[Machine Learning] 01. 인공지능

인공지능 개요

인공지능 (AI - Artificial Intelligence) 이란

지능이란?

• 지능: 어떤 문제를 해결하기 위한 지적 활동 능력
• 인공지능
  • 기계가 사람의 지능을 모방하게 하는 기술
  • 규칙기반, 데이터 학습 기반

정의

• 다트머스대학 수학과 교수인 존 매카시(John McCarthy)가 “지능이 있는 기계를 만들기 위한 과학과 공학” 이란 논문에서 처음으로 제안(1955년)
• 인간의 지능(인지, 추론, 학습 등)을 컴퓨터나 시스템 등으로 만든 것 또는, 만들 수 있는 방법론이나 실현 가능성 등을 연구하는 기술 또는 과학

Strong AI vs Weak AI

• Artificial General Intelligence (AGI)
  • 인간이 할 수 있는 모든 지적인 업무를 해낼 수 있는 (가상적인) 기계의 지능을 말한다. 인공지능 연구의 주요 목표.
• Strong AI (강 인공지능)
  • AGI 성능을 가지는 인공지능
  • 인공지능 연구가 목표하는 방향.
• Weak AI (약 인공지능)
  • 기존에 인간은 쉽게 해결할 수 있었지만 컴퓨터로 처리하기 어려웠던 일을 컴퓨터가 수행할 수 있도록 하는 것이 목적.
  • 지각(知覺)을 가지고 있지 않으며 특정한 업무를 처리하는데 집중한다.

인공지능의 발전을 가능하게 만든 세가지 요소

• 데이터의 급격한 증가
  • 디지털사진, 동영상, IoT 기기, SNS 컨텐츠 등으로 인해 데이터가 폭발적으로 증가
  • 전 세계 디지털데이터의 90%가 최근 2년 동안 생성
• 알고리즘의 발전
  • 급증한 데이터를 이용한 기존 알고리즘 개선 및 새로운 알고리즘들이 개발됨.
• 컴퓨터 하드웨어의 발전
  • CPU와 GPU의 발전.
  • 특히 GPU의 발전은 딥러닝의 발전으로 이어짐.
  • TPU(Tensor Processing Unit)
    • 구글에서 개발한 딥러닝 전용 칩셋

머신러닝과 딥러닝

머신러닝(Machine Learning)

• 데이터 학습 기반의 인공 지능 분야
• 기계에게 어떻게 동작할지 일일이 코드로 명시하지 않고 데이터를 이용해 학습할 수 있도록 하는 알고리즘과 기술을 개발하는 인공지능의 한분야

딥러닝 (Deep Learning)

• 인공신경망 알고리즘을 기반으로 하는 머신러닝의 한 분야. 비정형데이터(영상, 음성, 텍스트)에서 뛰어난 성능을 나타낸다. 단 학습 데이터의 양이 많아야 한다.

• 비정형 데이터
  • 정해진 규칙 없이 저장되어 값의 의미를 쉽게 파악할 수 없는 데이터
  • 텍스트, 영상, 음성 데이터가 대표적인 예이다.
• 정형 데이터
  • 미리 정해 놓은 형식과 구조에 따라 저장되도록 구성된 데이터
  • 대표적이 예로 관계형 데이터베이스가 있다.

머신러닝 모델(알고리즘, 모형)

• 모델이란 데이터의 패턴을 수식화 한 함수를 말한다.
  • 그러나 처음에는 방대한 데이터의 패턴을 알 수 없기 때문에 “이 데이터는 이런 패턴을 가졌을 것”이라고 가정한 함수를 정한뒤 데이터를 학습시켜 데이터 패턴을 잘 표현하는 함수를 만든다.

모델을 만드는 과정

1. 모델을 정하여 수식화 한다.
2. 모델을 데이터를 이용해 학습(Train) 시킨다.
   • 모델을 데이터의 패턴에 맞춘다. (fit)
3. 학습된 모델이 얼마나 데이터 패턴을 잘 표현하는지 평가한다.(Test)

데이터 관련 용어

Feature

• 추론하기 위한 근거가 되는 값들을 표현하는 용어.
• 예측 하거나 분류해야 하는 데이터의 특성, 속성 값을 말한다.
• 입력 변수(Input), 독립변수라고도 한다.
• 일반적으로 X로 표현한다.

Label

• 예측하거나 분류해야 하는 값들을 표현하는 용어
• 출력 변수(Output), 종속변수, Target 이라고도 한다.
• 일반적으로 y로 표현한다.

Class

• Label이 범주형(Categorical) 일 경우 그 고유값을 Class라고 한다.
  • 개/고양이, 남성/여성, A형/AB형/B형/O형

데이터 포인트

• 개별 데이터를 표현하는 용어.

