불꽃코딩

[기본]

인공지능, 머신러닝, 딥러닝 간단 정리

인공지능 : 사람처럼 학습하고 추론할 수 있는 지능을 가진 시스템을 만드는 기술. 강인공지능과 약인공지능으로 나뉜다.

머신러닝 : 규칙을 프로그래밍하지 않아도 자동으로 데이터에서 규칙을 학습하는 알고리즘 연구분야. 사이킷런이 대표적인 라이브러리

딥러닝 : 인공 신경망. 텐서플로와 파이토치가 대표적인 라이브러리

구글 코랩

로컬 환경에 별도의 개발 환경을 구축하지 않아도 구글에서 지원해주는 웹브라우저 기반 파이선 프로그램의 테스트 및 저장할 수 있는 서비스.

요약 : 클라우드 기반의 주피터 노트북 개발 환경

구글 계정만 있다면 누구나 무료로 사용할 수 있다. 

로그인 및 코랩 접속은 (https://colab.research.google.com) 에서 할 수 있다.

구글 계정으로 로그인 하지 않아도 코랩에 접속할 순 있지만 코드 실행 및 저장을 위해서는 로그인하는 것을 권장.

1차 코랩 실습 

- k-최근접이웃 알고리즘을 사용하여 2개의 종류를 분류하는 머신러닝 모델 훈련

- #특성 #훈련 #k-최근접이웃알고리즘 #모델 #정확도

- 특성 : 데이터의 특징. 예) 도미의 특징을 길이와 무게로 표현한 것

아래 사용하는 생선 데이터셋은 캐글에 공개된 데이터셋을 사용.(https://www.kaggle.com/aungpyaeap/fish-market)

* 도미 데이터셋

bream_length = [25.4, 26.3, 26.5, 29.0, 29.0, 29.7, 29.7, 30.0, 30.0, 30.7, 31.0, 31.0, 
                31.5, 32.0, 32.0, 32.0, 33.0, 33.0, 33.5, 33.5, 34.0, 34.0, 34.5, 35.0, 
                35.0, 35.0, 35.0, 36.0, 36.0, 37.0, 38.5, 38.5, 39.5, 41.0, 41.0]
bream_weight = [242.0, 290.0, 340.0, 363.0, 430.0, 450.0, 500.0, 390.0, 450.0, 500.0, 475.0, 500.0, 
                500.0, 340.0, 600.0, 600.0, 700.0, 700.0, 610.0, 650.0, 575.0, 685.0, 620.0, 680.0, 
                700.0, 725.0, 720.0, 714.0, 850.0, 1000.0, 920.0, 955.0, 925.0, 975.0, 950.0]

- 산점도 : x, y축으로 이뤄진 좌표계에 두 변수(x, y)의 관계를 표현하는 방법

- 맷플롯립(matplotlib)의 scatter() 함수를 사용하여 산점도 그래프를 사용

- 도미 데이터셋의 길이를 x축, 무게를 y축으로 산점도를 표시

import matplotlib.pyplot as plt

bream_length = [25.4, 26.3, 26.5, 29.0, 29.0, 29.7, 29.7, 30.0, 30.0, 30.7, 31.0, 31.0, 
                31.5, 32.0, 32.0, 32.0, 33.0, 33.0, 33.5, 33.5, 34.0, 34.0, 34.5, 35.0, 
                35.0, 35.0, 35.0, 36.0, 36.0, 37.0, 38.5, 38.5, 39.5, 41.0, 41.0]
bream_weight = [242.0, 290.0, 340.0, 363.0, 430.0, 450.0, 500.0, 390.0, 450.0, 500.0, 475.0, 500.0, 
                500.0, 340.0, 600.0, 600.0, 700.0, 700.0, 610.0, 650.0, 575.0, 685.0, 620.0, 680.0, 
                700.0, 725.0, 720.0, 714.0, 850.0, 1000.0, 920.0, 955.0, 925.0, 975.0, 950.0]

plt.scatter(bream_length, bream_weight)
plt.xlabel('length')
plt.ylabel('weight')
plt.show()

- 코랩 실행 결과

* 빙어 데이터셋

smelt_length = [9.8, 10.5, 10.6, 11.0, 11.2, 11.3, 11.8, 11.8, 12.0, 12.2, 12.4, 13.0, 14.3, 15.0]
smelt_weight = [6.7, 7.5, 7.0, 9.7, 9.8, 8.7, 10.0, 9.9, 9.8, 12.2, 13.4, 12.2, 19.7, 19.9]

 - 기존 scatter() 함수에 빙어 데이터셋 추가

import matplotlib.pyplot as plt

bream_length = [25.4, 26.3, 26.5, 29.0, 29.0, 29.7, 29.7, 30.0, 30.0, 30.7, 31.0, 31.0, 
                31.5, 32.0, 32.0, 32.0, 33.0, 33.0, 33.5, 33.5, 34.0, 34.0, 34.5, 35.0, 
                35.0, 35.0, 35.0, 36.0, 36.0, 37.0, 38.5, 38.5, 39.5, 41.0, 41.0]
bream_weight = [242.0, 290.0, 340.0, 363.0, 430.0, 450.0, 500.0, 390.0, 450.0, 500.0, 475.0, 500.0, 
                500.0, 340.0, 600.0, 600.0, 700.0, 700.0, 610.0, 650.0, 575.0, 685.0, 620.0, 680.0, 
                700.0, 725.0, 720.0, 714.0, 850.0, 1000.0, 920.0, 955.0, 925.0, 975.0, 950.0]

smelt_length = [9.8, 10.5, 10.6, 11.0, 11.2, 11.3, 11.8, 11.8, 12.0, 12.2, 12.4, 13.0, 14.3, 15.0]
smelt_weight = [6.7, 7.5, 7.0, 9.7, 9.8, 8.7, 10.0, 9.9, 9.8, 12.2, 13.4, 12.2, 19.7, 19.9]

plt.scatter(bream_length, bream_weight)
plt.scatter(smelt_length, smelt_weight)
plt.xlabel('length')
plt.ylabel('weight')
plt.show()

