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Aprendizagem de Máquina (Machine Learning) Marcos Augusto Hochuli Shmeil & Edson Emílio Scalabrin.

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1 Aprendizagem de Máquina (Machine Learning) Marcos Augusto Hochuli Shmeil & Edson Emílio Scalabrin

2 Um pouco de história sobre a obtenção e a Origem do Conhecimento Baseadas em Comportamento Uma das formas mais simples de aprendizagem é a habituação. Ela consiste: (i) na diminuição da tendência para responder aos estímulos que se tornaram familiares, e (ii) no efeito das respostas a estes estímulos se tornarem "automáticas devido a uma exposição repetida aos mesmos.

3 Um pouco de história sobre a obtenção e a Origem do Conhecimento No condicionamento clássico: associações cujo trabalho experimental se iniciou com Ivan P. Pavlov ( ), o qual é conhecido por reflexo condicionado. aprendizagem instrumental (também chamada de condicionamento operante). iniciada antes das experiências de Pavlov, por Edward L. Throndike ( ). Ela consistia em levar o animal a executar uma determinada ação estabelecida pelo treinador, em troca de uma recompensa.

4 Um pouco de história sobre a obtenção e a Origem do Conhecimento Baseadas em Cognição: Para os teóricos cognitivistas, a essência do que se aprende está dentro do animal e, sendo um acontecimento reservado, só se conhecerá que o animal aprendeu quando este agir/reagir em conformidade com o novo estado mental. Este novo estado mental do aprendiz diz respeito a alterações no conhecimento com o surgimento de relações conceituais abstractas.

5 Um pouco de história sobre a obtenção e a Origem do Conhecimento Baseadas em Cognição: Vinculado à aprendizagem, encontra-se o conhecimento, cuja origem sempre foi tema de discussão e de pesquisa. Duas escolas, a empirista e a inatista, mesmo de posições opostas entre si, oferecem uma complementaridade para a compreensão deste fenômeno.

6 Um pouco de história sobre a obtenção e a Origem do Conhecimento Baseadas em Cognição: os empiristas concentram-se na idéia de que o conhecimento é adquirido a partir de experiências. John Locke ( ), todo o conhecimento é proveniente dos sentidos, não havendo idéias inatas, A mente seria como uma tábua rasa na qual a experiência iria imprimir as sua marcas.

7 Um pouco de história sobre a obtenção e a Origem do Conhecimento Baseadas em Cognição: os inatistas, observam que vários aspectos do nosso conhecimento têm origem em características do cérebro (cujas raízes remontam a Platão), uma das respostas modernas mais influentes ao empirismo foi-nos apresentada por Immanuel Kant ( ),

8 Um pouco de história sobre a obtenção e a Origem do Conhecimento Baseadas em Cognição: o conhecimento não pode provir apenas dos dados sensoriais, tendo que existir certas categorias preexistentes (sistema nervoso), em torno das quais esses dados sensoriais são organizados, As experiências funcionam como fornecedoras de dados sensoriais, os quais são estruturados segundo o sistema nervoso inato.

9 Um pouco de história sobre a obtenção e a Origem do Conhecimento Baseadas em Cognição: a integração da informação genética (inatista) e da ambiental (empirista) resulta numa perspectiva psicofísica entre as características dos estímulos físicos e a experiência psicológica a que estes estímulos dão origem.

10 Um pouco de história sobre a obtenção e a Origem do Conhecimento Baseadas em Cognição: três passos básicos (modelo simplificado) para que uma sequência de acontecimentos se inicie num estímulo e termine num conceito do objecto observado.

11 Aprendizagem Automática a disciplina de Aprendizagem Automática ou Aprendizagem de Máquina ("Machine Learning"), é uma das áreas da Inteligência Artificial, tem como um dos seus principais objetivos, o estudo e a compreensão dos processos de aprendizagem bem como o desenvolvimento de algoritmos que suportem estes processos, para aplicação em artefatos.

12 Aprendizagem Automática de forma geral estes algoritmos devem proporcionar mudanças de estados mentais, que venham a melhorar o desempenho dos artefactos (em particular os agentes), na execução de atividades

13 Aprendizagem Automática melhorar, significa: apresentar um comportamento mais eficiente/eficaz (menor tempo de execução da atividade, acréscimo de confiança das relações entre agentes), obtenção de perícia para novas atividades ou relações no domínio de atuação do artefato ou fora deste, alcance satisfatório de um objetivo, etc no desempenho de atividades.

14 Aprendizagem Automática Na história da aprendizagem automática três paradigmas da sua evolução destacam-se:

15 Aprendizagem Automática a modelagem neural e as técnicas de decisão. no modelamento neural o interesse recai na construção de sistemas de aprendizagem de propósito geral, cujo processo de aprendizagem consiste em trocas incrementais das probabilidades nos elementos que representam os neurônios numa rede neural artificial.

