Informacje o autorach 13

Informacje o recenzentach 15

Wstęp 17

Rozdział 1. Umożliwianie komputerom uczenia się z danych 27

• Tworzenie inteligentnych maszyn służących do przekształcania danych w wiedzę 28
• Trzy różne rodzaje uczenia maszynowego 28
  
  • Przewidywanie przyszłości za pomocą uczenia nadzorowanego 29
  • Rozwiązywanie problemów interaktywnych za pomocą uczenia przez wzmacnianie 32
  • Odkrywanie ukrytych struktur za pomocą uczenia nienadzorowanego 33
• Wprowadzenie do podstawowej terminologii i notacji 35
  
  • Notacja i konwencje używane w niniejszej książce 35
  • Terminologia uczenia maszynowego 37
• Strategia tworzenia systemów uczenia maszynowego 38
  
  • Wstępne przetwarzanie - nadawanie danym formy 38
  • Trenowanie i dobór modelu predykcyjnego 39
  • Ewaluacja modeli i przewidywanie wystąpienia nieznanych danych 40
• Wykorzystywanie środowiska Python do uczenia maszynowego 40
  
  • Instalacja środowiska Python i pakietów z repozytorium Python Package Index 41
  • Korzystanie z platformy Anaconda i menedżera pakietów 41
  • Pakiety przeznaczone do obliczeń naukowych, analizy danych i uczenia maszynowego 42
• Podsumowanie 42

Rozdział 2. Trenowanie prostych algorytmów uczenia maszynowego w celach klasyfikacji 45

• Sztuczne neurony - rys historyczny początków uczenia maszynowego 46
  
  • Definicja formalna sztucznego neuronu 47
  • Reguła uczenia perceptronu 49
• Implementacja algorytmu uczenia perceptronu w Pythonie 51
  
  • Obiektowy interfejs API perceptronu 51
  • Trenowanie modelu perceptronu na zestawie danych Iris 54
• Adaptacyjne neurony liniowe i zbieżność uczenia 60
  
  • Minimalizacja funkcji kosztu za pomocą metody gradientu prostego 61
  • Implementacja algorytmu Adaline w Pythonie 63
  • Usprawnianie gradientu prostego poprzez skalowanie cech 67
  • Wielkoskalowe uczenie maszynowe i metoda stochastycznego spadku wzdłuż gradientu 69
• Podsumowanie 73

Rozdział 3. Stosowanie klasyfikatorów uczenia maszynowego za pomocą biblioteki scikit-learn 75

• Wybór algorytmu klasyfikującego 76
• Pierwsze kroki z biblioteką scikit-learn - uczenie perceptronu 76
• Modelowanie prawdopodobieństwa przynależności do klasy za pomocą regresji logistycznej 82
  
  • Regresja logistyczna i prawdopodobieństwo warunkowe 82
  • Wyznaczanie wag logistycznej funkcji kosztu 86
  • Przekształcanie implementacji Adaline do postaci algorytmu regresji logistycznej 88
  • Uczenie modelu regresji logistycznej za pomocą biblioteki scikit-learn 92
  • Zapobieganie przetrenowaniu za pomocą regularyzacji 94
• Wyznaczanie maksymalnego marginesu za pomocą maszyn wektorów nośnych 97
  
  • Teoretyczne podłoże maksymalnego marginesu 98
  • Rozwiązywanie przypadków nieliniowo rozdzielnych za pomocą zmiennych uzupełniających 99
  • Alternatywne implementacje w interfejsie scikit-learn 101
• Rozwiązywanie nieliniowych problemów za pomocą jądra SVM 102
  
  • Metody jądrowe dla danych nierozdzielnych liniowo 102
  • Stosowanie sztuczki z funkcją jądra do znajdowania przestrzeni rozdzielających w przestrzeni wielowymiarowej 104
• Uczenie drzew decyzyjnych 107
  
  • Maksymalizowanie przyrostu informacji - osiąganie jak największych korzyści 108
  • Budowanie drzewa decyzyjnego 112
  • Łączenie wielu drzew decyzyjnych za pomocą modelu losowego lasu 115
• Algorytm k-najbliższych sąsiadów - model leniwego uczenia 119
• Podsumowanie 122

