Oris teme

  • Splošno

    Skrči vse Razširi vse

    Predavatelj: Blaž Zupan (blaz.zupan@fri.uni-lj.si)

    Asistenti: Marko Toplak (marko.toplak@fri.uni-lj.si), Jaka Kokošar

    Komunikacija v zvezi s predmetom, nalogami, snovjo in vsem ostalim poteka po Slacku, vabilo smo vam poslali dan pred predavanji. Če ga slučajno niste prejeli, se obrnite na predavatelja med kakšnim odmorom med predavanji.

    Predavanja potekajo v živo. Jih ne snemamo. Zoom predavanj ne bo.

    Vaje pri predmetu bodo kombinacija konzultacij in (po potrebi) kratkih tečajev o praktičnih temah, ki bodo povezane z izvedbo domačih nalog. Na konzultacijah na začetku v skupini razpravljamo o snovi oziroma nalogah, kasneje pa delamo individualno. Govorilne ure so na voljo ob predhodnem dogovoru preko Slacka ali elektronske pošte.

    Ocenjevanje: Ocena predmeta je sestavljena iz ocen domačih nalog in pisnega izpita. Pozitivna ocena domačih nalog (študent je zbral več kot 60% možnih točk) je pogoj za pristop k izpitu. Ocena predmeta je pozitivna, če je pozitivna tako ocena domačih nalog kot pisnega izpita (zbranih več kot 60% možnih točk pri domačih nalogah in več kot 60% možnih točk pri izpitu). Bonusi iz domačih nalog se ne prenašajo na pisni izpit (in obratno). Združena ocena domačih nalog in izpita v odstotnih točkah, kjer je DN ocena domačih nalog in I ocena izpita v odstotnih točkah se izračuna po enačbi: ocena [odstotne točke] = max( min(DN+15, I), min(DN, I+15) ). Primer: 85% točk iz domačih nalog, 65% iz izpita, ocena je 80%. Še en primer: pisni izpit 90%, domače naloge 65%, ocena je 80%. Zaokrožene odstotne točke (celo število) se prevedejo v končno oceno pri predmetu. Do 60 točk: ocena 5, od 61 do 68: ocena 6, od 69 do 76: 7, od 77 do 84: 8, od 85 do 92: 9, od 93 točk: ocena 10. Vpis ocene bo potekal v izpitnem obdobju hkrati z ustnim izpitom, ki bo na voljo za vse, ki bi radi spremenili oceno.

    Domače naloge

    Domače naloge bodo projektne, predvidoma bodo to tri domače naloge, ocenjevanje je na ustnih zagovorih ter z deponiranjem vaše kode. Če odkrijemo prepisovanje, dobita tako avtor kot prepisovalec negativne točke, ki so po absolutni vrednosti enake maksimalnim možnim točkam za to nalogo. Za vsako odkrito prepisovanje krajše naloge se vaša ocena iz nalog s prve točke zmanjša za 20 odstotnih točk.

    Literatura

    Priporočena dodatna gradiva in tečaji (neobvezno, a za vsa radovedne):

    • Janez Demšar (2009) Python za programerje. Knjiga, namenjena tem, ki že znajo programirati v kakem drugem jeziku. Kdor ima raje verzijo na papirju, jo lahko kupi pod menzo za ceno cca dveh kosil.

    • Luciano Ramalho (2015) Fluent Python, O'Reilly Media. Lahko tudi Early Release 2014, ki je bil nekaj časa prosto dostopen na webu. Debela bukla, skoraj enciklopedija, a s super primeri in triki.

    • Tečaji s področij strojnega učenja, analize podatkov, nevronskih mrež dostopni na raznih MOOCih.

    Primeri izpitov

    • Izpiti iz prejšnjih let. Stari izpiti vsebujejo tudi naloge s področja podpore odločanja, ki ga v predmetu več ne obravnavamo. V šolskem letu 2021/22 smo prešli na nov tip izpita z večjim številom vprašanj in izbirnimi odgovori. Primere takih izpitov bomo objavili tu pred koncem semestra.

