Lukas Molzberger

Text-Mining mit dem Aika Algorithmus

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In diesem Beitrag möchte ich das Open Source Projekt Aika vorstellen. Ziel des Projektes ist es einen Text-Mining Algorithmus zu entwickeln, der ein künstliches Neuronales Netz (kNN) mit einem Pattern Mining Algorithmus kombiniert. Dabei dient die Silbentrennung von Wörtern als initiale Aufgabe, anhand derer der Algorithmus weiterentwickelt wird. Für diese Aufgabe soll allerdings kein vordefiniertes Wörterbuch verwendet werden. Stattdessen sollen die Silben in ihrer Eigenschaft als häufig auftretende Muster in rohem Text erkannt werden. Hier reicht es allerdings nicht einen Mining Algorithmus nach häufig auftretenden Strings suchen zu lassen, da sich viele der Strings überlappen oder schlicht keinen Sinn ergeben würden. Es ist also wichtig, dass sich die erkannten Silben gegenseitig unterdrücken können und dass der Algorithmus in der Lage ist, die so entstehenden unterschiedlichen Interpretationen eines Wortes miteinander zu vergleichen und die am höchsten gewichtete auszuwählen. Beispielsweise taucht die Silbe ‘der’ zu Beginn des Wortes ‘de-re-gu-lie-ren’ auf. In diesem Fall muss der Algorithmus erkennen, dass die erste Silbe des Wortes nicht ‘der’ sondern nur ‘de’ ist.

Wenn nun nach häufig auftretenden Mustern in Text gesucht werden soll, warum verwenden wir nicht einen reinen Pattern Mining Algorithmus? Der Grund für die Kombination mit einem kNN liegt darin, dass die erkannten Muster innerhalb einer kNN Topologie aufeinander aufsetzen können. Wenn z. B. das Wort “hausboot” als Muster erkannt werden soll, dann entstünden in der Datenstruktur des Mining Algorithmus sehr viele Teilmuster, die alle evaluiert werden müssten. Viel leichter wäre es für den Algorithmus, wenn die Muster “haus” und “boot” bereits erkannt worden wären und nun als Eingaben für die Erkennung des Wortes “hausboot” dienen könnten. So ist der Algorithmus zum einen in der Lage komplexere Muster zu erkennen und muss gleichzeitig weniger Teilmuster untersuchen. Ausserdem erlaubt es ein kNN ‘weiche’ Muster zu erlernen, also Muster bei denen einzelne Eingänge optional sind, die aber trotzdem noch sicher erkannt werden. Dadurch kann eine höhere Toleranz gegenüber Fehlern erreicht werden.

Im Gegensatz zu einem klassischen kNN nutzt Aika einen eher mit Googles Pagerank vergleichbaren Ansatz um Gewichte zwischen den einzelnen Neuronen des Netzwerks zu propagieren. Der Grutext-pattern-knnndgedanke dabei ist es, dass Neuronen entsprechend höher gewichtet werden sollten, wenn sie mit anderen hoch gewichteten Neuronen in Beziehung stehen. Wenn also beispielsweise eine Silbe in vielen hoch gewichteten Worten auftaucht, wird sie selbst entsprechend höher gewichtet.

Neuronen eines kNN erlauben es aber nicht nur Konjunktionen wie etwa bei Mustern zu erlernen, sondern auch Disjunktionen. Disjunktionen sind insbesondere beim Erlernen von Grammatikregeln wichtig, wenn z. B. einzelne Worte als Nomen erkannt werden sollen. Wenn nun solche Disjunktionen erlernt werden sollen, können auch hier häufige Muster behilflich sein. Angenommen, es wurden durch den Mining Algorithmus bereits die folgenden häufigen Muster gefunden: “der Baum” (f=4), “der Hammer” (f=3) und “der Nagel” (f=6). Dann können diese Muster so umgeformt werden, dass ein neues, deutlich häufigeres Muster “der <NOMEN>” (f=13) und eine Disjunktion <NOMEN> = “Baum” oder “Hammer” oder “Nagel”, entsteht.