- 코랩 실행 결과

k-최근접 이웃 알고리즘 적용

- k-최근접 이웃 알고리즘을 적용하여 도미와 빙어 데이터를 구분

- 사이킷런을 사용하여 머신러닝을 진행

- 사이킷런을 사용하기 위해서는 각 특성의 리스트를 세로 방향으로 늘어뜨린 2차원 리스트가 필요

- 파이썬의 zip() 함수와 리스트 내포(list comprehension) 구문을 사용하여 2차원 리스트를 생성

* 도미와 빙어의 데이터를 하나의 데이터로 만들기

length = bream_length + smelt_length
weight = bream_weight + smelt_weight

fish_data = [[l,w] for l, w in zip(length, weight)]
print(fish_data)

- 코랩 실행 결과

- 머신 러닝을 하기 전에 준비할 정답 데이터셋.

- 머신 러닝 알고리즘이 생선의 길이와 무게를 보고 도미와 빙어를 구분하는 규칙을 찾기 원하기 때문

- 기존 데이터에서 어떤 것이 도미이고 어떤 것이 빙어인지 알려주어야 함

* 정답 데이터셋 만들기

fish_target = [1] * 35 + [0] * 14
print(fish_target)

- 코랩 실행 결과

- 사이킷런의 k-최근접 이웃 알고리즘을 구현한 KNeighborsClassifier 클래스를 사용

- 훈련 : 기준 데이터를 사이킷런에 전달하여 학습시키는 과정

- 사이킷런에서는 fit() 메서드를 사용한다.

- fit() 메서드로 주어진 데이터로 알고리즘 훈련 후 얼마나 잘 훈련되었는지 score() 메서드를 사용하여 모델을 평가

- score() 메서드는 0~1 사이의 값을 반환. 1은 모든 데이터를 정확히 맞혔다는 것

* 데이터 알고리즘 학습

from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier

kn = KNeighborsClassifier()
kn.fit(fish_data, fish_target)
kn.score(fish_data, fish_target)

- 코랩 실행 결과

[선택] 간단히 사이킷런을 사용하여 알고리즘 학습을 진행해 보았고, 책에 나온 문제 내용을 정리

1. 머신 러닝 알고리즘의 한종류. 샘플 입력과 타깃을 알고 있을 때 사용할 수 있는 학습 방법 - 지도학습 

- 지도학습 : 훈련하기 위한 데이터와 정답이 필요. 정답(타깃)이 있으니 알고리즘 정답을 맞히는 것을 학습

- 비지도학습 : 타깃 없이 입력 ㅔ이터만 사용. 정답을 사요하지 않으므로 무언가를 맞힐 순 없으나 데이터를 잘 파악하거나 변형하는 데 도움을 줌

- 차원축소 : 비지도 학습의 큰 축. 고차원의 원본 데이터를 저 차원의 부분공간으로 투영하여 데이터를 축소하는 기법. 예) 10차원 이상의 데이터가 주어졌을 때 2~3차원의 데이터로 부분공간으로 투영하여 데이터를 축소. 차원이 증가할수록 데이터 포인트 간 거리가 기하급수적으로 멀어져 희소한 구조를 가지게 됨. 피처가 많아지게 되면 개별 피처 간 상관관계가 높아 다중공선성의 문제 과적합이나 예측 성능이 저하될 우려가 있음.

- 강화학습 : 현재의 상태(state)에서 어떤 행동(action)을 취하는 것이 최적인지를 학습하는 것. 행동을 취할 때마다 외부 환경에서 보상(reward)이 주어지고, 보상을 최대화하는 방향으로 학습이 진행

2. 훈련 세트와 테스트 세트가 잘못 만들어져 전체 데이터를 대표하지 못하는 현상 - 샘플링 편향

- 샘플링 오류 : sampling error는 랜덤 표본의 통계와 실제 모집단 값 사이의 불일치를 의미. 자연적인 우연인자를 말하는 것이지, 설계가 부실하고 실행이 잘 안되어 있는 실험에 의한 측정 오류는 아니다.

- 샘플링 실수 : 아직 답을 찾는 중입니다. 향후 업데이트

- 샘플링 편차 : 아직 답을 찾는 중입니다. 향후 업데이트

- 샘플링 편향 : 일반적으로 훈련 세트와 테스트 세트에 샘플이 골고루 섞여 있지 않으면 샘플링 한쪽으로 치우쳤다는 의미

3. 사이킷런은 입력 데이터(배열)가 어떻게 구성되어 있을 것으로 기대하는가

- 테이블의 행은 수많은 샘플들로 구성되고, 열은 샘플의 특성들로 구성.

- 샘플이 특성에 비해 너무 적으면 overfit이 발생하거나 예측이 안될 수 있음.