Боби 1. Омӯзиши мошинӣ чист?

Дар ин боб меомӯзем

• Омӯзиши мошинӣ чист ва аз барномарезии анъанавӣ чӣ фарқ дорад.
• Худомӯзӣ: чӣ гуна модел аз додаҳо таҷриба ҷамъ мекунад.
• Чаро додаҳои бештар на ҳамеша беҳтаранд.
• Додаҳои омӯзишӣ ва санҷишӣ барои чӣ лозиманд.
• Ҷойгоҳи омӯзиши мошинӣ дар байни илмҳои компютерӣ, илми додаҳо, зеҳни сунъӣ ва додаковӣ.

Соли 1959 олими амрикоӣ Артур Сэмюэл (Arthur Samuel), ки дар ширкати IBM кор мекард, мақолаеро нашр кард, ки дар он компютер бозии шашкаро меомӯхт. Барномаи ӯ ҳар бор, ки бозӣ мекард, аз натиҷаи ҳаракатҳои худ хулоса мебаровард ва тадриҷан аз муаллифи худ беҳтар бозӣ карданро ёд гирифт. Ҳамин мақола яке аз нуқтаҳои оғози соҳаест, ки имрӯз омӯзиши мошинӣ (machine learning) ном дорад.

Гарчанде мақолаи Артур Сэмюэл аввалин мақолаи нашршудае набуд, ки дар он истилоҳи «омӯзиши мошинӣ» истифода шудааст, ӯро аввалин шахсе медонанд, ки омӯзиши мошиниро ҳамчун мафҳум ва соҳаи махсуси имрӯза муаррифӣ ва таъриф кардааст. Мақолаи бунёдии ӯ бо номи «Баъзе таҳқиқот дар омӯзиши мошинӣ бо истифода аз бозии шашка» омӯзиши мошиниро ҳамчун зерсоҳаи илмҳои компютерӣ муаррифӣ кард, ки ба компютерҳо имкон медиҳад бидуни барномарезии ошкоро омӯзанд.

Гарчанде дар таърифи ибтидоии Артур Сэмюэл мустақиман ба ин масъала пардохта нашудааст, яке аз хусусиятҳои асосии омӯзиши мошинӣ мафҳуми худомӯзӣ мебошад. Ин мафҳум истифодаи моделсозии омориро барои ошкор кардани қолабҳо ва беҳтар кардани натиҷаҳо дар асоси додаҳо ва маълумоти таҷрибавӣ ифода мекунад. Ҳамаи ин бе фармонҳои мустақими барномавӣ барои ҳар ҳолати мушаххас анҷом меёбад.

Маҳз ҳаминро Артур Сэмюэл «қобилияти омӯхтан бидуни барномарезии ошкоро» номида буд. Ӯ дар назар надошт, ки мошинҳо бе ягон барномарезии пешакӣ қарор қабул мекунанд. Баръакс, омӯзиши мошинӣ ба коди барномавӣ сахт вобаста аст. Мушоҳидаи ӯ ин буд, ки мошинҳо метавонанд вазифаи муайянро бо истифода аз додаҳои воридотӣ иҷро кунанд, на танҳо бо такя ба фармони мустақим.

Расми 1.1. Муқоисаи фармони воридотӣ ва додаҳои воридотӣ.

Намунаи фармони воридотӣ ин аст, ки дар забони барномасозие ба монанди Python ифодаи 2+2-ро ворид карда, барои дидани натиҷа тугмаи «Run» ё «Enter»-ро пахш мекунем:

>>> 2 + 2
4
>>>

Ин фармони мустақимест, ки натиҷаи он мувофиқи қоидаҳои пешакӣ барномарезишуда ҳисоб мешавад. Аксари барномаҳои компютерӣ ҳамин тавр кор мекунанд.

Аммо бар хилофи барномарезии анъанавӣ, ки дар он натиҷаҳо ё қоидаҳои қабули қарорро барномасоз пешакӣ муайян мекунад, омӯзиши мошинӣ барои сохтани модели қабули қарор аз додаҳо истифода мебарад.