Radek Mackowiak

KNN: Natur als Vorbild – Biologische Neuronen

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Bisher ist die genaue Funktionsweise des Gehirns bei der Verarbeitung sensorischer Informationen nicht bekannt. Neue Erkenntnisse im Bereich der Neurowissenschaften liefern jedoch einen Einblick über grundlegende Prinzipien wie das Gehirn von Säugetieren sensorische Informationen repräsentiert. Einer der wichtigsten Punkte ist dabei die Erkenntnis, dass der Neocortex, einem ankommenden Signal erlaubt ein komplexes Netzwerk von Neuronen zu durchlaufen, wodurch es zu einer abstrakten Repräsentation des ursprünglichen Eingabesignals kommt. Auch ist das Gehirn in der Lage die Leitfähigkeit der Verbindungen zwischen den Neuronen zu modifizieren, was sich auf eine Änderung der Abbildungsvorschrift auswirkt. Beobachtungen können dadurch noch besser getrennt und effizienter repräsentiert werden. Die Entdeckung dieses Verhaltens motivierte die Entstehung des Forschungszweiges Deep Machine Learning, welcher sich darauf fokussiert Modelle zu entwickeln, die ähnliche Charakteristiken wie der Neocortex aufweisen.

Das Eingabesignal durchläuft das Netzwerk bis zu einer Ausgabeschicht. Das Resultat dieser nicht linearen Transformation lässt sich dann beispielsweise mit einem Klassifizierungsalgorithmus auswerten. Die praktischen Anwendungen solcher Algorithmen sind sehr vielfältig. Deep Machine Learning Algorithmen liefern zurzeit die besten Ergebnisse zu vielen Problemen in Anwendungsdomänen wie Bilderkennung, Spracherkennung und der Verarbeitung natürlicher Sprache. Mit Hilfe dieser Algorithmen wurden beispielsweise neue elementare Teilchen gefunden, entdeckte Galaxien noch besser klassifiziert und Auswirkungen von Mutationen innerhalb von DNA vorhergesagt.

Das Neuron

Das Neuron ist die Basis-Recheneinheit des Gehirns. Ungefähr 86 Milliarden solcher Neuronen befinden sich im menschlichen Nervensystem, welche durch ca. 10^15 Synapsen miteinander vermascht sind. In Abbildung unten links wird eine Schemazeichnung eines biologischen Neurons dargestellt. Dieses besteht unter Anderem aus Dendriten, dem Zellkörper, der den Zellkern beinhaltet und einem Axon. Die Dendriten gehen aus dem Zellkörper hervor und sind über Synapsen mit sensorischen Zellen oder Axonen anderer Neuronen verbunden. Ihre Aufgabe ist die Aufnahme von ankommenden Signalen in Form von elektrischen Spannungsänderungen und der Transport dieser in den Zellkörper des Neurons, der Recheneinheit einer Nervenzelle. Dort angekommen entscheiden bestimmte Faktoren, ob ein Aktionspotential anhand einer Schwellwertfunktion ausgelöst wird oder nicht. Ist dies der Fall leitet das Neuron elektrische Energie über sein Axon an weitere angeschlossene Dendriten anderer Neuronen weiter.

Neuronen
Das biologische Neuron diente als Inspiration für das Software-Neuron. Beim mathematischen Modell eines Software-Neurons (Künstliches Neuron eines KNN) wird davon ausgegangen, dass die verschiedenen Dendriten unterschiedlich stark ausgeprägt sind und ein Signal daher auch verschieden stark gewichtet in den Zellkörper übertragen wird. Jedes Dendrit enthält demnach einen Faktor(θi), der das Signal(xi) vor dem Eintreffen in den Zellkörper skaliert (θixi). Diese Faktoren werden auch als Gewichte bezeichnet. Im Zellkörper selbst werden die Signale die von unterschiedlichen Neuronen stammen aufsummiert bis schließlich ein fester Bias-Wert(b) auf das Ergebnis der Summation aufaddiert wird. Anschließend bestimmt eine nicht-lineare Aktivierungsfunktion über den finalen Ausgangswert des Neurons.

