Как учатся модели машинного обучения?

Ранее я написал небольшую статью про историю ML, а сегодня хочу развить тему дальше.

Речь пойдет о моделях, которые учатся, минимизируя функцию потерь градиентными методами. У других алгоритмов (например, деревья) свои механизмы, но они тоже оптимизируют критерий качества. Есть и алгоритмы, которые вообще не проходят этап обучения - например, kNN просто хранит обучающие данные и делает предсказания на основе ближайших соседей.

Когда модель обучается с «учителем», у нее есть простая джоба: на вход размеченные данные, на выход - предсказание. Но дальше возникает ключевой вопрос: как понять, насколько предсказание хорошее, и как сделать так, чтобы в следующий раз было лучше?

Для этого нужна функция потерь (loss). Формально функция потерь сравнивает две вещи:
▪️ правильный ответ (y);
▪️ предсказание модели ŷ.

И превращает разницу между ними в число ошибки. Именно это число становится целью обучения - модель старается его уменьшить.

Как выглядит обучение по шагам?

Обычно перед обучением проводят подготовку и делят данные на три части:
▪️тренировочная выборка - это те данные, на которых будет учиться модель;
▪️валидационная выборка - чтобы проверять, не начинает ли модель «зазубривать» тренировочные данные и как лучше настроить параметры;
▪️тестовая выборка - финальная честная проверка, когда обучение уже закончено.

1⃣ Модель делает предсказание
Мы подаем признаки (X) в модель, она считает ответ и выдает свой прогноз.

2⃣ Считаем ошибку (loss)
Теперь сравниваем получившееся предсказание модели с правильным ответом, то есть y и ŷ. Получаем ошибку модели и если модель сильно ошибается - loss будет большим. Если предсказывает хорошо, то маленьким.

3⃣ Считаем градиент
Дальше нужно понять, как изменить параметры модели, чтобы ошибка уменьшилась. Для этого считается градиент функции потерь - он показывает направление, в котором нужно менять параметры.

4⃣ Обновляем параметры модели
Сам градиент параметры не меняет. Его использует оптимизатор - специальный алгоритм обновления весов. Оптимизатор делает маленький шаг в сторону уменьшения ошибки.
И после обновления параметров цикл начинается заново.

В итоге получается такой алгоритм:
Сделали предсказание > Посчитали ошибку > Вычислили градиент > Обновили параметры > Повторили тысячи раз.

Какие бывают функции потерь?

Их много, потому что разные задачи требуют разных способов измерять ошибку.

Для интуитивного понимания достаточно двух примеров:
▪️MSE (mean squared error) - ошибка возводится в квадрат. Это значит, что большие ошибки «наказываются» особенно сильно, поэтому модель старается избегать крупных промахов.
▪️MAE (mean absolute error) - берется просто абсолютная разница. Такая функция потерь относится к ошибкам более спокойно и обычно лучше переносит редкие выбросы.

Понимание этого цикла - одна из базовых идей ML. Многие современные модели, от простой линейной регрессии до нейросетей, в той или иной форме обучаются именно так.

#харды #ml