Қарорҳо тавассути ошкор кардани робитаҳо ва қолабҳои додаҳо бо истифода аз хулосабарории эҳтимолӣ, санҷишу хато ва дигар усулҳои серталаби ҳисоббарорӣ ҳосил мешаванд. Яъне, натиҷаи модели қабули қарорро муҳтавои додаҳои воридотӣ муайян мекунад, на танҳо қоидаҳои собите, ки барномасоз муқаррар кардааст.

Барномасоз ҳамоно барои ворид кардани додаҳо ба модел, интихоби алгоритми мувофиқ ва танзими параметрҳои он, ки гиперпараметрҳо ном доранд, масъул аст. Ҳадафи ин корҳо кам кардани хатои пешгӯӣ мебошад. Бо вуҷуди ин, дар муқоиса бо барномарезии анъанавӣ, байни кори таҳиягар ва тарзи ҳосил шудани қарорҳои мошин як қабати иловагӣ пайдо мешавад.

Барои мисол, фарз мекунем, ки модели қабули қарор пас аз таҳлили одатҳои тамошои YouTube робитаи назаррасеро муайян мекунад: бисёре аз мутахассисони илми додаҳо тамошои видеоҳои гурбаҳоро дӯст медоранд. Дар ҳамин ҳол, модели дигар байни хусусиятҳои ҷисмонии бейсболбозон ва эҳтимоли гирифтани ҷоизаи «Бозигари арзишмандтарини мавсим» — MVP — қолабҳоеро ошкор мекунад.

Дар ҳолати аввал мошин дар асоси фаъолнокии корбарон таҳлил мекунад, ки мутахассисони илми додаҳо кадом видеоҳои YouTube-ро дӯст медоранд. Ин фаъолнокӣ бо нишондиҳандаҳое чун писандгузорӣ, обунашавӣ ва тамошои такрорӣ чен карда мешавад.

Дар ҳолати дуюм мошин хусусиятҳои ҷисмонии барандагони пешинаи ҷоизаи MVP-ро дар баробари хусусиятҳои дигар, аз қабили синну сол ва таҳсилот, арзёбӣ мекунад.

Аммо дар ҳеҷ марҳила ба модел мустақиман гуфта ё барномарезӣ нашудааст, ки маҳз ин ду натиҷаро ҳосил кунад. Модел бо кушодани қолабҳои мураккаби додаҳои воридотӣ аз омӯзиши мошинӣ истифода мебарад ва робитаҳоро бе кумаки мустақими инсон меёбад.

Ин инчунин маънои онро дорад, ки маҷмӯи додаҳои ҳаммавзуъ, ки дар давраи дигар ҷамъоварӣ шудааст ё шумораи намунаҳояш камтар ё бештар аст, метавонад моделро ба натиҷаи андаке дигар расонад.

Хусусияти дигари фарқкунандаи омӯзиши мошинӣ қобилияти беҳтар кардани пешгӯиҳо дар асоси таҷриба мебошад. Одамон ҳангоми қабули қарор ба таҷриба ва муваффақият ё нокомии кӯшишҳои гузашта такя мекунанд. Омӯзиши мошинӣ низ ба ҳамин монанд тавассути кор бо додаҳо қобилияти қабули қарорро беҳтар месозад.

Коркарди намунаҳои гуногуни додаҳо ба модел таҷриба медиҳад ва онро бо қолабҳои мавҷуд дар додаҳо шинос мекунад. Баръакс, нокифоя будани додаҳои воридотӣ қобилияти моделро барои ошкор кардани қолабҳои аслӣ маҳдуд месозад. Инчунин имкони вокуниши дуруст ба тағйирот ва падидаҳои тасодуфии додаҳои воқеиро кам мекунад.

Ҳамин тавр, кор бо додаҳои воридотӣ дарки моделро дар бораи қолабҳо, аз ҷумла аҳамияти тағйироти додаҳо, амиқтар карда, ба сохтани модели самараноки худомӯз мусоидат мекунад.

Намунаи маъмули модели худомӯз низоми ошкорсозии паёмҳои спам мебошад. Пас аз гирифтани маҷмӯи ибтидоии додаҳо модел меомӯзад, ки паёмҳои дорои сарлавҳаҳои шубҳанок ва калимаҳои муайянро дар матн аломатгузорӣ кунад. Ин калимаҳо бо паёмҳое робитаи қавӣ доранд, ки корбарон қаблан ҳамчун спам қайд кардаанд.