16 Aprendizagem Automática a modelagem neural e as técnicas de decisão. trabalhos pioneiros na aprendizagem computacional destacam-se o Perceptron e oPandemonium Nas técnicas de decisão, dentre outros, o trabalho de Samuel tornou-se um marco, o qual consistia de um programa que aprendia a jogar damas, baseado nas experiências obtidas em jogos anteriores.

17 Aprendizagem Automática O seu programa continha uma série de parâmetros, cada qual com um valor numérico. Estes valores numéricos eram ajustados pela experiência (conjunto de exemplos) considerando a importância do mesmo para um determinado movimento (decisão)

18 Aprendizagem Automática 2. aprendizagem simbólica de conceitos Os conceitos descrevem classes de eventos, objetos ou relações entre eles. Uma das formas importantes de relacionar conceitos é a de fazer qualquer afirmação sobre eles, por exemplo: o rato roeu a roupa do rei.

19 Aprendizagem Automática Esta afirmação é chamada de proposição, a qual apresenta uma afirmação que relaciona um sujeito (o rato) e um predicado (roeu). O sujeito e o predicado correspondem respectivamente: ao item em relação ao qual a afirmação é feita, e o que é afirmado em relação ao sujeito. Independente da veracidade (verdadeiro ou falso) da proposição, são essas proposições que ligam (associam) os elementos mentais. Este paradigma orienta a aquisição de conceitos e conhecimento estruturado

20 Aprendizagem Automática A aprendizagem simbólica tem como uma das bases os modelos humanos de aprendizagem cognitiva, os quais podem utilizar a lógica ou grafos no lugar de métodos numéricos ou estatísticos

21 Aprendizagem Automática 3. outros métodos de aprendizagem e sistemas de aprendizagem com conhecimento intensivo. A partir de meados da década de setenta por instrução, por analogia, de descoberta de conceitos e classificação, etc.) e métodos baseados em conhecimento intensivo (métodos de aprendizagem em sistemas os quais a partida possuem uma quantidade expressiva de conhecimento).

22 Aprendizagem Automática Características de um processo de aprendizagem de Simon: (i) denota mudanças num sistema, (ii) estas mudanças capacitam o sistema a executar, numa próxima vez, a mesma atividade ou atividade da mesma população de forma mais eficiente, Simon, H. A., Why Should Machines Learn?, em Machine Learning: An Artificial Intelligence Approach, R. S. Michalski, J. G., and T. M. Mitchell, editores, Tioga, Palo Alto, California, 1983.

23 Aprendizagem Automática Características de um processo de aprendizagem de Minsky: (i) denota mudanças úteis na nossa mente, Minsky, M., The Society of Mind, MIT Press, Cambridge, 1985.

24 Aprendizagem Automática Características de um processo de aprendizagem de Michalski: (i) é a construção e a modificação da representação do que está sendo experimentado, Michalski, R. S., Understanding the Nature of Learning: Issues and Research Directions. Em R.S. Michalski, J. G. Carbonell, and T. M. Mitchell,editores, Machine Learning: An Artificial Intelligence Approach, Volume II. Los altos, California, Morgan Kaufmann Publishers, Inc, 1986

25 Aprendizagem Automática Características de um processo de aprendizagem de Carbonell: (i) é a habilidade de executar novas tarefas, as quais não eram possíveis anteriormente, (ii) (ii) é melhorar (maior precisão, menor tempo, etc.) a execução de antigas tarefas. Carbonell, J. G., Introduction: Paradigms for Machine Learning. Em J. G. Carbonell editor, Machine Learning: Paradigms and Methods, MIT Press, 1990.

26 Aprendizagem Automática A partir das características apresentadas na perspectiva que a aprendizagem está associada à mudança dos estados mentais de um aprendiz (agente), dois tipos de aprendizagem automática apresentam-se: (i) a aquisição de conhecimento diz respeito à aquisição de novas informações simbólicas acopladas com a habilidade de aplica-las de maneira útil, e

27 Aprendizagem Automática (ii) o refinamento de habilidades refere-se à prática repetida e à correção dos desvios do comportamento desejado, e relaciona-se ao conhecimento chamado de sub-simbólico (conhecimento adquirido, por exemplo pelas redes neurais, o qual não é de fácil entendimento pelo ser humano), cujo processo de geração é encontrado fundamentalmente nos sistemas adaptativos.

