Bài giảng Học máy - Bài 5: Các phương pháp học không giám sát - Nguyễn Nhật Quang

Học Máy (IT 4862) ễ hậNguy n N t Quang quangnn-fit@mail.hut.edu.vn Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Công nghệ thông tin và truyền thông Năm học 2011-2012 Nội d ô hung m n ọc: „ Giới thiệu chung „ Đánh giá hiệu năng hệ thống học máy „ Các phương pháp học dựa trên xác suất „ Các phương pháp học có giám sát Cá h há h khô iá át„ c p ương p p ọc ng g m s „ Giới thiệu về phân cụm „ Phân cụm dựa trên phân tách: k-Means „ Lọc cộng tác „ Học tăng cường 2 Học Máy (IT 4862) Học có vs. không có giám sát „ Học có giám sát (Supervised learning) ‰ Tập dữ liệu (dataset) bao gồm các ví dụ mà mỗi ví dụ được gắn , kèm với một nhãn lớp/giá trị đầu ra mong muốn ‰ Mục đích là học (xấp xỉ) một giả thiết (vd: một phân lớp, một hàm mục tiêu ) phù hợp với tập dữ liệu hiện có,... ‰ Giả thiết học được (learned hypothesis) sau đó sẽ được dùng để phân lớp/dự đoán đối với các ví dụ mới „ Học không có giám sát (Unsupervised learning) ‰ Tập dữ liệu (dataset) bao gồm các ví dụ, mà mỗi ví dụ không có thông tin về nhãn lớp/giá trị đầu ra mong muốn ‰ Mục đích là tìm ra (học) các cụm/các cấu trúc/các quan hệ tồn tại trong tập dữ liệu hiện có 3Học Máy (IT 4862) Phân cụm „ Phân cụm/nhóm (Clustering) là phương pháp học không có giám sát được sử dụng phổ biến nhất ‰ Tồn tại các phương pháp học không có giám sát khác, ví dụ: Lọc cộng tác (Collaborative filtering), Khai phá luật kết hợp (Association rule mining) , ... „ Học phân cụm ‰ Đầu vào: một tập dữ liệu không có nhãn (các ví dụ không có nhãn lớp/giá trị đầu ra mong muốn) ‰ Đầu ra: các cụm (nhóm) của các ví dụ „ Một cụm (cluster) là một tập các ví dụ ‰ Tương tự với nhau (theo một ý nghĩa, đánh giá nào đó) ‰ Khác biệt với các ví dụ thuộc các cụm khác 4Học Máy (IT 4862) Phân cụm – Ví dụ Một ví dụ về phân cụm: Các ví dụ được phân chia thành 3 cụm [Liu, 2006] 5Học Máy (IT 4862) Phân cụm – Các thành phần „ Hàm tính khoảng cách (độ tương tự, độ khác biệt) ả„ Gi i thuật phân cụm • Dựa trên phân tách (Partition-based clustering) • Dựa trên tích tụ phân cấp (Hierarchical clustering) • Bản đồ tự tổ thức (Self-organizing map – SOM) • Các mô hình hỗn hợp (Mixture models) • „ Đánh giá chất lượng phân cụm (Clustering quality) • Khoảng cách/sự khác biệt giữa các cụm→ Cần được cực đại hóa • Khoảng cách/sự khác biệt bên trong một cụm→ Cần được cực tiểu hóa 6Học Máy (IT 4862) Phân cụm k-Means „ Là phương pháp phổ biến nhất trong các phương pháp phân cụm dựa trên chia cắt (partition-based clustering) „ Tập dữ liệu D={x1,x2,,xr} • là một ví dụ (một vectơ trong một không gian n chiều)xi „ Giải thuật k-means phân chia (partitions) tập dữ liệu thành k cụm • Mỗi cụm (cluster) có một điểm trung tâm, được gọi là centroid •k (tổng số các cụm thu được) là một giá trị được xác định