Ба нишонаҳои эҳтимолии спам ибораҳо ва калимаҳое монанди «дӯсти азиз», «ройгон», «ҳисобнома», PayPal, Viagra, «казино», «пардохт», «муфлисшавӣ» ва «ғолиб» дохил шуда метавонанд.

Аммо бо таҳлили додаҳои бештар модел метавонад истисноҳо ва фарзияҳои нодурустеро низ ошкор кунад, ки боиси пешгӯиҳои хато мешаванд. Масалан, агар додаҳои барои қабули қарор дастрас кам бошанд, сарлавҳаи зерин метавонад иштибоҳан спам ҳисобида шавад:

«PayPal пардохти шуморо барои “Casino Royale”, ки аз eBay харидед, қабул кард».

Ин паёми воқеиест, ки низоми ҷавобдиҳии худкори PayPal фиристодааст. Бо вуҷуди ин, низоми ошкорсозии спам дар асоси додаҳои қаблӣ онро нодуруст ҳамчун спам муайян мекунад. Чунин ҳолат натиҷаи мусбати бардурӯғ ном дорад.

Барномарезии анъанавӣ ба ин мушкил бештар осебпазир аст, зеро мантиқи низом бо қоидаҳои пешакӣ муайяншуда маҳдуд мешавад. Омӯзиши мошинӣ бошад, кор бо додаҳоро ҳамчун роҳи такмил додани модел, ислоҳи фарзияҳои заиф ва вокуниши муносиб ба намунаҳои ғайримаъмул, аз ҷумла мисоли боло, истифода мебарад.

Гарчанде додаҳо асоси раванди худомӯзиро ташкил медиҳанд, додаҳои бештар на ҳамеша ба маънои қарорҳои беҳтар мебошанд: додаҳо бояд ба вазифа мувофиқ бошанд.

Брюс Шнайер дар китоби «Додаҳо ва Ҷолут: муборизаҳои пинҳонӣ барои ҷамъоварии додаҳои шумо ва назорати ҷаҳони шумо» менависад:

«Ҳангоми ҷустуҷӯи сӯзан, охирин коре, ки мехоҳед анҷом диҳед, болои он боз ҳам бештар хасбеда рехтан аст».

Яъне, илова кардани додаҳои номарбут метавонад ба ба даст овардани натиҷаи дилхоҳ халал расонад. Ғайр аз ин, ҳаҷми додаҳои воридотӣ бояд бо захираҳои ҳисоббарорӣ ва вақти дастрас мувофиқ бошад.

Додаҳои омӯзишӣ ва санҷишӣ

Дар омӯзиши мошинӣ додаҳои воридотӣ одатан ба ду қисм ҷудо мешаванд: додаҳои омӯзишӣ ва додаҳои санҷишӣ.

Қисми аввал, яъне додаҳои омӯзишӣ, маҷмӯи ибтидоии додаҳоест, ки барои таҳияи модел истифода мешавад.

Дар мисоли ошкорсозии спам метавон аз додаҳои омӯзишӣ натиҷаҳои мусбати бардурӯғеро ёфт, ки ба паёми худкори PayPal монанданд. Сипас бояд моделро ислоҳ кард. Масалан, метавон паёмҳои огоҳиномаеро, ки аз нишонии payments@paypal.com меоянд, аз филтркунии спам истисно кард.

Бо истифода аз омӯзиши мошинӣ моделро метавон омӯзонд, ки чунин хатоҳоро худкор ошкор кунад. Барои ин он намунаҳои пешинаи паёмҳои спамро таҳлил карда, қолабҳои онҳоро муайян мекунад ва ба дахолати мустақими инсон барои ҳар ҳолат ниёз надорад.

Пас аз он ки моделро дар асоси қолабҳои аз додаҳои омӯзишӣ истихроҷшуда таҳия кардед ва аз дақиқии пешгӯиҳои он қаноатманд шудед, метавонед моделро бо қисми боқимондаи додаҳо бисанҷед. Ин қисм додаҳои санҷишӣ ном дорад.

Агар натиҷаи модел дар додаҳои санҷишӣ низ қаноатбахш бошад, он барои кор дар муҳити воқеӣ омода аст: метавонад паёмҳои воридшавандаро филтр карда, дар бораи гурӯҳбандии онҳо қарор қабул намояд.