Bildquelle: Wikipedia

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Nico Hezel

KNN: Künstliche Neuronen

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Es gibt sehr ausführliche Definitionen und Abbildungen für ein künstliches Neuron, die in diesem Artikel aber nicht behandelt werden. Der Grund dafür ist pragmatischer Natur. Es soll eine gewisse Konsistenz zu den anderen KNN-Beiträgen dieser Reihe bestehen und das Thema soll nicht zu einer wissenschaftlichen Abhandlung mutieren.

In dem Beitrag  KNN: Was sind künstliche neuronale Netze  geht es um den grundsätzlichen Aufbau von künstlichen neuronalen Netzwerken. Zusammengesetzt werden die Strukturen aus einer oftmals großen Anzahl von künstlichen Neuronen. Die nachfolgende Abbildung zeigt auf der Linken Seite einen extrahierten Ausschnitt aus einem Netzwerk. Es kann auch als einfaches allein stehendes Netzwerk betrachtet werden. Auf der rechten Seite ist eine allgemeingültigere Form zu sehen. Die Bias Unit (VB) wird üblicherweise als X0 bezeichnet und hat immer den Wert 1.

 

neuronen-netzwerk1 neuronen-netzwerk2

 


Um den Ausgangswert Y zu berechnen wird zunächst jeder Eingangswert X mit seinem dazugehörigen Gewicht \theta (Theta) multipliziert und die Ergebnisse aufsummiert. Das Zwischenergebnis ist die Aktivierungsstärke z:

    \[ z = X_0 \cdot \theta_0 + X_1 \cdot \theta_1 + X_2 \cdot \theta_2 \]

Im nächsten Schritt wird der eigentliche Ausgangswert Y errechnet, indem die Aktivierungsstärke z an eine Aktivierungsfunktion angelegt wird. Es gibt zwar verschiedene Funktionen, häufig wird aber die Logistische bzw. Sigmoid-Funktion verwendet. Sie ist nicht-linear und hat einen Ausgangswertebereich zwischen 0 und 1.

sigmoid-funktion

    \[ sigmoid(z) = \frac{1}{1+e^{-z}} \]

Wird das Bias Neuron und sein Gewicht nicht beachtet, bestimmen die eingehenden Daten die Aktivierungsstärke und damit den Ausgang der Funktion. Unter Verwendung der Bias Unit verschiebt sich die Funktion entlang der Y-Achse, was einer Verschiebung von einem Schwellwert gleich kommt.

Die endgültige Formel für die Aktivierung eines Neurons sieht sehr ähnlich zu der Logistischen Regression aus. Werden die Werte von X und Theta zu Vektoren zusammengefasst, lässt sich die Berechnung stark vereinfachen:

    \[ Y = sigmoid(X\theta) \]

Als Programmcode müsste diese Berechnung dennoch mit einer Schleife realisiert werden oder noch besser mit einer Bibliothek für lineare Algebra.

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• KNN: Was sind künstliche neuronale Netze
• KNN: Vorteile und Nachteile

Nico Hezel

KNN: Vorteile und Nacheile

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Wie jedes Verfahren haben auch künstliche Neuronale Netzwerke (KNN) ihre Vor- und Nachteile. Im Folgenden sollen einige benannt werden.

Vorteile

  • KNN können bessere Ergebnisse liefern als existierende statistische Ansätze, wenn das Problem ausreichend komplex ist. Das heißt, wenn das Problem nicht linear ist und es viele Eingabedaten mit vielen Variablen gibt.
  • Es gibt zwar sogenannte Hyperparameter, die je nach Einstellung das Netzwerk besser oder schlechter trainieren lassen, diese müssen aber nur manuell geändert werden, wenn neue Rekordwerte erreicht werden sollen. Ansonsten gibt es verhältnismäßig wenige Parameter.
  • Auch für stark nicht lineare Probleme, werden gute Lösungen gefunden. Dazu zählen fast alle Probleme die aus einer Datenbasis stammen, wo menschliche oder andere unvorhersehbare Einflüsse wirken.
  • Für große Datenmengen und viele Datendimensionen (Einflussfaktoren) können sinnvolle Ergebnisse ermittelt werden.

