Học máy (machine learning) là gì? Ứng dụng và phân loại

Tìm hiểu kỹ thuật học máy (machine learning), kỹ thuật cho phép giải quyết vấn để hoặc ra quyết định dựa trên dữ liệu và kinh nghiệm.

1. Học máy là gì?

Học máy (machine learning) là khả năng của chương trình máy tính sử dụng kinh nghiệm, quan sát, hoặc dữ liệu trong quá khứ để cải thiện công việc của mình trong tương lai thay vì chỉ thực hiện theo đúng các quy tắc đã được lập trình sẵn. Chẳng hạn, máy tính có thể học cách dự đoán dựa trên các ví dụ, hay học cách tạo ra các hành vi phù hợp dựa trên quan sát trong quá khứ.

Ví dụ. Xét một số ví dụ sau. Ví dụ thứ nhất là học cách đánh cờ. Chương trình có thể quan sát các ván cờ cùng với kết quả (thắng hay thua) để cải thiện khả năng chơi cờ và tăng số ván thắng trong tương lai. Trong trường hợp này, kinh nghiệm là các ván cờ trong quá khứ (có thể là ván cờ chương trình tự chơi với chính mình), được sử dụng để học cách làm tốt hơn công việc chơi cờ với tiêu chí đánh giá là số ván thắng.

Ví dụ thứ hai là học nhận dạng các ký tự. Chương trình được cung cấp dữ liệu dưới dạng ảnh chụp các ký tự (chữ cái) cùng mã UNICODE của ký tự đó. Sau khi học, chương trình cần có khả năng nhận dạng các ảnh chụp ký tự mới, tức là xác định được mã UNICODE của các ảnh mới chụp ký tự đã được học.

Tương tự quá trình học thông thường, một hệ thống học máy cần có khả năng ghi nhớ, thích nghi, và đặc biệt là tổng quát hóa. Tổng quát hóa là khả năng của hệ thống học máy ra quyết định chính xác trong các trường hợp mới, chưa gặp, dựa trên kinh nghiệm học được từ dữ liệu hoặc các quan sát trước đó.

Lý do cần tới học máy

Học máy là một nhánh nghiên cứu rất quan trọng của trí tuệ nhân tạo với khá nhiều ứng dụng thành công trong thực tế. Hiện nay, học máy là một trong những lĩnh vực phát triển mạnh nhất của trí tuệ nhân tạo. Có một số lý do giải thích cho sự cần thiết và phát triển của học máy:

• Thứ nhất, rất khó xây dựng hệ thống thông minh có thể thực hiện các công việc liên quan đến trí tuệ như thị giác máy, xử lý ngôn ngữ tự nhiên mà không sử dụng tới kinh nghiệm và quá trình học. Thông thường, khi viết chương trình, cần có thuật toán rõ ràng để chuyển đổi đầu vào thành đầu ra. Tuy nhiên, trong nhiều bài toán, rất khó để xây dựng được thuật toán như vậy. Như trong ví dụ về nhận dạng chữ ở trên, người bình thường có khả năng nhận dạng các chữ rất tốt nhưng rất khó để giải thích vì sao từ đầu vào là ảnh lại kết luận được đây là ký tự cụ thể nào. Học máy cho phép tìm ra giải pháp cho những trường hợp như vậy dựa trên dữ liệu, chẳng hạn bằng cách tìm ra điểm chung và riêng giữa rất nhiều ảnh chụp các ký tự.
• Thứ hai, nhiều ứng dụng đòi hỏi chương trình máy tính phải có khả năng thích nghi. Ví dụ, hành vi mua sắm của khách hàng có thể thay đổi theo thời điểm cụ thể trong ngày, trong năm, hoặc theo tuổi tác. Việc xây dựng thuật toán cố định cho những ứng dụng cần thích nghi và thay đổi là không phù hợp. Học máy mang lại khả năng thích nghi nhờ phân tích dữ liệu thu thập được.
• Thứ ba, việc tìm được chuyên gia và thu thập được tri thức cần thiết cho việc thiết kế thuật toán để giải quyết các vấn đề tương đối khó, trong khi dữ liệu ngày càng nhiều và có thể thu thập dễ dàng hơn. Khả năng lưu trữ và tính toán của máy tính cũng ngày càng tăng, cho phép thực hiện thuật toán học máy trên dữ liệu có kích thước lớn.
• Cuối cùng, bản thân khả năng học là một hoạt động trí tuệ quan trọng của con người, do vậy học tự động hay học máy luôn thu hút được sự quan tâm khi xây dựng hệ thống thông minh.

