Введение в машинное обучение
В первом модуле разберем: задачи, которые решают методы машинного обучения; необходимые темы из математического анализа, линейной алгебры и теории вероятности; базовые инструменты анализа данных в python; простые методы машинного обучения (линейная регрессия, логистическая регрессия, lDA, наивный Байес)
Базовые инструменты анализа данных в Python.
Цели:
Участники узнают, какие задачи они смогут решать по окончании курса, научатся настраивать рабочее окружение и узнают функционал базовых библиотек для работы с данными в python.
Программа:
1. Обзор курса. Типы решаемых задач.
2. Окружение Python. Введение в Python, Numpy, Pandas, Sklearn. API Sklearn.
3. Обзор других инструментов анализа данных.
ДЗ
Работы с данными в библиотеках numpy и pandas и реализация библиотеки для сбора данных.
см. файл homework_description.pdf
Необходимые понятия из мат. анализа и линейной алгебры
Цели:
Участники освоят весь необходмый для данного курса материал из линейной алгебры и математического анализа: научатся решать задачи на собсвенные числа и собственные вектора матриц, находить производные функций и матричных выражений и применять это для задач оптимизации функций, эффективно применять данные алгоритмы в python.
Программа:
1. Линейная алгебра: Вектор, матрица, определитель матрицы, обратная матрица, собственные числа и вектора, норма, разложения матрицы (по собственным векторам, SVD).
2. Мат. анализ: Производная, интеграл, производные матричных выражений, якобиан, дифференцирование сложной функции.
3. Оптимизация: выпуклая, поиск глобального экстремума.
4. Типы данных в Python и векторизация вычислений (примеры + время работы).
Необходимые понятия из теории вероятности
Цели:
Участники изучат необходимые для курса основы теории вероятности: случайная величина, основные виды распределений случайных величин, научатся считать матожидание, дисперсию случайных величин. Узнают как эффективно делать семплирование из распределений, научатся реализовывать данные алгоритмы на языке python.
Программа:
1. Теория вероятности: вероятность (частотная и Байесовская трактовки), случайные величины, примеры распределений, мат. ожидание и т.д.
2. Экспоненциальное семейство распределений.
3. Многомерное Гауссово распределение.
4. Основы статистики.
5. Сэмплинг из распределения (метод Гиббса, идея МСМС).
6. Примеры на Python.
Линейная регрессия
Цели:
Участники научатся делать описательный анализ данных с помощью библиотеки pandas и визуализацию данных с помощью различных библиотек python (matplotlib, seaborn, plotly, bokeh)
Программа:
1. Линейная регрессия - метод наименьших квадратов
2. Вероятностная трактовка линейной регрессии
3. Полиномиальная регрессия
3. Регуляризация в линейной регрессии
Feature engineering
1. Отбор признаков.
2. Преобразование исходных данных в подходящий для модели формат.
3. Преобразование признаков для повышения точности модели.
4. Выбор части признаков.
Визуализация
Цели:
Участники освоят основные библиотеки для визуализации данных в python, будут правильно выбирать виды графиков для визуализации данных разных типов.
Программа:
1. Визуализация на matplotlib, seaborn, plotly, bokeh.
2. Визуализация геоданных на карте мира. Приемы для визуализации плотных данных.
3. Визуализация для поиска корреляций
ДЗ
Основное домашнее задание.
https://docs.google.com/document/d/1DcyGITpYr-zYq2U8CtZcQqs82xbyuIXY9Ui_22tfMjk/edit?usp=sharing
Обучение с учителем. Логистическая регрессия
Реализации логистической регрессии с помощью метода стохастического градиентного спуска
ДЗ
Обучение с учителем. Логистическая регрессия..
См. homework.ipynb
Задача классификации. Метод ближайших соседей (kNN)
Алгоритм kNN. Влияние нормализации данных в kNN. Структуры данных для оптимизации kNN. Кросс валидация. Методы оценки качества алгоритмов классификации.
Продвинутые алгоритмы машинного обучения
Метод опорных векторов
1. Метод опорных векторов(SVM), интерпретация.
2. Случай линейно неразделимых данных.
3. kernel trick, representer theorem, примеры ядер.
4. Пример SVM в sklearn.
Обучение без учителя. K-means, EM алгоритм
Обучение без учителя. Алгоритмы кластеризации, области применения. K-means. Оценка качества обучения, ограничения и подбор алгоритма для задачи. Алгоритмы с lower-bound. EM алгоритм.
ДЗ
Обучение без учителя. Кластеризация.
См. homework-clustering.ipynb
Реализовать один из алгоритмов кластеризации.
Применение готовых алгоритмов кластеризации к датасету с Kaggle
Иерархическая кластеризация, DB-Scan
1. Иерархическая кластеризация
2. DB-Scan.
3. Optics. Спектральная кластеризация.
Методы уменьшения размерности
1. Метод главных компонент (Principle component analysis).
2. Метод t-sne.
3. Примеры визуализации с помощью метода t-sne.
Деревья решений
1. Классификация и регрессия с помощью деревьев решений.
2. Обзор алгоритмов. Алгоритм CART. Выбор оптимального сплита, суррогатный сплит.
3. Обзор реализации в sklearn.
ДЗ
Реализация алгоритма дерева решений на простых данных.
