인공지능 공부/Machine Learning

[인공지능 기초 / ML] 0. 머신러닝이란

KimDove 2022. 8. 4. 11:48

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1. 머신러닝이란

명시적인 프로그래밍 없이 컴퓨터가 학습하는 능력을 갖추게 하는 연구 분야다. - 아서 새뮤얼

1-1. 왜 머신러닝을 사용하는가

메일의 제목을 보고 스팸 필터를 만든다고 가정하였을 때
전통적인 프로그래밍 기법을 사용
→ 작성해야하는 규칙이 점점 길과 복잡해져 비효율적으로 동작하고, 유지보수하기 힘들어진다.
머신러닝 기법을 사용
→ 스팸 메일에서 자주 나타나는 패턴을 감지하여 어떤 단어와 구절이 스팸 메일을 판단하는 데 좋은 기준인지 자동으로 학습

< ! > 머신러닝 기술을 적용하여 대용량의 데이터를 분석하여 패턴을 발견하는 것을 데이터 마이닝(data mining)이라 한다.

1-2. 머신러닝 시스템의 종류

[ 머신러닝 시스템의 종류 ]

1-2.1. 지도학습과 비지도 학습

(1) 지도 학습 (Supervised Learning)

학습하고자 하는 알고리즘에 주입하는 훈련 데이터에 레이블 (label)이라는 원하는 답을 포함한다.
분류 (classification)와 회귀 (regression)가 전형적인 지도학습이다.

< ! > 머신러닝에서 속성 (attribute)은 데이터 타입을 의미한다.
< ! > 머신러닝에서 특성 (feature)는 일반적으로 속성과 값이 합쳐진 것을 의미한다.

분류 (Classification)
→ 주어진 데이터를 클래스 별로 구별해가는 과정
회귀 (Regression)
→ 특성을 사용하여 타깃 (Target) 수치를 예측하는 과정
일부 회귀 알고리즘은 분류에 사용할 수 있고, 반대로 일부 분류 알고리즘을 회귀에 사용할 수 있다.
1. k-최근접 이웃 (k-Nearest Neighbors | kNN)
2. 선형 회귀 (linear regression)
3. 로지스틱 회귀 (logistic regression)
4. 서포트 벡터 머신 (Support Vector Machine | SVM)
5. 결정 트리 (Decision tree)
6. 랜덤 포레스트 (random forest)
7. 신경망 (Neural Network | NN)
(1)-1. 지도학습 알고리즘 예시

(2) 비지도 학습 (Unsupervised Learning)

지도 학습과 달리 훈련 데이터에 레이블이 없이 학습해야 함.

(2)-1. 비지도학습 알고리즘 예시

1)  군집 (clustering)  
    1)-1. k-평균 (k-means)   
    1)-2. DBSCAN  
    1)-3. 계층 군집 분석(Hierarchical Cluseter Analysis | HCA)  
    1)-4. 이상치 탐지(outlier detection)와 특이치 탐지(novelty detection)    
    1)-5. 원-클래스 SVM (one-class SVM)  
    1)-6. 아이솔레이션 포레스트 (isolation forest)  
    
2) 시각화 (visualization)와 차원 축소 (dimensionality reduction)
    2)-1. 주성분 분석 (Principal Component Analysis | PCA)  
    2)-2. 커널 PCA (kernel PCA)  
    2)-3. 지역적 선형 임베딩 (Locally Linear Embedding)  
    2)-4. t-SNE (t-distributed Stochastic Neighbor Embedding)  
    
3) 연관 규칙 학습 (association rule learning)  
    3)-1. 어프라이어리 (Apriori)  
    3)-2. 이클렛 (Eclat)

군집 (Clustering)
→ 대상을 군집 (Clustering)이라 불리는 상대적으로 동질적인 집단으로 분류하는 기법
→ 계층 군집 (Hierarchical Clustering)알고리즘을 사용하면 각 그룹을 더 작은 그룹으로 세분화 할 수 있다.

[ K-means 군집화 알고리즘 예시]

시각화 (Visualization)
→ 레이블이 없는 대규모의 고차원 데이터를 넣으면 도식화가 가능한 2D나 3D 표현을 만들어줌.
→ 알고리즘은 가능한 한 구조를 그대로 유지하려 하므로 데이터가 어떻게 조작되어 있는지 이해할 수 있다.
→ 비슷한 작업으로는 많은 정보를 잃지 않으며 데이터를 간소화하는 차원 축소가 있다.

< ! > 차원축소 기법 중 하나는 상관관계가 있는 여러 특성을 하나로 합치는 것이 있는데, 이를 특성 추출 (Feature Extraction)이라 한다.
< ! >지도 학습 같은 머신러닝 알고리즘에 데이터를 주입하기 전에 차원 축소 알고리즘을 사용하여 데이터의
차원을 줄이는 것이 유용할 때가 많다.
→ 실행 속도가 빨라지고, 디스크와 메모리를 차지아는 공간도 줄고 성능이 향상될 수도 있다.

