Le parcours d'un débutant à travers le pipeline d'apprentissage automatique

Présentation

Le Machine Learning (ML) peut souvent ressembler à une boîte noire complexe, une magie qui transforme d'une manière ou d'une autre les données brutes en prédictions précieuses. Cependant, sous la surface, il s’agit d’un processus structuré et itératif. Dans cet article, nous détaillerons le parcours depuis les données brutes vers un modèle déployable, en abordant la façon dont les modèles s'entraînent, stockent leurs paramètres appris (poids) et comment vous pouvez les déplacer entre les environnements. Ce guide est destiné aux débutants qui souhaitent comprendre le cycle de vie global d'un projet de machine learning.

1. Comprendre les bases

Qu'est-ce que l'apprentissage automatique ?

À la base, l’apprentissage automatique est un sous-ensemble de l’intelligence artificielle dans lequel un modèle « apprend » des modèles à partir de données historiques. Au lieu d'être explicitement programmé pour effectuer une tâche, le modèle affine ses propres paramètres internes (pondérations) pour améliorer ses performances sur cette tâche au fil du temps.

Les tâches courantes de ML incluent :

• Classification : Attribuer des étiquettes aux entrées (par exemple, déterminer si un e-mail est du spam ou non).
• Régression : Prédire une valeur continue (par exemple, prévoir les prix de l'immobilier).
• Clustering : Regrouper des éléments similaires sans étiquettes prédéfinies.

Composants clés du ML :

• Données : Vos caractéristiques d'entrée brutes et, souvent, les sorties souhaitées correspondantes (étiquettes ou valeurs cibles).
• Modèle : La structure de votre algorithme, qui peut être un réseau de neurones, un arbre de décision ou une autre forme de modèle mathématique.
• Poids/Paramètres : Les valeurs numériques internes que le modèle ajuste pendant l'entraînement pour mieux s'adapter à vos données.
• Code de l'algorithme : La logique (souvent fournie par des frameworks comme TensorFlow, PyTorch ou Scikit-learn) qui met à jour les pondérations et fait des prédictions.

2. Des données brutes à un ensemble de données prêt à entraîner

Avant tout apprentissage, vous devez préparer vos données. Cela implique :

• Collecte de données : Rassemblez votre ensemble de données. Pour un modèle de prévision du prix de l'immobilier, il peut s'agir de données de ventes historiques avec des caractéristiques telles que la superficie en pieds carrés, le nombre de chambres et l'emplacement.
• Nettoyage : Gérez les valeurs manquantes, supprimez les doublons et corrigez les valeurs aberrantes.
• Ingénierie et prétraitement des fonctionnalités : Transformez vos entrées brutes dans un format plus significatif. Cela peut inclure la normalisation de valeurs numériques, l'encodage de variables catégorielles ou l'extraction de caractéristiques supplémentaires (comme l'âge d'une maison en fonction de son année de construction).

Exemple (Pseudocode utilisant Python & Pandas) :

import pandas as pd

# Load your dataset
data = pd.read_csv("housing_data.csv")

# Clean & preprocess
data = data.dropna()  # Remove rows with missing values
data['age'] = 2024 - data['year_built']  # Feature engineering example

# Split into features and target
X = data[['square_feet', 'bedrooms', 'bathrooms', 'age']]
y = data['price']

3. Choisir et former un modèle

Maintenant que vous disposez de données propres, vous devez sélectionner un algorithme approprié. Ce choix dépend de facteurs tels que le type de problème (classification ou régression) et les ressources informatiques disponibles.

Les choix courants incluent :

• Régression linéaire/logistique : Modèles simples et interprétables souvent utilisés comme référence.
• Arbres de décision/forêts aléatoires : Bon pour gérer une variété de types de données et souvent facile à interpréter.
• Réseaux de neurones : Modèles plus complexes capables de représenter des modèles hautement non linéaires (en particulier lors de l'utilisation de frameworks d'apprentissage en profondeur).

La formation implique :

1. Diviser les données en ensembles d'entraînement et de test pour garantir que le modèle se généralise bien.
2. Alimenter de manière itérative les données d'entraînement au modèle :
   • Le modèle fait une prédiction.
   • Une fonction de perte mesure l'erreur entre la prédiction et la cible réelle.
   • Un algorithme d'optimisation (comme la descente de gradient) met à jour les poids du modèle pour réduire cette erreur lors de la prochaine itération.

Exemple (utilisation de Scikit-learn) :

from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor

# Split data
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2)

# Choose a model
model = RandomForestRegressor(n_estimators=100, random_state=42)

# Train the model
model.fit(X_train, y_train)

Pendant cette boucle d'entraînement, le modèle met à jour ses paramètres internes. À chaque itération, il affine ces poids afin que les prédictions se rapprochent du résultat réellement souhaité.