28 Aprendizagem Automática Classificação (i) o critério de propósito principal ou seja o objetivo principal dos métodos de aprendizagem. Este critério conduz à divisão dos métodos em sintéticos e analíticos. Os sintéticos visam fundamentalmente a criação de novo ou melhor (de acordo com algum objetivo) conhecimento. Os analíticos estão interessados na reformulação (transformação ou organização) de um conhecimento existente num melhor (de acordo com algum objetivo),

29 Aprendizagem Automática Classificação (ii) o critério dos tipos de entrada. Este critério agrupa os métodos de aprendizagem quanto ao tipo da entrada de informação para estes: A aprendizagem é efetivada a partir de exemplos (positivos ou negativos), previamente classificados, quando o conhecimento fonte independentemente da sua origem (professor, especialista, modelo simulado, etc.), exemplifica um objecto ou evento, É efetivada a partir de observações, quando as entradas necessitam ser estruturadas pelo aprendiz, uma vez que as mesmas não se encontram previamente classificadas.

30 Aprendizagem Automática Classificação (iii) o critério do principal método de inferência utilizado. Este critério classifica os métodos de aprendizagem quanto à forma de raciocínio utilizado na transformação dos estados mentais. É indutivo quando a partir de dadas consequências gera premissas hipotéticas, É dedutivo quando deriva consequências a partir de dadas premissas.

31 Aprendizagem Automática Classificação (iv) o critério do papel do conhecimento já existente P&BK|>C onde: P é a premissa, BK é o conhecimento existente, e C é a consequência

32 Aprendizagem Automática Classificação (iv) o critério do papel do conhecimento já existente Empírico: uso do conhecimento existente de forma não intensiva e com inferência indutiva Indutivo: e o uso intensivo do conhecimento existente Abdutivo: utiliza o conhecimento existente para orientar a preferência para uma hipótese Dedutivo: transformação das descrições de um espaço de representação ou linguagem para outro (abstração/generalização)

33 Aprendizagem Automática Classificação

34 Metodologias de Aprendizagem Simbólica Automática Indução Empírica baseia-se na estratégia de construção de árvores de decisão, como forma de apresentação das regras inferidas. Esta estratégia é utilizada pelo grupo de sistemas de aprendizagem denominado de TDIDT - Top Down Induction Decision Trees

35 Metodologias de Aprendizagem Simbólica Automática Indução Empírica Os exemplos, obtidos a partir da observação do fenômeno, são representados através de um conjunto de atributos e de seus valores, considerando um dos atributos, a classe do exemplo. atr1atr2...atrn (classe) observação1valor1,1valor1,2...valor1,n observação2valor2,1valor2,2...valor2,n... observaçãokvalor k,1valork,2...valork,n

36 Metodologias de Aprendizagem Simbólica Automática Indução Empírica O algoritmo geral dos sistemas da família TDIDT tem como objetivo gerar a menor árvore de decisão que classifique corretamente todos os exemplos. Para que este objetivo seja alcançado, é necessário escolher o atributo mais relevante, i.e. o atributo que melhor particiona os exemplos, segundo o valor da classe. A escolha do atributo, potencialmente melhor é obtido através de uma função denominada de função de avaliação (por ex. entropia).

37 Metodologias de Aprendizagem Simbólica Automática Indução Empírica – entropia (E) Se uma observação pode ser classificada em n classes diferentes c1, c2,..., cn e a probabilidade de um objeto pertencer à classe ci é p(i), então a entropia de classificação do ramo é dada por: atr = vj: o atributo atr possui o valor vj, i.e. a entropria E do ramo correspondente ao valor vj do atributo atr E(atr=v j )= - p( i ) log 2 p( i ) n n=1

38 Metodologias de Aprendizagem Simbólica Automática Indução Empírica Condições de parada: (i) construir a árvore de decisão que classifica exatamente todos os elementos do conjunto de aprendizagem e domínios completos (ID3), (ii) decidir pela não expansão da árvore, quando a evidência for insuficiente nos exemplos fornecidos. Este mecanismo de pré- poda de uma árvore de decisão é encontrado no sistema C4 eASSISTANT

39 Metodologias de Aprendizagem Simbólica Automática Indução Empírica Algoritmo geral da fam í lia TDIDT : dados um conjunto de exemplos de aprendizagem ES, uma fun ç ão de avalia ç ão a(ES, atributo), e uma condi ç ão de parada s(ES),

40 Metodologias de Aprendizagem Simbólica Automática Indução Empírica Algoritmo geral da fam í lia TDIDT : se todas as instâncias em ES satisfizerem a condi ç ão de parada s(ES), então retornar o valor da classe, caso contr á rio 1. para cada atributo atri, determinar o valor da fun ç ão a(ES, atri), 2. se atrj possuir valores aj1, aj2,...,ajk, criar o n ó :

41 Metodologias de Aprendizagem Simbólica Automática Indução Empírica Algoritmo geral da fam í lia TDIDT :... caso contr á rio 3. particionar os exemplos do conjunto ES nos subconjuntos E1, E2,...,Ek segundo os valores de aj na á rvore de decisão, 4. aplicar, recursivamente, o algoritmo para cada um dos subconjuntos Ei. ajaj a j1 a j2 a jk

42 Metodologias de Aprendizagem Simbólica Automática Indução Empírica EXEMPLO - Slides Empresa

43 Metodologias de Aprendizagem Simbólica Automática Dedução Axiomática A metodologia de aprendizagem automática por dedução axiomática é orientada por exemplos. Estes exemplos são utilizados para apresentar quais novas regras são interessantes serem derivadas a partir do conhecimento de fundo (background knowledge).