Дар боби 4 додаҳои омӯзишӣ ва санҷиширо муфассалтар баррасӣ мекунем.

Сохтор ва ҷойгоҳи омӯзиши мошинӣ

Дар бахши охирини ин боб шарҳ медиҳем, ки омӯзиши мошинӣ дар доираи васеътари илми додаҳо ва илмҳои компютерӣ чӣ ҷойгоҳ дорад. Ҳамчунин робитаи онро бо соҳаҳои фарогиртар ва соҳаҳои ҳамҷавор баррасӣ мекунем.

Фаҳмидани ин робитаҳо муҳим аст, зеро дар китобҳо ва курсҳои омӯзиши мошинӣ бо истилоҳҳои вобаста ба онҳо рӯ ба рӯ мешавед. Фарқ кардани ин соҳаҳо низ баъзан душвор аст, махсусан омӯзиши мошинӣ ва додаковӣ.

Аз шарҳи умумӣ оғоз мекунем. Омӯзиши мошинӣ, додаковӣ, зеҳни сунъӣ ва барномарезӣ ҳама ба доираи илмҳои компютерӣ дохил мешаванд. Илмҳои компютерӣ тамоми масъалаҳои марбут ба тарҳрезӣ ва истифодаи компютерҳоро фаро мегиранд.

Дар дохили ин доираи фарогир соҳаи васеи дигар — илми додаҳо — ҷой мегирад. Илми додаҳо нисбат ба илмҳои компютерӣ маҳдудтар буда, усулҳо ва низомҳоеро дар бар мегирад, ки бо кумаки компютерҳо аз додаҳо дониш ва фаҳмиш ҳосил мекунанд.

Расми 1.2. Пайдарпайии соҳаҳои марбут ба омӯзиши мошинӣ дар шакли лӯхтакҳои русии матрёшка.

Дар расми 1.2 зеҳни сунъӣ ҳамчун матрёшкаи сеюм аз тарафи чап нишон дода шудааст, ки аз илмҳои компютерӣ ва илми додаҳо сарчашма мегирад.

Зеҳни сунъӣ, ё AI, қобилияти мошинҳоро барои иҷрои вазифаҳои зеҳнӣ ва маърифатӣ дар бар мегирад. Ҳамон тавре ки Инқилоби саноатӣ давраи мошинҳои тақлидкунандаи меҳнати ҷисмониро ба вуҷуд овард, зеҳни сунъӣ ба рушди мошинҳое мусоидат мекунад, ки қобилиятҳои маърифатиро тақлид карда метавонанд.

Гарчанде зеҳни сунъӣ ҳанӯз соҳаи васеъ аст, нисбат ба илмҳои компютерӣ ва илми додаҳо самти мушаххастар дорад. Он зерсоҳаҳои зиёдеро фаро мегирад, ки имрӯз маъруфанд ва дар хабарҳо зиёд зикр мешаванд. Ба онҳо ҷустуҷӯ ва банақшагирӣ, хулосабарорӣ ва муаррифии дониш, идрок, коркарди забони табиӣ — NLP — ва албатта, омӯзиши мошинӣ дохил мешаванд.

Расми 1.3. Намоиши робитаи байни соҳаҳои марбут ба додаҳо.

Барои донишҷӯёне, ки ба зеҳни сунъӣ таваҷҷуҳ доранд, омӯзиши мошинӣ нуқтаи хуби оғоз мебошад. Дар муқоиса бо зеҳни сунъӣ, он самти маҳдудтар ва амалитарро барои омӯзиш пешниҳод мекунад.

Алгоритмҳои омӯзиши мошиниро дар соҳаҳои дигар, аз ҷумла идрок ва коркарди забони табиӣ низ истифода бурдан мумкин аст. Ғайр аз ин, барои ба даст овардани сатҳи муайяни тахассус дар омӯзиши мошинӣ дараҷаи магистрӣ кофӣ буда метавонад, аммо барои пешрафти ҷиддӣ дар соҳаи зеҳни сунъӣ эҳтимол ба дараҷаи докторӣ — PhD — ниёз пайдо шавад.