trước (vd: được chỉ định bởi người thiết kế hệ thống phân cụm) 7Học Máy (IT 4862) k-Means – Các bước chính Với một giá trị k được xác định trước B ớ 1 Ch ẫ hiê k í d (đ i là á h t• ư c . ọn ng u n n v ụ ược gọ c c ạ nhân – seeds) để sử dụng làm các điểm trung tâm ban đầu (initial centroids) của k cụm • Bước 2. Đối với mỗi ví dụ, gán nó vào cụm (trong số k cụm) có điểm trung tâm (centroid) gần ví dụ đó nhất • Bước 3. Đối với mỗi cụm, tính toán lại điểm trung tâm (centroid) của nó dựa trên tất cả các ví dụ thuộc vào cụm đó • Bước 4. Dừng lại nếu điều kiện hội tụ (convergence criterion) được thỏa mãn; nếu không, quay lại Bước 2 8Học Máy (IT 4862) k-means(D, k) D: Tập ví dụ học k: Số lượng cụm kết quả (thu được) Lựa chọn ngẫu nhiên k ví dụ trong tập D để làm các điểm trung tâm ầban đ u (initial centroids) while not CONVERGENCE for each ví dụ x∈D Tính các khoảng cách từ x đến các điểm trung tâm (centroid) Gán x vào cụm có điểm trung tâm (centroid) gần x nhất end for for each cụm Tính (xác định) lại điểm trung tâm (centroid) dựa trên các ví dụ hiện thời đang thuộc vào cụm này end while {k cụm kết quả}return 9 Học Máy (IT 4862) Điều kiện hội tụ Quá trình phân cụm kết thúc, nếu: • Không có (hoặc có không đáng kể) việc gán lại các ví dụ vào các cụm khác, hoặc • Không có (hoặc có không đáng kể) thay đổi về các điểm trung tâm ( t id ) ủ á h ặcen ro s c a c c cụm, o c • Giảm không đáng kể về tổng lỗi phân cụm: ∑ ∑k dE 2)( ƒCi: Cụm thứ i = ∈ = i Ci rror 1 , x imx ƒmi: Điểm trung tâm (centroid) của cụm Ci ƒ d(x, mi): Khoảng cách (khác biệt) giữa ví dụ x và điểm trung tâm mi 10Học Máy (IT 4862) k-Means – Minh họa (1) 11Học Máy (IT 4862) [Liu, 2006] k-Means – Minh họa (2) 12Học Máy (IT 4862) [Liu, 2006] Điểm trung tâm, Hàm khoảng cách „ Xác định điểm trung tâm: Điểm trung bình (Mean centroid) ∑1 • (vectơ) mi là điểm trung tâm (centroid) của cụm Ci ∈ = iCiC x i xm • |Ci| kích thước của cụm Ci (tổng số ví dụ trong Ci) Hàm khoảng cách: Euclidean distance„ ( ) ( ) ( )2222211 ...),( innii mxmxmxd −++−+−=−= ii mxmx • (vectơ) mi là điểm trung tâm (centroid) của cụm Ci • d(x,mi) là khoảng cách giữa ví dụ x và điểm trung tâm mi 13Học Máy (IT 4862) k-Means – Các ưu điểm „ Đơn giản Rất dễ ài đặt• c • Rất dễ hiểu Hiệ ả„ u qu • Độ phức tạp về thời gian ~ O(r.k.t) ƒ r: Tổng số các ví dụ (kích thước của tập dữ liệu) ƒ k: Tổng số cụm thu được ƒ t: Tổng số bước lặp (của quá trình phân cụm) ế ả ề ỏ ả• N u c 2 giá trị k và t đ u nh , thì gi i thuật k-means được xem như là có độ phức tạp ở mức tuyến tính „ k means là giải thuật phân cụm được dùng phổ biến nhất 14Học Máy (IT 4862) - k-Means – Các nhược điểm (1) „ Giá trị k (số cụm thu được) phải được xác định trước „ Giải thuật k-means cần xác định cách tính điểm trung bình (centroid) của một cụm ố• Đ i với các thuộc tính định danh (nominal