Верховный алгоритм. Как машинное обучение изменит наш мир - Педро Домингос

Люди тоже не застрахованы от переобучения. Можно даже сказать, что это корень многих наших бед. Представьте себе ситуацию: маленькая белая девочка видит в торговом центре девочку-мексиканку и кричит: «Мама, смотри, ребенок-служанка!» (это реальный случай). Дело не в прирожденном расизме. Скорее, она слишком обобщила представление о тех немногих латиноамериканках, которых успела увидеть за свою короткую пока жизнь, — в мире полно представительниц этой этнической группы, не работающих прислугой, но девочка их пока не встретила. Наши убеждения основаны на опыте, а опыт дает очень неполную картину мира, поэтому перепрыгнуть к ложным выводам несложно. Ум и эрудиция тоже не панацея. Именно переобучением было утверждение Аристотеля, что для того, чтобы объект продолжал двигаться, к нему должна быть приложена сила. Лишь гениальный Галилей интуитивно почувствовал, что невозмущенные тела тоже продолжают двигаться, хотя не был в открытом космосе и собственными глазами этого не видел.

Однако обучающиеся алгоритмы, с их почти неограниченной способностью находить закономерности в данных, особенно уязвимы для переобучения. За время, пока человек будет искать одну закономерность, компьютер найдет миллионы. В машинном обучении величайшая сила компьютера — способность обрабатывать огромное количество данных и бесконечно, без устали повторять одно и то же — одновременно становится его ахиллесовой пятой. Просто удивительно, сколько всего можно найти, если хорошенько поискать. В бестселлере 1998 года The Bible Code[46] утверждается, что Библия содержит предсказания будущих событий, которые можно прочитать, если брать буквы через определенные интервалы и составлять из них слова. К сожалению, есть столько способов это сделать, что «предсказания» обязательно найдутся в любом достаточно длинном тексте. Скептики ответили автору пророчествами из «Моби Дика» и постановлений Верховного суда, а также нашли в Книге Бытия упоминания о Розуэлле и летающих тарелках[47]. Джон фон Нейман, один из основоположников информатики, как-то точно заметил: «С четырьмя параметрами я могу подогнать слона, а с пятью заставлю его махать хоботом». Сегодня мы каждый день учим модели с миллионами параметров. Этого достаточно, чтобы каждый слон в мире махал хоботом по-своему. Кто-то даже сказал, что «добывать данные — значит пытать их до тех пор, пока они не признаются».

Переобучение серьезно усугубляется шумом. Шум в машинном обучении означает просто ошибки в данных или случайные события, которые нельзя предвидеть. Представьте, что ваша знакомая, которую вы собираетесь пригласить на свидание, очень любит ходить по клубам, когда по телевизору нет ничего интересного, но вы неправильно запомнили случай номер три и записали, что в тот вечер по телевидению показывали что-то хорошее. Если теперь вы попытаетесь составить набор правил, который делает исключение для того вечера, результат, вероятно, будет хуже, чем если просто его проигнорировать. Или представьте, что у девушки было похмелье после предыдущего вечера и она сказала «нет», хотя при обычных обстоятельствах согласилась бы. Если вы не знаете о ее состоянии, обучение набору правил, который верно учитывает этот пример, будет контрпродуктивным: целесообразнее «неправильно классифицировать» его как «нет». Все очень плохо: шум может сделать невозможным составление любого связного набора правил. Обратите внимание, что случаи два и три на самом деле неразличимы: у них точно такие же атрибуты. Если ваша знакомая сказала «да» во втором случае и «нет» в третьем, отсутствует правило, которое верно учло бы оба.