Тавре гуфта шуд, омӯзиши мошинӣ бо додаковӣ — data mining ҳампӯшӣ дорад. Додаковӣ соҳаи ҳамҷаворест, ки ба кашф ва ошкор кардани қолабҳо дар маҷмӯаҳои бузурги додаҳо асос меёбад.

Ҳар ду равиш ба усулҳои хулосабарорӣ такя мекунанд: яъне пешгӯии натиҷаҳо дар асоси натиҷаҳои дигар ва хулосабарории эҳтимолӣ. Онҳо инчунин аз маҷмӯи шабеҳи алгоритмҳо истифода мебаранд, аз ҷумла:

• таҳлили ҷузъҳои асосӣ;
• таҳлили регрессия;
• дарахтҳои қарор;
• усулҳои кластербандӣ.

Сардаргумӣ аз он ҳам бештар мешавад, ки ин ду равишро аксар вақт иштибоҳ мегиранд, нодуруст шарҳ медиҳанд ё ҳатто истилоҳҳои онҳоро ошкоро ба ҷойи ҳам истифода мебаранд.

Гуфта мешавад, ки китоби дарсии «Додаковӣ: абзорҳо ва усулҳои амалии омӯзиши мошинӣ бо Java» дар ибтидо «Омӯзиши амалии мошинӣ» ном дошт, аммо баъдтар бо сабабҳои бозорёбӣ ба унвони он «додаковӣ» илова карда шуд.

Ниҳоят, азбаски ин ду соҳа хусусияти байнисоҳавӣ доранд, мутахассисони соҳаҳои гуногун аксар вақт додаковӣ ва омӯзиши мошиниро ба тарзҳои мухталиф таъриф мекунанд. Ин ҳолат дар баробари ҳампӯшии воқеии байни онҳо боиси нофаҳмӣ шудааст.

Аммо омӯзиши мошинӣ ба раванди тадриҷии худомӯзӣ ва ошкорсозии худкори қолабҳо тавассути таҷрибаи кор бо додаҳо таъкид мекунад. Додаковӣ бошад, усули камтар мустақили истихроҷи донишҳои пинҳон мебошад.

Мисли парма кардани тасодуфии қишри Замин, додаковӣ кори худро бо фарзияи дақиқ дар бораи он ки чӣ гуна дониш пайдо хоҳад кард, оғоз намекунад. Ба ҷойи ин, он қолабҳо ва робитаҳоеро меҷӯяд, ки ҳанӯз ошкор нашудаанд. Аз ин рӯ, барои фаҳмидани маҷмӯаҳои бузурги додаҳои дорои қолабҳои мураккаб мувофиқ аст.

Тавре муаллифони китоби «Додаковӣ: мафҳумҳо ва усулҳо» қайд мекунанд, додаковӣ дар натиҷаи пешрафти ҷамъоварии додаҳо ва идоракунии пойгоҳҳои додаҳо аз аввали солҳои 1980, инчунин ниёзи ҷиддӣ ба фаҳмидани маҷмӯаҳои торафт бузургтару мураккабтари додаҳо ташаккул ёфт.

Додаковӣ ба таҳлили тағйирёбандаҳои воридотӣ барои пешгӯии натиҷаи нав тамаркуз мекунад. Омӯзиши мошинӣ бошад, таҳлили ҳам тағйирёбандаҳои воридотӣ ва ҳам натиҷавиро дар бар мегирад.

Ба ин омӯзиши назоратшаванда дохил мешавад, ки ҷуфтҳои маълуми додаҳои воридотӣ ва натиҷавиро муқоиса карда, қолабҳоро муайян ва пешгӯӣ мекунад. Ҳамчунин омӯзиши тақвиятӣ дохил мешавад, ки барои ба даст овардани натиҷаи дилхоҳ шумораи зиёди вариантҳои воридотиро месанҷад.

Усули дигари омӯзиши мошинӣ — омӯзиши беназорат — дар асоси таҳлили тағйирёбандаҳои воридотӣ кор мекунад, дар ҳоле ки натиҷаи ҳадаф пешакӣ маълум нест.

Ин равиш аксар вақт дар якҷоягӣ бо омӯзиши назоратшаванда ё барои омодагӣ ба он истифода мешавад ва дар матн бо номи омӯзиши ниманазоратшаванда зикр мегардад. Гарчанде омӯзиши беназорат бо додаковӣ ҳампӯшӣ дорад, он одатан аз усулҳои маъмули додаковӣ, аз қабили таҳлили робитаҳои ҳамроҳӣ ва таҳлили пайдарпайиҳо, фарқ мекунад.