Необходимо реализовать алгоритм дерева решения для задачи регрессии или классификации и сравнить результат с алгоритмом из библиотеки sklearn
Ансамбли моделей.
1. Ансамблирование.
2. Случайный лес.
3. Бустинг, бэггинг, стекинг, блендинг.
Градиентный бустинг
1. Градиентный бустинг теория
2. Примеры библиотек: xgboost, catboost, lightgbm
3. Стекинг, блендинг
ДЗ
Применение бустинга для построения лучшей модели
Применение методов машинного обучения к разным типам данных (текст, рекомендации, графы, временные ряды)
Анализ текстовых данных. Часть 1
1. Сбор данных из открытых источников.
2. Очистка данных, подготовка данных для анализа.
3. Задача обработки текста. Введение, обзор задач, токенизация, лемматизация. TF-IDF.
4. Обзор библиотек для Python для работы с русским и английским языками.
Анализ текстовых данных. Часть 2
1. Выделение объектов в тексте.
2. Word2vec. Fast text.
3. Анализ тональности.
4. Автоматическое реферирование и тэгирование, классификация текстов.
ДЗ
Реализация процесса сбора данных через API.
Реализация процесса сбора данных через API VKontakte.
Преобразование текста, подготовка текста для анализа.
Применение машинного обучения для предсказания характеристик пользователей.
Анализ текстовых данных. Часть 3. Тематическое моделирование
1. метод pLSA.
2. метод LDA.
3. Применеие метода LDA для тематического моделирования новостных и научных статей
Рекомендательные системы
1. Коллаборативная фильтрация основанная на схожести пользователей и товаров.
2. Коллаборативная фильтрация основанная на факторизации матриц.
3. Проблема "холодного старта", контентная фильтрация, гибридные подходы.
4. Ассоциативные правила.
5. Метрики оценки качества рекомендательной системы.
ДЗ
Сравнение разных алгоритмов рекомендательных систем.
1. На тренировочных данных с рейтингами фильмов обучить следующие алгоритмы рекомендательных систем:
- user based collaborative filtering
- item based collaborative filtering
- 3. SVD без bias
- SVD
- Факторизационные машины с дополнительной информацией по пользователям и предметом рекомендаций и эффектом времени
2. Сравнить разные алгоритмы на валидационных данных и сделать выводы
Анализ временных рядов
1. Постановка задачи.
2. Экспоненциальное сглаживание.
3. Стационарность. SARIMA. Выбор признаков во временных рядах.
4. Применение моделей машинного обучения
ДЗ
Предсказание временных рядов.
1. Скачать датасет Х.
2. Натренировать модель ARIMA, перебором подобрать наилучший набор параметров.
3. Натренировать одну из ML моделей на предсказание следующего значения временного ряда.
Алгоритмы на графах
Социальные сети, выделение сообществ
АБ тестирование
1. Тестирование гипотез. Постановка задачи.
2. Терминология, мощность, статистическая значимость.
3. Параметрические методы: t-критерий, 1p, 2p proportion.
4. Непараметрические методы bootstrap
Методы оптимизации
SGD, модификации SGD
Нейронные сети и глубокое обучение
Простейшие нейронные сети и метод обратного распространения ошибки.
1. Начальные сведения о нейронных сетях.
2. Теорема об универсальной аппроксимации.
3. Алгоритм обратного распространения ошибки.
Обучение нейронных сетей
1. Пример к предыдущей лекции: разбор word2vec.
2. Предпосылки для глубоких нейронных сетей, представления.
3. Стохастический градиентный спуск.
ДЗ
Простые НС и метод обратного распространения ошибки.
1. Реализовать полносвязную сеть: два скрытых слоя с функцией активации ReLU, на выходе softmax по количеству классов (задается как параметр).
2. Обучить НС на модельный датасет "make_moons" из skelarn. Визуализировать разделяющую поверхность.
3. Обучить НС на датасете MNIST.
Сверточные нейронные сети ч.1
1. Структура сверточных сетей.
2. Пример на MNIST (Pytorch).
3. Обзор Pytorch.
4. Примеры на Pytorch (усложняем сеть, увеличиваем точность) -- сделать inclass соревнование на Kaggle.
Сверточные нейронные сети ч.2
1. Функции активации.
2. Регуляризация (BatchNorm, Dropout)
3. Инициализация весов.
4. Модификации SGD.
Сверточные нейронные сети ч.3
1. Ансамблирование.
2. Аугментация данных, transfer learning.
3. Использование предобученных сетей.
ДЗ
Сверточные сети на Pytorch.
1. Реализовать сверточную сеть заданной архитектуры на Pytorch.
2. Написать слой BatchNorm и добавить его в НС.
3. Написать оптимизатор RMSProp и сравнить с обычным SGD.
Рекуррентные сети ч.1
1. Простой вариант: RNN.
2. LSTM, GRU.
3. Примеры для текста (языковая модель).
Рекуррентные сети ч.2
1. Механизм внимания: пример на переводе, на картинке. Типы внимания.
2. Пример: Image captioning.
ДЗ
Рекуррентные сети на Pytorch.
1. Реализовать language model.
2. Выполнить задачу NER на датасете ConLL2003.
Примеры работы глубоких НС
1. Изображения и видео.
2. Текст: задача POS-tagging, NER, перевод.
3. Прочее.