44 Metodologias de Aprendizagem Simbólica Automática Dedução Axiomática Uma das metodologias, para a aprendizagem automática por dedução axiomática, é a de aprendizagem baseada em explicações, enquadrada em problemas denominados de especialização de conceito baseado em teoria (theory-based concept specialization). A especialização de conceito baseada em teoria é assim denominada, devido a aprendizagem envolver a especialização indutiva de um conceito definido por uma teoria de um domínio.

45 Metodologias de Aprendizagem Simbólica Automática Dedução Axiomática três métodos [151, 152] para a obtenção de especialização de conceitos: (i) generalização baseada em explicação (EBG - Explanation-based Generalization), (ii) generalização baseada em explicações a partir de múltiplos exemplos (mEBG - multiple-example Explanation-based Generalization), e (iii) indução sobre as explicações (IOE - Induction over explanations).

46 Metodologias de Aprendizagem Simbólica Automática Dedução Axiomática Para cada um desses métodos são requeridos: (i) uma teoria do domínio do assunto, (ii) um conceito a ser obtido, e (iii) um ou mais exemplos de treino.

47 Metodologias de Aprendizagem Simbólica Automática Dedução Axiomática dado uma teoria do dom í nio TC a qual define o conceito a ser obtido, e um conjunto de exemplos positivos de treino de um conceito C, onde C é uma especializa ç ão da teoria do dom í nio TC. encontrar uma defini ç ão correcta do conceito C.

48 Metodologias de Aprendizagem Simbólica Automática Dedução Axiomática Algoritmo EBG : Dado um exemplo do conceito a ser aprendido 1. construir uma á rvore, que explique porque o exemplo é uma instância do conceito a ser aprendido, e

49 Metodologias de Aprendizagem Simbólica Automática Dedução Axiomática Algoritmo EBG : 2. aplicar: (i) a generaliza ç ão na á rvore resultante, atrav é s da substitui ç ão das constantes por vari á veis, e (ii) a conjun ç ão das folhas da á rvore de explica ç ão, obtendo as weakest preconditions obs: em problemas de especializa ç ão de conceito baseado em teoria, as weakest preconditions formam a defini ç ão de um novo conceito, o qual é uma especializa ç ão do conceito a ser obtido.

50 Metodologias de Aprendizagem Simbólica Automática Dedução Axiomática EXEMPLO - Paper

51 Metodologias de Aprendizagem Learning by Analogy Vamos supor: uma informação, representada por (A,B), onde B depende por causalidade de A, de alguma maneira, chamaremos esta relação de ß, outra porção de informação (A,B), a qual apresenta alguma semelhança entre A e A, chamaremos esta semelhança de, vamos chamar ß a dependência causal entre A e B, e vamos chamar de a dependência de similaridade entre B e B

52 Metodologias de Aprendizagem Learning by Analogy AA B B ß ß semelhança / diferença (SIMILARITY) dependência (CASUALITY)

53 Metodologias de Aprendizagem Learning by Analogy Nós podemos definir ANALOGIA de várias formas, Em todos os casos, é suposto que nós conhecemos mais ou menos A, B, A, e ß e que vamos criar B ou justificar sua aceitabilidade,

54 Metodologias de Aprendizagem Learning by Analogy A= Barney é um humano masculino B = Barney pode raciocinar a relação de causalidade entre A e B utiliza uma propriedade herdada de um ancestral. ß = Barney pode raciocinar porque é uma das características da natureza humana A = Vilma é uma humana feminina = humanos masculinos e femininos são humanos B = Vilma pode raciocinar

55 Metodologias de Aprendizagem Learning by Analogy A diferença com o silogismo é que ß não é uma real implicação. É interessante utilizar quando a propriedade é herdada de...

56 Metodologias de Aprendizagem Learning by Analogy EXEMPLO - Paper WINSTONs

57 Metodologias de Aprendizagem Learning by Rewards EXEMPLO - Paper

58 Sistema Multiagente com a Capacidade de Aprendizagem MALE (Multi-Agent Learning Environment ) EXEMPLO - Paper


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