Переобучение возникает, когда у вас слишком много гипотез и недостаточно данных, чтобы их различить. Проблема в том, что даже в простых конъюнктивных обучающихся алгоритмах число гипотез растет экспоненциально с числом атрибутов. Экспоненциальный рост — страшная сила. Бактерия E. coli может делиться надвое примерно каждые 15 минут. Если бы у нее было достаточно питательных веществ, она бы за день разрослась в бактериальную массу размером с нашу планету. Когда количество элементов, необходимых алгоритму для работы, растет в геометрической прогрессии с увеличением размера вводных данных, информатики называют это комбинаторным взрывом и бегут в укрытие. В машинном обучении количество возможных частных случаев какого-либо понятия — экспоненциальная функция числа атрибутов: если атрибуты булевы, с каждым новым атрибутом число возможных частных случаев удваивается, каждый случай расширяется для «да» или «нет» этого атрибута. В свою очередь, число возможных понятий — это экспоненциальная функция числа возможных частных случаев: поскольку понятие отмечает каждый случай как положительный или отрицательный, добавление частного случая удваивает число возможных понятий. В результате число понятий — это экспоненциальная функция экспоненциальной функции числа атрибутов! Другими словами, машинное обучение — комбинаторный взрыв комбинаторных взрывов. Может, лучше просто сдаться и не тратить времени на такую безнадежную проблему?

К счастью, при обучении получается «отрубить голову» одной из экспонент и оставить только «обычную» единичную неразрешимую экспоненциальную проблему. Представьте, что у вас полная сумка листочков с определениями понятий и вы достаете наугад одно из них, чтобы посмотреть, насколько хорошо оно подходит к данным. Вероятность, что плохое определение подойдет всей тысяче примеров в ваших данных, не больше, чем ситуация, когда монетка тысячу раз подряд падает орлом вверх. «У стула четыре ноги, и он красный, либо у него есть сиденье, но нет ножек», вероятно, подойдет к некоторым, но не ко всем стульям, которые вы видели, а также подойдет к некоторым, но не ко всем другим предметам. Поэтому, если случайное определение корректно подходит к тысяче примеров, крайне маловероятно, что оно неправильное. По крайней мере, оно достаточно близко к истине. А если определение согласуется с миллионом примеров, оно практически наверняка верно, иначе почему оно подходит ко всем этим примерам?

Конечно, реальный алгоритм машинного обучения не просто берет из мешка одно произвольное определение: он пробует их целую охапку, и отбор не происходит произвольным образом. Чем больше определений пробует алгоритм, тем больше вероятность, что одно из них подойдет ко всем примерам хотя бы случайно. Если сделать миллион повторений по тысяче бросков монетки, практически наверняка хотя бы одно повторение даст все орлы, а миллион — это достаточно скромное число гипотез для рассмотрения: оно примерно соответствует числу возможных конъюнктивных понятий, если у примеров всего 13 атрибутов. (Обратите внимание, что вам не надо явно пробовать понятия одно за другим. Если лучшие, которые вы нашли с использованием конъюнктивного обучающегося алгоритма, подходят ко всем примерам, результат будет тот же самый.)

Итого: обучение — гонка между количеством данных, имеющихся в вашем распоряжении, и количеством рассматриваемых вами гипотез. Увеличение объема данных экспоненциально уменьшает количество прошедших проверку гипотез, но, если гипотез изначально много, в конце все равно может остаться некоторое количество плохих. Есть золотое правило: если обучающийся алгоритм учитывает только экспоненциальное число гипотез (например, все возможные конъюнктивные понятия), то экспоненциальный выигрыш от данных решает проблему, и все в порядке, при условии, что у вас множество примеров и не очень много атрибутов. С другой стороны, если алгоритм рассматривает дважды экспоненциальное число (например, все возможные наборы правил), тогда данные отменяют только одну из экспонент, и трудности остаются. Можно даже заранее решить, сколько примеров понадобится, чтобы быть достаточно уверенным, что выбранная обучающимся алгоритмом гипотеза очень близка к истинной, при условии, что к ней подходят все данные. Другими словами, чтобы гипотеза была, вероятно, приблизительно правильной. За изобретение этого типа анализа гарвардский ученый Лесли Вэлиант получил премию Тьюринга — Нобелевскую премию по информатике. Его книга на эту тему называется Probably Approximately Correct («Возможно, приблизительно верно»).