[ MNIST 데이터 셋을 이용한 t-SNE 예제 ]

이상치 탐지(Outlier Detection | Anomaly Detection)
→ 훈련하는 동안 대부분 정상 샘플을 만나 이상치를 인식하도록 훈련됨.
→ 새로운 샘플을 보고 정상 데이터인지 이상치인지 판단함.
→ 비슷한 작업으로 특이치 탐지가 있다.
→ 특이치 탐지는 훈련 세트에 있는 모든 샘플과 달라 보이는 새로운 샘플을 탐지하는 것이 목적이다.

[이상치탐지 예시]

연관 규칙 학습 (Association rule learning)
→ 대량의 데이터에서 특성 간 관계를 찾는 작업

(3) 준지도 학습 (Semi-supervised Learning)

데이터에 레이블을 달기에 많은 시간과 비용이 소모되어 일반적으로 레이블이 없는 샘플이 많고 레이블된
샘플이 적다.
준지도 학습에서는 일부만 레이블이 있는 데이터를 학습시키는데 사용된다.
대부분의 준지도 학습 알고리즘은 지도 학습과 비지도 학습의 조합으로 이루어져 있다.
준지도 학습의 일종인 심층 신뢰 신경망 (Deep Belief Network | DBN)은 여러 겺으로 쌓은
제한된 볼츠만 머신(Restricted Boltzmann Machine)이라 불리는 비지도 학습에 기초한다.

(4) 강화 학습 (Reinforcement Learning)

[ 강화학습 동작의 쉬운 예 ]

알고리즘이 학습 하는 시스템을 에이전트 (Agent)라 부른다.
환경 (Environment)을 관찰하여 행동 (Action)을 실행하고 그 결과로 보상 (Reward) 혹은 벌점 (Panalty)를 받는다.
시간이 지나면서 가장 큰 보상을 얻기 위해 정책 (Policy)라 부르는 최상의 전략을 스스로 학습

1-3. 배치 학습과 온라인 학습

1-3.1. 배치 학습 (Batch Learning)

→ 가용한 데이터를 모두 사용해 훈련시켜야 한다.
→ 일반적으로 이 방식은 시간과 자원을 많이 소모하여 보통 오프라인에서 수행된다.

1-3.2. 온라인 학습 (Online Learning)

→ 데이터를 순차적으로 한 개씩 또는 미니 배치(mini batch)라 부르는 작은 묶음 단위로 주입하여 시스템을 훈련시킴.
→ 매 학습 단계가 빠르고 비용이 적게 들어 시스템은 데이터가 도착하는 대로 즉시 학습할 수 있다.
→ 컴퓨터 한 대의 메모리에 들어갈 수 없는 아주 큰 데이터셋을 학습하는 시스템에도 온라인 학습 알고리즘을 사용할 수 있다. (외부 메모리 학습)
< ! > 외부 메모리 학습은 보통 오프라인으로 실행되어 온라인 학습보다는 점진적 학습 (incremental learning)이라 한다.

→ 변화하는 데이터에 얼마나 빠르게 적응하는지를 나타내는 파라미터를 학습률 (learning rate)라고 한다.
(1) 학습률을 높게하면 시스템이 데이터에 빠르게 적응하지만 예전 데이터를 금방 잊는다.
(2) 학습률이 낮으면 더 느리게 학습되지만, 새로운 데이터에 있는 잡음이나 대표성 없는 데이터 포인트에 덜 민감해진다.

1-4. 사례 기반 학습과 모델 기반 학습

→ 주어진 훈련 데이터로 학습하고 훈련 데이터에서 본 적 없는 새로운 데이터에서 좋은 예측을 만들어야(일반화 / generalize)한다.
→ 일반화를 위한 두 가지 접근법은 사례 기반 학습과 모델 기반 학습이 있다.

1-4.1. 사례기반 학습(instance-based learning)

시스템이 훈련 샘픙을 기억함으로써 학습 시킴.
유사도 특정을 사용하여 새로운 데이터와 학습한 샘플을 비교하는 식으로 일반화 함.

1-4.2. 모델기반 학습(model-based learning)

샘플들의 모델을 만들어 예측(prediction)에 사용하는 것

1-5. 머신러닝 주요 도전과제

머신러닝 알고리즘 학습에 문제가 될만한 요소로는 나쁜 데이터와 나쁜 알고리즘이 있다.

1-5.1. 나쁜 데이터

(1) 충분하지 않은 양의 훈련 데이터

대부분의 머신러닝 알고리즘이 잘 작동하려면 데이터가 많아야 한다.

(2) 대표성 없는 훈련 데이터

일반화하려는 사례들을 대표하는 훈련 세트를 사용하는 것이 매우 중요하지만, 어려운 경우가 많다.
샘플이 작으면 샘플링 잡음 (Sampling noise)이 생기고,
샘플이 매우 큰 경우엔 표본 추출방법이 잘못되면 대표성을 띠지 못하는 샘플링 편향 (Sampling bias)이 발생한다.

