kvality

Nízká optimalizační ztráta sama neprokazuje dobrou klasifikaci. Výsledky závisejí na rozdělení dat, metrice, rozdělení do sad i opakování experimentu. Test použijeme až pro závěrečný odhad výkonu vybraného postupu.

ROZ 04 · Provenience

Podklady a způsob zpracování

Autor původních podkladů: Michal Haindl, FIT ČVUT / ÚTIA AV ČR, 2023–2024. Český tematický přepis, vysázení a didaktické doplňky: GRAFIT, 2026.

Tato verze slučuje postupná odhalení a vysvětluje témata vlastními větami. Není doslovnou reprodukcí každé původní tabulky ani náhradou aktuálních organizačních pokynů. Zdrojové PDF zůstává beze změny; žádný původní snímek zde není vložen jako obrázek.

Stáhnout původní PDFAutorský zdrojMapa témat a SHA-256

Obsah přednášky

Moje poznámky

Ukládají se jen v tomto prohlížeči.