Rozdział 4. Tworzenie dobrych zestawów danych uczących - wstępne przetwarzanie danych 125

• Kwestia brakujących danych 126
  
  • Wykrywanie brakujących wartości w danych tabelarycznych 126
  • Usuwanie przykładów uczących lub cech niezawierających wartości 127
  • Wstawianie brakujących danych 128
  • Estymatory interfejsu scikit-learn 129
• Przetwarzanie danych kategorialnych 130
  
  • Kodowanie danych kategorialnych za pomocą biblioteki pandas 131
  • Mapowanie cech porządkowych 131
  • Kodowanie etykiet klas 132
  • Kodowanie "gorącojedynkowe" cech nominalnych (z użyciem wektorów własnych) 133
• Rozdzielanie zestawu danych na oddzielne podzbiory uczący i testowy 136
• Skalowanie cech 138
• Dobór odpowiednich cech 140
  
  • Regularyzacje L1 i L2 jako kary ograniczające złożoność modelu 141
  • Interpretacja geometryczna regularyzacji L2 141
  • Rozwiązania rzadkie za pomocą regularyzacji L1 143
  • Algorytmy sekwencyjnego wyboru cech 146
• Ocenianie istotności cech za pomocą algorytmu losowego lasu 151
• Podsumowanie 154

Rozdział 5. Kompresja danych poprzez redukcję wymiarowości 155

• Nienadzorowana redukcja wymiarowości za pomocą analizy głównych składowych 156
  
  • Podstawowe etapy analizy głównych składowych 156
  • Wydobywanie głównych składowych krok po kroku 158
  • Wyjaśniona wariancja całkowita 160
  • Transformacja cech 161
  • Analiza głównych składowych w interfejsie scikit-learn 164
• Nadzorowana kompresja danych za pomocą liniowej analizy dyskryminacyjnej 167
  
  • Porównanie analizy głównych składowych z liniową analizą dyskryminacyjną 167
  • Wewnętrzne mechanizmy działania liniowej analizy dyskryminacyjnej 169
  • Obliczanie macierzy rozproszenia 169
  • Dobór dyskryminant liniowych dla nowej podprzestrzeni cech 171
  • Rzutowanie przykładów na nową przestrzeń cech 173
  • Implementacja analizy LDA w bibliotece scikit-learn 174
• Jądrowa analiza głównych składowych jako metoda odwzorowywania nierozdzielnych liniowo klas 176
  
  • Funkcje jądra oraz sztuczka z funkcją jądra 177
  • Implementacja jądrowej analizy głównych składowych w Pythonie 181
  • Rzutowanie nowych punktów danych 188
  • Algorytm jądrowej analizy głównych składowych w bibliotece scikit-learn 191
• Podsumowanie 192

Rozdział 6. Najlepsze metody oceny modelu i strojenie parametryczne 195

• Usprawnianie cyklu pracy za pomocą kolejkowania 195
  
  • Wczytanie zestawu danych Breast Cancer Wisconsin 196
  • Łączenie funkcji transformujących i estymatorów w kolejce czynności 197
• Stosowanie k-krotnego sprawdzianu krzyżowego w ocenie skuteczności modelu 198
  
  • Metoda wydzielania 199
  • K-krotny sprawdzian krzyżowy 200
• Sprawdzanie algorytmów za pomocą krzywych uczenia i krzywych walidacji 204
  
  • Diagnozowanie problemów z obciążeniem i wariancją za pomocą krzywych uczenia 204
  • Rozwiązywanie problemów przetrenowania i niedotrenowania za pomocą krzywych walidacji 208
• Dostrajanie modeli uczenia maszynowego za pomocą metody przeszukiwania siatki 209
  
  • Strojenie hiperparametrów przy użyciu metody przeszukiwania siatki 210
  • Dobór algorytmu poprzez zagnieżdżony sprawdzian krzyżowy 211
• Przegląd wskaźników oceny skuteczności 213
  
  • Odczytywanie macierzy pomyłek 213
  • Optymalizacja precyzji i pełności modelu klasyfikującego 215
  • Wykres krzywej ROC 217
  • Wskaźniki zliczające dla klasyfikacji wieloklasowej 220
  • Kwestia dysproporcji klas 220
• Podsumowanie 223