Nachteile

  • Künstliche Neuronale Netzwerke sind oftmals wie eine Blackbox. Dadurch ist es nicht möglich nachzuverfolgen wieso ein Netzwerk eine bestimmte Entscheidung getroffen hat.
  • Damit ein allgemeingültiges gutes Ergebnis berechnet werden kann, bedarf es vieler Beispiel-/Trainingsdaten.
  • Aufgrund der hohen Datenmenge, ist es sinnvoll die Berechnungen auf einer Grafikkarte durchzuführen.
  • Während des Trainings finden sehr viele Gewichtsänderungen in kurzer Zeit statt. Daher ist ein Aufteilen der Arbeit in ein verteiltes System wie Apache Hadoop oder Apache Spark nur schwer möglich und führt oftmals zu drastischen Performanz Einbußen.
  • Ist das Problem mathematisch beschreibbar sind KNNs oftmals schlechter oder maximal genauso gut.
  • Es ist zu keinen Zeitpunkt bekannt ob die gefundene Lösung das globale Optimum ist oder ob es noch bessere Lösungen gibt.

In der Forschung gibt es viele Ansätze um einige der Nachteile aufzuheben.

 

Nico Hezel

KNN: Was sind künstliche neuronale Netze?

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Ein künstliches neuronales Netzwerk (KNN) besteht aus vielen miteinander verbundenen künstlichen Neuronen. Die einzelnen Neuronen haben unterschiedliche Aufgaben und sind innerhalb von Schichten (layer) angeordnet. Sogenannte Netzwerk Topologien geben vor, wie viele Neuronen sich auf einer Schicht befinden und welche Neuronen miteinander vernetzt sind. Neuronale Netze werden im Bereich der künstlichen Intelligenz eingesetzt und sind ein Ansatz im Machine Learning, haben hier jedoch besondere Vor- und Nachteile.

Es gibt drei Schicht- und vier grundlegende Neuronen-Arten. Bei den Schichten wird unterschieden zwischen Eingabe-, Ausgabe- und verborgener Schicht (Visible, Output & Hidden Layer). Alle eingehenden Daten werden an den Eingabe-Neuronen (Visible Unit) in der Eingabeschicht angelegt. Diese wiederum geben die Daten weiter an die verbundenen Ausgabe- oder verborgenen Neuronen (Output, Hidden Unit). Zusätzlich kann in jeder Schicht noch ein Bias Neuron (Bias Unit) zum Einsatz kommen. Read more

Benjamin Aunkofer

Aus der Datenflut das Beste machen – Zertifikatskurs „Data Science“ in Brandenburg

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Die Aufbereitung von Daten, ihre Analyse und Darstellung sind mittlerweile zu einer Wissenschaft für sich geworden – „Data Science“. Unternehmen sehen sich heute unabhängig von ihrer Größe von einer Vielzahl unterschiedlicher Daten herausgefordert: Neben klassischen Transaktionsdaten stehen heute z.B. Daten aus der Logistik (RFID, GIS), aus sozialen Medien, dem Internet der Dinge oder öffentlichen Quellen (Open Data / Public Data) zur Verfügung. Ein neuer Zertifikatskurs Data Science ermöglicht jetzt eine wissenschaftliche Weiterbildung zur Nutzung von Daten als „Rohstoff des 21. Jahrhunderts“.