2. Ứng dụng của học máy

Có rất nhiều ứng dụng thực tế khác nhau của học máy. Hai lĩnh vực ứng dụng lớn nhất của học máy là khai phá dữ liệu (data mining) và nhận dạng mẫu (pattern recognition).

Khai phá dữ liệu là ứng dụng kỹ thuật học máy vào các cơ sở dữ liệu hoặc các tập dữ liệu lớn để phát hiện quy luật hay tri thức trong dữ liệu đó hoặc để dự đoán các thông tin quan tâm trong tương lai. Ví dụ, từ tập hợp hóa đơn bán hàng có thể phát hiện ra quy luật “những người mua bánh mì thường mua bơ”.

Nhận dạng mẫu là ứng dụng các kỹ thuật học máy để phát hiện các mẫu có tính quy luật trong dữ liệu, thường là dữ liệu hình ảnh, âm thanh. Bài toán nhận dạng mẫu cụ thể thường là xác định nhãn cho đầu vào cụ thể, ví dụ cho ảnh chụp mặt người, cần xác định đó là ai.

Cần lưu ý, khai phá dữ liệu và nhận dạng mẫu có nhiều điểm trùng nhau cả trong phạm vi nghiên cứu và ứng dụng. Điểm khác nhau chủ yếu liên quan tới lĩnh vực ứng dụng và kỹ thuật sử dụng, theo đó khai phá dữ liệu liên quan tới dữ liệu thương mại trong khi nhận dạng mẫu liên quan nhiều tới dữ liệu âm thanh, hình ảnh và được dùng nhiều trong kỹ thuật.

Ứng dụng cụ thể

Sau đây là một số ví dụ ứng dụng cụ thể của học máy:

• Nhận dạng ký tự: phân loại hình chụp ký tự thành các loại, mỗi loại ứng với một ký tự tương ứng.
• Phát hiện và nhận dạng mặt người: phát hiện vùng có chứa mặt người trong ảnh, xác định đó là mặt người nào trong số những người đã có ảnh trước đó, tức là phân chia ảnh thành những loại tương ứng với những người khác nhau.
• Lọc thư rác, phân loại văn bản: dựa trên nội dung thư điện tử, chia thư thành loại “thư rác” hay “thư bình thường”; hoặc phân chia tin tức thành các thể loại khác nhau như “xã hội”, “kinh tế”, “thể thao”.v.v.
• Dịch tự động: dựa trên dữ liệu huấn luyện dưới dạng các văn bản song ngữ, hệ thống dịch tự động học cách dịch từ ngôn ngữ này sang ngôn ngữ khác. Hệ thống dịch tự động tiêu biểu dạng này là Google Translate.
• Chẩn đoán y tế: học cách dự đoán người bệnh có mắc hay không mắc một số bệnh nào đó dựa trên triệu chứng quan sát được.
• Phân loại khách hàng và dự đoán sở thích: sắp xếp khách hàng vào một số loại, từ đây dự đoán sở thích tiêu dùng của khách hàng.
• Dự đoán chỉ số thí trường: căn cứ giá trị một số tham số hiện thời và trong lịch sử, đưa ra dự đoán, chẳng hạn dự đoán giá chứng khoán, giá vàng.v.v.
• Các hệ khuyến nghị, hay hệ tư vấn lựa chọn: cung cấp một danh sách ngắn các loại hàng hóa, phim, video, tin tức v.v. mà người dùng nhiều khả năng quan tâm. Ví dụ ứng dụng loại này là phần khuyến nghị trên Youtube hay trên trang mua bán trực tuyến Amazon.
• Ứng dụng lái xe tự động: dựa trên các mẫu học chứa thông tin về các tình huống trên đường, hệ thống học máy cho phép tự ra quyết định điều khiển xe, và do vậy không cần người lái. Hiện Google đã có kế hoạch thương mại hóa xe ôtô tự động lái như vậy.