Ҷадвали 1.1. Муқоисаи усулҳо аз рӯйи истифодаи додаҳо ё тағйирёбандаҳои воридотӣ ва натиҷавӣ.

Барои равшантар кардани фарқи додаковӣ ва омӯзиши мошинӣ, ду гурӯҳи бостоншиносонро мисол меорем.

Гурӯҳи аввал дар бораи маҳалли ҳафриёти худ маълумоти кам дорад. Онҳо аз дониши соҳавии худ истифода бурда, абзорҳои ҳафриётро барои ёфтани қолабҳо ва дур кардани хоку сангҳо мутобиқ мекунанд, то осори пинҳонро ошкор созанд.

Ҳадафи ин гурӯҳ дастӣ кофтуков кардани маҳал, ёфтани бозёфтҳои нави арзишманд ва сипас ҷамъ кардани таҷҳизоту рафтан аст. Рӯзи дигар онҳо ба макони дурдасти дигар парвоз мекунанд ва лоиҳаи наверо оғоз менамоянд, ки ба маҳалли рӯзи гузашта робита надорад.

Гурӯҳи дуюм низ ба ҳафриёти мавзеъҳои таърихӣ машғул аст, аммо усули дигарро пеш мегирад. Онҳо чанд ҳафта ба кофтани маҳалли асосӣ шуруъ намекунанд. Дар ин муддат аз дигар мавзеъҳои бостоншиносии наздик дидан карда, қолабҳои сохтори ҳар як мавзеъро меомӯзанд.

Бо шинос шудан бо ҳар маҳалли ҳафриёт онҳо таҷриба ҷамъ мекунанд. Ин таҷриба қобилияти онҳоро барои тафсири қолабҳо беҳтар карда, хатои пешгӯиро кам мекунад.

Вақте вақти кофтани маҳалли ниҳоӣ ва муҳимтарин мерасад, онҳо дониш ва таҷрибаи худро дар бораи хусусиятҳои маҳал истифода мебаранд, то мавзеъро тафсир ва пешгӯӣ кунанд.

Тавре акнун эҳтимол равшан шудааст, гурӯҳи аввал ба додаковӣ такя мекунад, гурӯҳи дуюм бошад, ба омӯзиши мошинӣ.

Гарчанде ҳар ду гурӯҳ бо ҳафриёти мавзеъҳои таърихӣ барои ба даст овардани донишҳои арзишманд машғуланд, ҳадафҳо ва усулҳои онҳо фарқ мекунанд.

Гурӯҳи омӯзиши мошинӣ барои худомӯзӣ вақт ва захира сарф мекунад, то низоме созад, ки тавассути кор бо додаҳо қобилияти пешгӯии худро беҳтар намояд. Гурӯҳи додаковӣ бошад, ба кофтукови маҳалли мавриди назар бо равиши мустақимтар ва тахминӣ тамаркуз мекунад. Ин равиш бештар ба дарёфти зеҳнии инсон такя мекунад.

Дар боби оянда худомӯзиро дар омӯзиши мошинӣ ва тарзи истифодаи тағйирёбандаҳои воридотӣ ва натиҷавӣ барои пешгӯӣ муфассалтар баррасӣ мекунем.

Чиро бояд дар ёд дошт

• Дар барномарезии анъанавӣ қоидаҳоро барномасоз менависад; дар омӯзиши мошинӣ модел қоидаҳоро худаш аз додаҳо меёбад.
• Модел бо дидани мисолҳои бештар таҷриба ҷамъ мекунад ва пешгӯиҳояшро беҳтар месозад — аммо танҳо агар додаҳо ба вазифа мувофиқ бошанд.
• Додаҳоро ба ду қисм ҷудо мекунанд: бо додаҳои омӯзишӣ модел сохта мешавад, бо додаҳои санҷишӣ санҷида мешавад.
• Омӯзиши мошинӣ қисми зеҳни сунъӣ аст; додаковӣ бо он ҳампӯшӣ дорад, аммо ҳадафаш ёфтани қолабҳои пинҳон аст, на сохтани модели худомӯз.