Die Agentur für wissenschaftliche Weiterbildung und Wissenstransfer (AWW e.V.) bietet in Kooperation mit der Fachhochschule Brandenburg den berufsbegleitenden Zertifikatskurs mit nur wenigen Präsenzphasen ab Oktober an. Die wissenschaftliche Leitung hat Dr. Peter Lauf übernommen, ein erfahrener Praktiker, der zurzeit noch eine Professur für Quantitative Methoden und Data Mining an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin vertritt. Zertifiziert wird der Abschluss Data Scientist (FH).

Die Weiterbildung hat nur wenige Präsenzphasen an Freitagen und Samstagen und ist daher für Teilnehmer/innen aus dem ganzen Bundesgebiet geeignet – So kommen einige Teilnehmer auch aus Frankfurt am Main und München.

Wer sich schnell entscheidet, kann bis 16. Juli 2015 vom Frühbucherrabatt profitieren!

Der Inhalt des Kurses orientiert sich an einer bekannten Einteilung des amerikanischen Wirtschaftswissenschaftlers und Google-Chefökonomen Hal Varian: Ihm zufolge setzt sich die spezifische Wertschöpfungskette von Daten aus Zugriff, Verständnis, Verarbeitung, Analyse und Ergebniskommunikation zusammen. Data Science umfasst deshalb die Module Data Engineering (Zugriff, Verständnis, Verarbeitung), Quantitative Methoden und Data Mining (Analyse) sowie Storytelling: Kommunikation und Visualisierung der Ergebnisse (Ergebniskommunikation).

Die Weiterbildung vereinigt damit Fachwissen aus der Informatik mit quantitativen Methoden und Aspekten des Informations- und Kommunikationsdesigns. Wichtige Werkzeuge im Kurs sind die Statistiksprache R und Power Business Intelligence Tools. Auch auf Azure Machine Learning wird mit konkreten Beispielen Bezug genommen. Im Ergebnis sollen die Teilnehmer verschiedene Techniken zur Nutzung von Daten beherrschen und einen Überblick über die Voraussetzungen und möglichen Lösungsansätze im Bereich datengetriebener Projekte erhalten. Lernziel ist die reibungslose Kommunikation zwischen Management, Engineering und Administration.

Weitere Auskünfte erteilt Katja Kersten (Tel. 03381 – 355 754, E-Mail: katja.kersten@fh-brandenburg.de). Nähere Informationen im Internet sind unter www.aww-brandenburg.de erhältlich.

Benjamin Aunkofer

Top 10 der Python Bibliotheken für Data Science

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Python gilt unter Data Scientists als Alternative zu R Statistics. Ich bevorzuge Python auf Grund seiner Syntax und Einfachheit gegenüber R, komme hinsichtlich der vielen Module jedoch häufig etwas durcheinander. Aus diesem Grund liste ich hier die – meiner Einschätzung nach – zehn nützlichsten Bibliotheken für Python, um einfache Datenanalysen, aber auch semantische Textanalysen, Predictive Analytics und Machine Learning in die Tat umzusetzen.

NumPy – Numerische Analyse

NumPy ist eine Open Source Erweiterung für Python. Das Modul stellt vorkompilierte Funktionen für die numerische Analyse zur Verfügung. Insbesondere ermöglicht es den einfachen Umgang mit sehr großen, multidimensionalen Arrays (Listen) und Matrizen, bietet jedoch auch viele weitere grundlegende Features (z. B. Funktionen der Zufallszahlenbildung, Fourier Transformation, linearen Algebra). Ferner stellt das NumPy sehr viele Funktionen mathematische Funktionen für das Arbeiten mit den Arrays und Matrizen bereit.

matplotlib – 2D/3D Datenvisualisierung

Die matplotlib erweitert NumPy um grafische Darstellungsmöglichkeiten in 2D und 3D. Das Modul ist in Kombination mit NumPy wohl die am häufigsten eingesetzte Visualisierungsbibliothek für Python.

Die matplotlib bietet eine objektorientierte API, um die dynamischen Grafiken in Pyhton GUI-Toolkits einbinden zu können (z. B. GTL+ oder wxPython).