attributes), giá trị trung bình có thể được xác định là giá trị phổ biến nhất Giải thuật k means nhạy cảm (gặp lỗi) với các ví dụ„ - ngoại lai (outliers) • Các ví dụ ngoại lai là các ví dụ (rất) khác biệt với tất các ví dụ khác • Các ví dụ ngoại lai có thể do lỗi trong quá trình thu thập/lưu dữ liệu • Các ví dụ ngoại lai có các giá trị thuộc tính (rất) khác biệt với các 15Học Máy (IT 4862) giá trị thuộc tính của các ví dụ khác k-Means – Các ví dụ ngoại lai 16Học Máy (IT 4862) [Liu, 2006] Giải quyết vấn đề ngoại lai • Giải pháp 1. Trong quá trình phân cụm, cần loại bỏ một số các ví dụ quá khác biệt với (cách xa) các điểm trung tâm (centroids) so với các ví dụ khác ─ Để chắc chắn (không loại nhầm), theo dõi các ví dụ ngoại lai (outliers) qua một vài (thay vì chỉ 1) bước lặp phân cụm trước khi , quyết định loại bỏ • Giải pháp 2. Thực hiện việc lấy mẫu ngẫu nhiên (a random sampling) ─ Do quá trình lấy mẫu chỉ lựa chọn một tập con nhỏ của tập dữ liệu ban đầu nên khả năng một ngoại lai (outlier) được chọn là , rất nhỏ ─ Gán các ví dụ còn lại của tập dữ liệu vào các cụm tùy theo đánh giá về khoảng cách (hoặc độ tương tự) 17Học Máy (IT 4862) k-Means – Các nhược điểm (2) „ Giải thuật k-means phụ thuộc vào việc chọn các điểm trung tâm ban đầu (initial centroids) 1st centroid 2 d t idn cen ro 18Học Máy (IT 4862) [Liu, 2006] k-Means – Các hạt nhân ban đầu (1) „ Sử dụng các hạt nhân (seeds) khác nhau → Kết quả tốt hơn! • Thực hiện giải thuật k-means nhiều lần, mỗi lần bắt đầu với một tập (khác lần trước) các hạt nhân được chọn ngẫu nhiên 19Học Máy (IT 4862) [Liu, 2006] k-Means – Các hạt nhân ban đầu (2) „ Lựa chọn ngẫu nhiên hạt nhân thứ 1 (m1) „ Lựa chọn hạt nhân thứ 2 (m2) càng xa càng tốt so với hạt nhân thứ 1 „ „ Lựa chọn hạt nhân thứ i (mi) càng xa càng tốt so với hạt nhân gần nhất trong số {m m m } 1, 2, , i-1 „ ... 20Học Máy (IT 4862) k-Means – Các nhược điểm (3) „ Giải thuật k-means không phù hợp để phát hiện các cụm (nhóm) không có dạng hình elip hoặc hình cầu 21Học Máy (IT 4862) [Liu, 2006] k-Means – Tổng kết „ Mặc dù có những nhược điểm như trên, k-means vẫn là giải thuật phổ biến nhất được dùng để giải quyết các bài toán phân cụm – do tính đơn giản và hiệu quả • Các giải thuật phân cụm khác cũng có các nhược điểm riêng „ Về tổng quát, không có lý thuyết nào chứng minh rằng một giải thuật phân cụm khác hiệu quả hơn k-means ố ể ố• Một s giải thuật phân cụm có th phù hợp hơn một s giải thuật khác đối với một số kiểu tập dữ liệu nhất định, hoặc đối với một số bài toán ứng dụng nhất định „ So sánh hiệu năng của các giải thuật phân cụm là một nhiệm vụ khó khăn (thách thức) • Làm sao để biết được các cụm kết quả thu được là chính xác? 22Học Máy (IT 4862) Tài liệu tham khảo •B. Liu. Web Data Mining: Exploring Hyperlinks, Contents, and Usage Data. Springer, 2006. 23Học Máy (IT 4862)