  • Odkrivanje skupin

    Odkrivanje skupin je eden od temeljnih postopkov, ki jih uporabljamo pri analizi podatkov. Odkrivamo lahko skupine uporabnikov glede na njihove uporabniške profile (uporaba storitev, nakupovalne košarice, vzorci obnašanja, stiki v družabnih omrežij), stvari (profili zanimanja uporabnikov, semantične podobnosti), dokumentov (glede na besedilo, ključne besede, zanimanje in ocene uporabnikov). Med številnimi algoritmi, ki se danes uporabljajo za odkrivanje skupin v podatkih, je prav gotovo najbolj znan algoritem hierarhičnega razvrščanja v skupine. Najbrž zaradi njegovi enostavnosti in pa zaradi tega, ker je njegove rezultate moč enostavno grafično predstaviti. Prav je, da s tem algoritmom pričnemo predmet. Literatura
    Video predstavitve izbranih tem
    Dodatni viri
    Podatki in koda

  • Metoda voditeljev

    Hierarhično gručenje lahko zaradi časovne in prostorske kompleksnosti algoritma uporabljamo samo na manjših množicah podatkov. Gručenje, ki ga lahko uporabimo tudi na velikih množicah podatkov uporablja metodo voditeljev, ki pa od uporabnika zahteva, da vnaprej poda število gruč. Iskanje primernega števila voditeljev lahko avtomatiziramo z oceno kvalitete razbitja. Ena od preprostejših mer uporablja pristop silhuete. Literatura
    Predavanja
    Dodatni viri
    Podatki in koda

  • Projekcije v nižjedimenzionalne prostore

    Za razumevanje strukture podatkov, razkrivanje podobnosti med primeri in odkrivanje skupin nam zalo koristijo prikazi podatkov na nizkodimenzionalnih kartah. Še najbolje kar točkovni prikaz podatkov v dveh dimenzijah. To mislimo na karte, kjer so primeri podani s točkami in kjer odnosi med primeri (oddaljenost, bližina) čimbolj ustrezajo odnosom med primeri v osnovnem, večdimenzionalnem prostoru. Ideja je torej zmanjšanje dimenzionalnosti podatkov in osnovnih n dimenzij na naprimer dve dimenziji. Na predavanju orišemo dva postopka, ki lahko vodita k konstrukciji takih projekcij. Prvi postopek je tehnika glavnih komponent (angl. PCA, principal component analysis), ki v osnovnem prostoru poišče smeri, ki najbolj razpenjajo podatke. Drugi postopek pa v prikazu v dveh dimenzijah skuša kar najbolj verno ohranjati razdalje med primeri, torej razdalje, ki jih izmerimo z neko mero razdalje v osnovnem n-dimenzionalnem prostoru. Slednji postopek se imenuje večrazredno lestvičenje (angl. MDS, multi-dimensional scaling). Mnogokrat nas namesto razdalj zanima samo ohranjanje bližine: primeri, ki so blizu v osnovnem prostoru naj bi bili blizu tudi v projekciji. Na predavanjih tehniko, ki implementira tako projekcijo in se imenuje t-SNE, samo omenimo in je ne izpeljemo, povdarimo pa, da predstavlja izboljšanje tehnike MDS.

    		 Literatura
    Predavanja
    Dodatni viri

  • Gradienti sestop

    Vrsta metod, ki sledi v nadaljevanju tega predmeta, temelji na optimizacije kriterijske funkcije. Se pravi, imamo podatke, določimo obliko našega modela ter zapišemo, kako ocenimo napako modela. Ta zapis imenujemo kriterijska funkcija. Konkretni model bo opisan s parametri, ki jih bomo izbrali tako, da bo pri izbranih parametrih kriterijska funkcija imela minimum. To bo tipično pomenilo, da bomo izbrali model, ki ima na učnih primerih najmanjšo napako. Parametre takih modelov tipično poiščemo z metodo gradientnega spusta. Pričnemo pri nekem začetnem izboru parametrov, pogledamo, kako je od teh odvisen odvod kriterijske funkcije, in popravimo parametre v nasprotni smeri gradienta. Na predavanjih smo si najprej pogledali, kako gradientni sestop uporabimo pri iskanju minimuma enoparametrske funkcije. Pristop potem razširimo na iskanja minimuma funkcije s poljubnim številom parametrov. Tu objavljamo kodo, ki smo jo izdelali na predavanju, prava uporaba tega pristopa pa sledi v poglavju o linearni regresiji. Predavanje
    Koda iz predavanj