NumPy und matplotlib werden auch mit den nachfolgenden Bibliotheken kombiniert.

Bokeh – Interaktive Datenvisualisierung

Während die Plot-Funktionen von matplotlib statisch angezeigt werden, kann in den Visualsierungsplots von Bokeh der Anwender interaktiv im Chart klicken und es verändern. Bokeh ist besonders dann geeignet, wenn die Datenvisualisierung als Dashboard im Webbrowser erfolgen soll.

Das Bild über diesen Artikel zeigt Visualiserungen mit dem Python Package Bokeh.

Pandas – Komplexe Datenanalyse

Pandas ist eine Bibliothek für die Datenverarbeitung und Datenanalyse mit Python. Es erweitert Python um Datenstrukturen und Funktionen zur Verarbeitung von Datentabellen. Eine besondere Stärke von Pandas ist die Zeitreihenanalyse. Pandas ist freie Software (BSD License).

Statsmodels – Statistische Datenanalyse

Statsmodels is a Python module that allows users to explore data, estimate statistical models, and perform statistical tests. An extensive list of descriptive statistics, statistical tests, plotting functions, and result statistics are available for different types of data and each estimator.

Die explorative Datenanalyse, statistische Modellierung und statistische Tests ermöglicht das Modul Statsmodels. Das Modul bringt neben vielen statistischen Funktionen auch eigene Plots (Visualisierungen) mit. Mit dem Modul wird Predictive Analytics möglich. Statsmodels wird häufig mit NumPy, matplotlib und Pandas kombiniert.

SciPy – Lineare Optimierung

SciPy ist ein sehr verbreitetes Mathematik-Modul für Python, welches den Schwerpunkt auf die mathematische Optimierung legt. Funktionen der linearen Algebra, Differenzialrechnung, Interpolation, Signal- und Bildverarbeitung sind in SciPy enthalten.

scikit-learn – Machine Learning

scikit-learn ist eine Framework für Python, das auf NumPy, matplotlob und SciPy aufsetzt, dieses jedoch um Funktionen für das maschinelle Lernen (Machine Learning) erweitert. Das Modul umfasst für das maschinelle Lernen notwendige Algorithmen für Klassifikationen, Regressionen, Clustering und Dimensionsreduktion.

Mlpy – Machine Learning

Alternativ zu scikit-learn, bietet auch Mlpy eine mächtige Bibliothek an Funktionen für Machine Learning. Mlpy setzt ebenfalls auf NumPy und SciPy, auf, erweitert den Funktionsumfang jedoch um Methoden des überwachten und unüberwachten maschinellen Lernens.

NLTK – Text Mining

NLTK steht für Natural Language Toolkit und ermöglicht den effektiven Einstieg ins Text Mining mit Python. Das Modul beinhaltet eigene (eher einfache) Visualisierungsmöglichkeiten zur Darstellung von Textmuster-Zusammenhängen, z. B. in Baumstrukturen. Für Text Mining und semantische Textanalysen mit Python gibt es wohl nichts besseres als NLTK.

Theano – Multidimensionale Berechnungen & GPU-Processing

Theano is a Python library that allows you to define, optimize, and evaluate mathematical expressions involving multi-dimensional arrays efficiently

Für multidimensionale Datenanalysen bzw. die Verarbeitung und Auswertung von multidimensionalen Arrays gibt es wohl nichts schnelleres als die Bibliothek Theano. Theano ist dabei eng mit NumPy verbunden.

Theano ermöglicht die Auslagerung der Berechnung auf die GPU (Grafikprozessor), was bis zu 140 mal schneller als auf der CPU sein soll. Getestet habe ich es zwar nicht, aber grundsätzlich ist es wahr, dass die GPU multidimensionale Arrays schneller verarbeiten kann, als die CPU. Zwar ist die CPU universeller (kann quasi alles berechnen), die GPU ist aber auf die Berechnung von 3D-Grafiken optimiert, die ebenfalls über multidimensionalen Vektoren verarbeitet werden.