(3) 낮은 품질의 데이터

훈련 데이터가 에러, 이상치 (Anomaly / Outlier), 잡음으로 가득하다면 데이터에 존재하는 패턴을 찾기 어려워 잘 작동하지 않는다.
이런 경우에 훈련 데이터를 정제하는 작업이 필요하다.
1. 일부 샘플이 이상치라는게 명확하면 간단히 그것들을 무시하거나 수동으로 잘못된 것을 고치는 것이 좋다.
2. 일부 샘플에 결측치가 존재한다면, 결측치 데이터를 무시할지 빠진 값을 채울지 결정해야한다.

(4) 관련없는 특성

garbage in garbage out이라는 말이 있듯이 훈련 데이터에 관련없는 특성이 적고 관련 있는 특성이 충분해야 학습할 수 있다.
머신러닝 프로젝트의 핵심요소는 훈련에 사용할 좋은 특성들을 찾는 것이다.
이 과정을 특성 공학 (feature engineering)이라 하며 다음과 같은 작업을 한다.
1. 특성 선택 (feature selection) | 가지고 있는 특성 중 훈련에 가장 유용한 특성을 선택한다.
2. 특성 추출 (feature extraction) | 특성을 결합하여 더 유용한 특성을 만든다.
3. 새로운 데이터를 수집해 새 특성을 만든다.

1-5.2. 나쁜 알고리즘

(1) 훈련 데이터 과대적합

모델이 훈련 데이터 셋에 정확도가 높게 나오지만, 시험 / 검증 데이터 셋에 대해서는 정확도가 낮게 나오는 현상을 과대적합 (Overfitting)이라 한다.
훈련 데이터에 있는 잡읍의 양에 비해 모델이 너무 복잡할 때 일어나며 해결 방법은 다음과 같다.
1. 파라미터 수가 적은 모델을 선택하거나, 훈련 데이터에 있는 특성 수를 줄이거나, 모델에 제약을 가해 단순화 시킨다.
2. 훈련 데이터의 잡음을 줄인다. (오류 데이터 수정과 이상치 제거)
3. 훈련 데이터를 더 모은다.
과대적합의 위험을 감소시키기 위해 모델에 제약을 가하는 것을 규제 (Regularization)라고 한다.
학습하는 동안 적용할 규제의 양은 하이퍼파라미터 (Hyperparameter)가 결정한다.
! 하이퍼 파라미터는 모델이 아니라 학습 알고리즘의 파라미터로, 훈련전에 미리 지정되고,
훈련하는 동안에 상수로 남아있다.

[ 오버피팅의 쉬운 예 ]

(2) 훈련 데이터 과소적합

과대적합의 반대 개념으로, 모델이 너무 단순해 데이터의 내재된 구조를 학습하지 못하는 것을 과소적합 (underfitting)이라고 한다.
현실은 모델보다 더 복잡하므로 훈련 샘플에서도 부정확한 예측을 만드며 해결 방법은 다음과 같다.
1. 모델 파라미터가 더 많은 모델을 선택한다.
2. 학습 알고리즘에 더 좋은 특성을 제공한다.
3. 모델의 제약을 줄인다.

[ 언더피팅의 쉬운 예 ]

1-6. 테스트와 검증

모델이 새로운 샘플에 얼마나 잘 일반화 되는지 알아보는 방법은 새로운 데이터를 모델에 적용해 보는 것이다.
데이터 셋을 훈련용과 시험용으로 나누어 테스트한다.
새로운 샘플에 대한 오류 비율을 일반화 오차(generalization error / 외부 샘플 오차 out of sample error)라고 하며,
시험용 데이터 셋으로 모델을 평가하여 오차에 대한 추정값 (estimation)을 얻는다.

[ 데이터 셋 분할 ]

99. 자료 출처

99-1. 도서

한빛 미디어 | 오를레앙 제롱 저, 박해선 역 - 핸즈온 머신러닝

99-2.논문, 학술지

99-3. 웹사이트

char :: 머신러닝 - 군집 | [블로그 링크]
MathWorks - 강화학습이란? | [블로그 링크]
jhlee.log - [머신러닝] K-평균 (K-Means) 알고리즘 | [블로그 링크]
JINSOL KIM - t-SNE 개념과 사용법 | [블로그 링크]
텐서 플로우 블로그 - 1.3 머신러닝 시스템의 종류 | [블로그 링크]
Ai타임스 - "알파고도 칠전팔기?"[특별기획 AI 2030] ③강화학습 | [기사 링크]
한땀한땀 딥러닝 컴퓨터 비전 백과사전 - Under/Over-fitting 해결방법 | [블로그 링크]
Pinterest | [블로그 링크]
INSIDER - 26 of the funniest answers children have written on homework assignments | [기사 링크]
쵸코쿠키의 연습장 - 머신러닝:데이터 분할:방법,방식,절차 | [블로그 링크]

99-4. 데이터셋 출처

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