4. Évaluation et réglage du modèle

Une fois le modèle entraîné, vous devez vérifier ses performances sur l'ensemble de test, des données qu'il n'a pas vues pendant l'entraînement. Les mesures courantes incluent :

• Précision : Pour les tâches de classification (par exemple, combien de fois le modèle a obtenu la classe correcte).
• Erreur quadratique moyenne (MSE) : Pour les tâches de régression (par exemple, la différence quadratique moyenne entre les valeurs prédites et réelles).

Si les performances ne sont pas satisfaisantes, vous pouvez :

• Collectez plus de données.
• Effectuez davantage d'ingénierie de fonctionnalités.
• Essayez différents hyperparamètres ou passez à un modèle plus complexe.
• Employer la régularisation ou d'autres techniques pour éviter le surajustement.

Exemple :

from sklearn.metrics import mean_squared_error

predictions = model.predict(X_test)
mse = mean_squared_error(y_test, predictions)
print("Mean Squared Error:", mse)

5. Sauvegarde du modèle entraîné

Une fois que votre modèle fonctionne correctement, vous souhaiterez le sauvegarder. L'enregistrement préserve l'architecture du modèle et les poids appris, vous permettant de le recharger plus tard sans recyclage. Le format exact dépend du framework :

• Scikit-learn : Utilise souvent des fichiers pickle ou joblib (.pkl ou .joblib).
• TensorFlow/Keras : Utilise généralement des fichiers .h5 ou le format SavedModel.
• PyTorch : Enregistre les dictionnaires d'état du modèle sous forme de fichiers .pth ou .pt.

Exemple (utilisation de joblib) :

import pandas as pd

# Load your dataset
data = pd.read_csv("housing_data.csv")

# Clean & preprocess
data = data.dropna()  # Remove rows with missing values
data['age'] = 2024 - data['year_built']  # Feature engineering example

# Split into features and target
X = data[['square_feet', 'bedrooms', 'bathrooms', 'age']]
y = data['price']

6. Déploiement et utilisation du modèle sur une nouvelle machine

Que faire si vous devez utiliser le modèle sur une autre machine ou un autre serveur ? C'est aussi simple que de transférer le fichier de modèle enregistré vers le nouvel environnement et de le charger là :

Sur la nouvelle machine :

from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor

# Split data
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2)

# Choose a model
model = RandomForestRegressor(n_estimators=100, random_state=42)

# Train the model
model.fit(X_train, y_train)

Lorsque vous exécutez Load_model.predict(), le modèle utilise les poids et l'architecture stockés pour produire des sorties pour les nouvelles entrées. Rien n'est perdu lorsque vous fermez votre terminal : les paramètres de votre modèle entraîné sont stockés en toute sécurité dans le fichier que vous venez de charger.

7. Résumé de bout en bout

Pour conclure :

1. Préparation des données : Rassemblez et prétraitez vos données.
2. Formation de modèle : Choisissez un algorithme, entraînez-le en alimentant les données et en ajustant les poids.
3. Évaluation : Vérifiez les performances sur les données de test et affinez le modèle si nécessaire.
4. Enregistrement du modèle : Conservez l'architecture et les paramètres du modèle entraîné.
5. Déploiement et prédiction : Déplacez le modèle enregistré vers un nouvel environnement, chargez-le et exécutez des prédictions sur de nouvelles données.

Ce pipeline est l'épine dorsale de presque tous les projets ML. Au fil du temps, à mesure que vous gagnerez en expérience, vous explorerez des outils plus complexes, des déploiements cloud et des techniques avancées telles que l'intégration continue pour les modèles ML (MLOps). Mais le concept de base reste le même : les modèles ML apprennent des modèles à partir des données, stockent ces paramètres appris et les utilisent pour faire des prédictions partout où ils sont déployés.

Visualisation du pipeline ML

Pour vous aider à visualiser l'ensemble du flux, voici un diagramme simple qui montre les principales étapes dont nous avons discuté :

from sklearn.metrics import mean_squared_error

predictions = model.predict(X_test)
mse = mean_squared_error(y_test, predictions)
print("Mean Squared Error:", mse)

Conclusion

En comprenant ces étapes fondamentales, vous avez levé le rideau sur la « boîte noire » de l’apprentissage automatique. Bien que chaque étape soit beaucoup plus approfondie (prétraitement avancé des données, réglage des hyperparamètres, interprétabilité du modèle et flux de travail MLOps), le cadre décrit ici fournit un point de départ solide. Au fur et à mesure que vous gagnez en confiance, n'hésitez pas à approfondir et à expérimenter différentes techniques, bibliothèques et paradigmes pour affiner vos projets ML.

Bon apprentissage et expérimentation !

Ce qui précède est le contenu détaillé de. pour plus d'informations, suivez d'autres articles connexes sur le site Web de PHP en chinois!