Rozdział 7. Łączenie różnych modeli w celu uczenia zespołowego 225

• Uczenie zespołów 225
• Łączenie klasyfikatorów za pomocą algorytmu głosowania większościowego 229
  
  • Implementacja prostego klasyfikatora głosowania większościowego 230
  • Stosowanie reguły głosowania większościowego do uzyskiwania prognoz 235
  • Ewaluacja i strojenie klasyfikatora zespołowego 237
• Agregacja - tworzenie zespołu klasyfikatorów za pomocą próbek początkowych 242
  
  • Agregacja w pigułce 243
  • Stosowanie agregacji do klasyfikowania przykładów z zestawu Wine 244
• Usprawnianie słabych klasyfikatorów za pomocą wzmocnienia adaptacyjnego 248
  
  • Wzmacnianie - mechanizm działania 248
  • Stosowanie algorytmu AdaBoost za pomocą biblioteki scikit-learn 252
• Podsumowanie 255

Rozdział 8. Wykorzystywanie uczenia maszynowego w analizie sentymentów 257

• Przygotowywanie zestawu danych IMDb movie review do przetwarzania tekstu 258
  
  • Uzyskiwanie zestawu danych IMDb 258
  • Przetwarzanie wstępne zestawu danych IMDb do wygodniejszego formatu 259
• Wprowadzenie do modelu worka słów 260
  
  • Przekształcanie słów w wektory cech 261
  • Ocena istotności wyrazów za pomocą ważenia częstości termów - odwrotnej częstości w tekście 262
  • Oczyszczanie danych tekstowych 264
  • Przetwarzanie tekstu na znaczniki 266
• Uczenie modelu regresji logistycznej w celu klasyfikowania tekstu 268
• Praca z większą ilością danych - algorytmy sieciowe i uczenie pozardzeniowe 270
• Modelowanie tematyczne za pomocą alokacji ukrytej zmiennej Dirichleta 273
  
  • Rozkładanie dokumentów tekstowych za pomocą analizy LDA 274
  • Analiza LDA w bibliotece scikit-learn 274
• Podsumowanie 277

Rozdział 9. Wdrażanie modelu uczenia maszynowego do aplikacji sieciowej 279

• Serializacja wyuczonych estymatorów biblioteki scikit-learn 280
• Konfigurowanie bazy danych SQLite 283
• Tworzenie aplikacji sieciowej za pomocą środowiska Flask 285
  
  • Nasza pierwsza aplikacja sieciowa 285
  • Sprawdzanie i wyświetlanie formularza 287
• Przekształcanie klasyfikatora recenzji w aplikację sieciową 293
  
  • Pliki i katalogi - wygląd drzewa katalogów 295
  • Implementacja głównej części programu w pliku app.py 296
  • Konfigurowanie formularza recenzji 298
  • Tworzenie szablonu strony wynikowej 299
• Umieszczanie aplikacji sieciowej na publicznym serwerze 301
  
  • Tworzenie konta w serwisie PythonAnywhere 301
  • Przesyłanie aplikacji klasyfikatora filmowego 302
  • Aktualizowanie klasyfikatora recenzji filmowych 303
• Podsumowanie 305

Rozdział 10. Przewidywanie ciągłych zmiennych docelowych za pomocą analizy regresywnej 307

• Wprowadzenie do regresji liniowej 308
  
  • Prosta regresja liniowa 308
  • Wielowymiarowa regresja liniowa 308
• Zestaw danych Housing 310
  
  • Wczytywanie zestawu danych Housing do obiektu DataFrame 310
  • Wizualizowanie ważnych elementów zestawu danych 312
  • Analiza związków za pomocą macierzy korelacji 313
• Implementacja modelu regresji liniowej wykorzystującego zwykłą metodę najmniejszych kwadratów 315
  
  • Określanie parametrów regresywnych za pomocą metody gradientu prostego 316
  • Szacowanie współczynnika modelu regresji za pomocą biblioteki scikit-learn 319
• Uczenie odpornego modelu regresywnego za pomocą algorytmu RANSAC 321
• Ocenianie skuteczności modeli regresji liniowej 324
• Stosowanie regularyzowanych metod regresji 327
• Przekształcanie modelu regresji liniowej w krzywą - regresja wielomianowa 329
  