3. Các dạng học máy

Khi thiết kế và xây dựng hệ thống học máy cần quan tâm tới những yếu tố sau.

– Thứ nhất, kinh nghiệm hoặc dữ liệu cho học máy được cho dưới dạng nào?

– Thứ hai, lựa chọn biểu diễn cho hàm đích ra sao? Hàm đích có thể biểu diễn dưới dạng hàm đại số thông thường nhưng cũng có thể biểu diễn dưới những dạng khác như dạng cây, dạng mạng nơ ron, công thức xác suất .v.v.

Việc sử dụng những dạng kinh nghiệm và dạng biểu diễn khác nhau dẫn tới những dạng học máy khác nhau. Có ba dạng học máy chính như sau:

* Học có giám sát (supervised learning). Là dạng học máy trong đó cho trước tập dữ liệu huấn luyện dưới dạng các ví dụ cùng với giá trị đầu ra hay giá trị đích. Dựa trên dữ liệu huấn luyện, thuật toán học cần xây dựng mô hình hay hàm đích để dự đoán giá trị đầu ra (giá trị đích) cho các trường hợp mới.

• Nếu giá trị đầu ra là rời rạc thì học có giám sát được gọi là phân loại hay phân lớp (classification).
• Nếu đầu ra nhận giá trị liên tục, tức đầu ra là số thực, thì học có giám sát được gọi là hồi quy (regression). Trong phần tiếp theo, ta sẽ xem xét chi tiết hơn về học có giám sát.

* Học không giám sát (un-supervised learning). Là dạng học máy trong đó các ví dụ được cung cấp nhưng không có giá trị đầu ra hay giá trị đích.

• Thay vì xác định giá trị đích, thuật toán học máy dựa trên độ tương tự giữa các ví dụ để xếp chúng thành những nhóm, mỗi nhóm gồm các ví dụ tương tự nhau. Hình thức học không giám sát như vậy gọi là phân cụm (clustering). Ví dụ, chỉ bằng cách quan sát hoặc đo chiều cao của mọi người, dần dần ta học được khái niệm “người cao” và “người thấp”, và có thể xếp mọi người vào hai cụm tương ứng.
• Ngoài phân cụm, một dạng học không giám sát phổ biến khác là phát hiện luật kết hợp (association rule). Luật kết hợp có dạng P(A | B), cho thấy xác suất hai tính chất A và B xuất hiện cùng với Ví dụ, qua phân tích dữ liệu mua hàng ở siêu thị, ta có luật P(Bơ | Bánh mỳ) =80%, có nghĩa là 80% những người mua bánh mỳ cũng mua bơ.

* Học tăng cường (reinforcement learning). Đối với dạng học này, kinh nghiệm không được cho trực tiếp dưới dạng đầu vào/đầu ra cho mỗi trạng thái hoặc mỗi hành động. Thay vào đó, hệ thống nhận được một giá trị khuyến khích (reward) là kết quả cho một chuỗi hành động nào đó. Thuật toán cần học cách hành động để cực đại hóa giá trị khuyển khích. Ví dụ của học khuyến khích là học đánh cờ, trong đó hệ thống không được chỉ dẫn nước đi nào là hợp lý cho từng tình huống mà chỉ biết kết quả toàn ván cờ. Như vậy, các chỉ dẫn về nước đi được cho một cách gián tiến và có độ trễ dưới dạng giá trị thưởng. Nước đi tốt là nước đi nằm trong một chuỗi các nước đi dẫn tới kết quả thắng toàn bộ ván cờ.

Trong các dạng học máy, học có giám sát là dạng phổ biến, có nhiều thuật toán liên quan và nhiều ứng dụng nhất.

(Nguồn tham khảo: Từ Minh Phương, Giáo trình Nhập môn trí tuệ nhân tạo, 2014)