  • Linearna regresija

    Problemom, kjer je cilj iz atributnega opisa primera napovedati vrednost ciljne zvezne spremenljivke (imenujemo jo tudi razred), pravimo regresijski problemi. Iz učnih podatkov, ki tokrat poleg atributnega opisa vsebujejo tudi podatek o razredu, tu gradimo regresijske napovedne modele. Pri predmetu se bomo z večino tehnik regresijskega modeliranja le seznanili. Pobližje spoznamo le linearno regresijo. Gre za sicer zelo enostaven model, ki pa ima skoraj vse, kar imajo veliki. Najprej je tu struktura modela, kjer pri linearni regresiji povemo, da gre za uteženo vsoto vrednosti atributov, kjer pravimo utežem parametri modela in jih moramo določiti iz podatkov. Določimo jih tako, da minimizirajo neko kriterijsko funkcijo. Pri predavanji to definiramo kot povprečno vrednost kvadrata napake. Kot postopek optimizacije, se pravi, iskanja optimalne vrednosti parametrov glede na izbrano kriterijsko funkcijo, uporabimo metodo gradientnega spusta. Literatura
    Predavanja
    Koda s predavanj
    Drugi viri

  • Regularizacija

    Linearna regresije se v primeru dovolj velikega števila atributov povsem prilagodi učni množici. Če je atributov dovolj, primerov pa dovolj malo, lahko celo dosežemo, da model linearne regresije točno napove vse vrednosti razredov primerov učne množice. Tako prilagojeni modeli pa tipično ne napovedujejo dobro na učni množici. Da vse to rešimo rabimo določiti mere za ocenjevanje točnosti, postopek, kako merimo točnost (množico primerov razbijemo na učno in testno množico) in postopek, kako preprečimo preveliko prileganje učni množici. Slednjega imenujemo regularizacija, in je v osnovni zelo enostavna: poleg napake na učni množici gradimo model linearne regresije tako, da skušamo minimizirati tudi vsoto kvadratov vrednosti parametrov modela. Postopek opišemo na primeru polinomske regresije. Literatura
    Predavaja

  • Vrednotenje uspešnosti regresijskih metod

    Napovedno točnost tehnik strojnega učenja vedno vrednotimo na testni množici, to je na podatkih, ki jih nismo uporabili pri gradnji modela. Vrednotimo kvantitativno, to je, izračunamo napovedno točnost, ki jo pridobimo z izbrano mero točnosti. Med številnimi merami, ki se uporabljajo za ocenjevanje uspešnosti regresijskih metod, predstavimo dve: koren povprečne kvadrirane napake (RMSE) in delež razložene variance (R2). Prednosti slednje je v razponu in interpretaciji: slabši modeli bodo imeli R2 blizu nič, boljši pa blizu 1. Za oceno teh mer tipično ne uporabimo eno samo testno množico, ampak mere izračunamo s ponavljanjem deljenja podatkov na učne in testne, kjer vsakič pridobimo za delitev specifično vrednost mere kvalitete in potem poročamo o povprečni vrednosti teh mer. V ta namen lahko uporabimo na primer tehniko prečnega preverjanja. Predavanja
    Koda s predavanj

  • Nekaj ostalih regresijskih tehnik

    Spoznali smo linearno regresijo, ki je morda najbolj osnovna regresijska tehnika, ni pa navadno najbolj točno in morda tudi ne najbolj uporabljana. V tem razdelku spoznamo še tri regresijske metode, ki vključujejo metodo najbližjih sosedov, regresijska drevesa in regresijske gozdove. Med naštetimi so slednji ti, ki tipično dosegajo najvišje napovedne točnosti. Spregovorimo tudi o nestabilnosti dreves, lenosti metode najbližjih sosedov, in pristopih z ansambli. Predavaja