머신러닝 알고리즘 분류

지도학습(Supervised Learning)

• 모델에게 데이터의 특징(Feature)와 정답(Label)을 알려주며 학습시킨다.
• 대부분의 머신러닝은 지도학습이다.
• 지도학습은 분류와 회귀로 나뉜다.

분류(Classification):

- **두개 이상의 클래스(범주)에서 선택을 묻는 지도 학습방법**
    - **이진 분류** : 맞는지 틀린지를 분류.
    - **다중 분류** : 여러개의 클래스중 하나를 분류
- 의사결정나무(Decision Tree)
- 로지스틱 회귀(Logistic Regression)
- K-최근접 이웃(K-Nearest Neighbors, KNN)
- 나이브 베이즈(Naive Bayes)
- 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine, SVM)
- 랜덤 포레스트(Random Forest)
- 신경망(Neural Network)

회귀(Regression):

- **숫자(연속된값)를 예측 하는 지도학습**
- 의사결정나무(Decision Tree)
- 선형 회귀(Linear Regression)
- 릿지 회귀(Rige Regression)
- 라쏘 회귀(Lasso Regression)
- 엘라스틱 넷(Elastic Net)
- K-최근접 이웃(K-Nearest Neighbors, KNN)
- 나이브 베이즈(Naive Bayes)
- 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine, SVM)
- 랜덤 포레스트(Random Forest)
- 신경망(Neural Network)

비지도학습 (Unsupervised Learning)

• 정답이 없이 데이터의 특징만 학습하여 데이터간의 관계를 찾는 학습방법
• 군집(Clustering)
  • 비슷한 유형의 데이터 그룹을 찾는다. 주로 데이터 경향성을 파악하는 비지도 학습
  • K-평균 클러스터링(K-Means Clustering)
  • 평균점 이동 클러스터링(Mean-Shift Clustering)
  • DBSCAN(DensityBased Spatial Clustering of Applications with Noise)
• 차원축소(Dimensionality Reduction)
  • 예측에 영향을 최대한 주지 않으면서 변수(Feature)를 축소하는 한다.
  • 고차원 데이터를 저차원의 데이터로 변환하는 비지도 학습
  • 주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA)

머신러닝 개발 절차 (Machine Learning Process)

1. Business Understanding
   • 머신러닝 개발을 통해 얻고자 하는 것 파악.
2. Data Understanding
   • 데이터 수집
   • 탐색을 통해 데이터 파악
3. Data Preparation
   • 데이터 전처리
4. Modeling
   • 머신러닝 모델 선정
   • 모델 학습
5. Evaluation
   • 모델 평가
   • 평가 결과에 따라 위 프로세스 반복
6. Deployment
   • 평가 결과가 좋으면 실제 업무에 적용

파이썬 머신러닝,딥러닝 주요 패키지

Scikit-learn

- 딥러닝을 제외한 머신러닝 주요 알고리즘 제공 ### Tensorflow
- 구글 브레인 팀이 개발한 텐서플로우는 머신러닝 및 딥러닝 위한 오픈소스 라이브러리다. ### Keras
- 딥러닝 모델을 쉽게 만들 수 있도록 다양한 딥러닝 플랫폼 위에서 실행되는 고수준 딥러닝 패키지.
- Tensorflow 2.0 부터 keras를 포함하고 있다. ### Pytorch
- 토치(Torch) 및 카페2(Caffe2) 프레임워크를 기반으로한 페이스북에서 만든 딥러닝 프레임워크

사이킷런(scikit-learn)

https://scikit-learn.org/stable

파이썬 머신러닝 라이브러리가 가장 많이 사용된다. 딥러닝을 제외한 대부분의 머신러닝 알고리즘을 제공한다.

사이킷런의 특징

1. 파이썬 기반 다른 머신러닝 라이브러리가 사이킷런 스타일의 API를 지향할 정도로 쉽고 가장 파이썬스런 API 제공
2. 머신러닝 관련 다양한 알고리즘을 제공하며 모든 알고리즘에 일관성있는 사용법을 제공한다.

scikit-learn(사이킷런) 설치

• conda install -y scikit-learn
• pip install scikit-learn

!pip install scikit-learn

Estimator와 Transformer

Estimator (추정기)

- 데이터를 학습하고 예측하는 알고리즘(모델)들을 구현한 클래스들
    - ex) DecisionTreeClassifier, LinearRegression 등
- fit() 
    - 데이터를 학습하는 메소드
- predict()
    - 예측을 하는 메소드

Transformer (변환기)

- 데이터 전처리를 하는 클래스들. 데이터 셋의 값의 형태를 변환한다.
    - ex) LabelEncoder, MinMaxScaler등
- fit()
    - 어떻게 변환할지 학습하는 메소드
- transform()
    - 변환처리 하는 메소드
- fit_transform()
    - fit()과 transform()을 같이 처리하는 메소드

사이킷런 주요모듈

요약

• 머신러닝이 하는 일은 주어진 input값과 output을 바탕으로 함수를 찾는 것이다.