  • Dodawanie członów wielomianowych za pomocą biblioteki scikit-learn 329
  • Modelowanie nieliniowych zależności w zestawie danych Housing 331
• Analiza nieliniowych relacji za pomocą algorytmu losowego lasu 334
  
  • Regresja przy użyciu drzewa decyzyjnego 334
  • Regresja przy użyciu losowego lasu 336
• Podsumowanie 339

Rozdział 11. Praca z nieoznakowanymi danymi - analiza skupień 341

• Grupowanie obiektów na podstawie podobieństwa przy użyciu algorytmu centroidów 342
  
  • Algorytm centroidów w bibliotece scikit-learn 342
  • Inteligentniejszy sposób dobierania pierwotnych centroidów za pomocą algorytmu k-means++ 346
  • Twarda i miękka analiza skupień 347
  • Stosowanie metody łokcia do wyszukiwania optymalnej liczby skupień 349
  • Ujęcie ilościowe jakości analizy skupień za pomocą wykresu profilu 351
• Organizowanie skupień do postaci drzewa skupień 355
  
  • Oddolne grupowanie skupień 356
  • Przeprowadzanie hierarchicznej analizy skupień na macierzy odległości 357
  • Dołączanie dendrogramów do mapy cieplnej 360
  • Aglomeracyjna analiza skupień w bibliotece scikit-learn 361
• Wyznaczanie rejonów o dużej gęstości za pomocą algorytmu DBSCAN 363
• Podsumowanie 368

Rozdział 12. Implementowanie wielowarstwowej sieci neuronowej od podstaw 369

• Modelowanie złożonych funkcji przy użyciu sztucznych sieci neuronowych 370
  
  • Jednowarstwowa sieć neuronowa - powtórzenie 371
  • Wstęp do wielowarstwowej architektury sieci neuronowych 373
  • Aktywacja sieci neuronowej za pomocą propagacji w przód 376
• Klasyfikowanie pisma odręcznego 379
  
  • Zestaw danych MNIST 379
  • Implementacja perceptronu wielowarstwowego 385
• Trenowanie sztucznej sieci neuronowej 395
  
  • Obliczanie logistycznej funkcji kosztu 395
  • Wyjaśnienie algorytmu wstecznej propagacji 398
  • Uczenie sieci neuronowych za pomocą algorytmu propagacji wstecznej 399
• Zbieżność w sieciach neuronowych 402
• Jeszcze słowo o implementacji sieci neuronowej 404
• Podsumowanie 404

Rozdział 13. Równoległe przetwarzanie sieci neuronowych za pomocą biblioteki TensorFlow 407

• Biblioteka TensorFlow a skuteczność uczenia 408
  
  • Wyzwania związane z wydajnością 408
  • Czym jest biblioteka TensorFlow? 409
  • W jaki sposób będziemy poznawać bibliotekę TensorFlow? 411
• Pierwsze kroki z biblioteką TensorFlow 411
  
  • Instalacja modułu TensorFlow 411
  • Tworzenie tensorów w TensorFlow 412
  • Manipulowanie typem danych i rozmiarem tensora 413
  • Przeprowadzanie operacji matematycznych na tensorach 414
  • Dzielenie, nawarstwianie i łączenie tensorów 415
• Tworzenie potoków wejściowych za pomocą tf.data, czyli interfejsu danych TensorFlow 416
  
  • Tworzenie obiektów Dataset z istniejących tensorów 417
  • Łączenie dwóch tensorów we wspólny zestaw danych 418
  • Potasuj, pogrupuj, powtórz 419
  • Tworzenie zestawu danych z plików umieszczonych w lokalnym magazynie dyskowym 422
  • Pobieranie dostępnych zestawów danych z biblioteki tensorflow_datasets 425
• Tworzenie modelu sieci neuronowej za pomocą modułu TensorFlow 430
  
  • Interfejs Keras (tf.keras) 430
  • Tworzenie modelu regresji liniowej 431
  • Uczenie modelu za pomocą metod .compile() i .fit() 435
  • Tworzenie perceptronu wielowarstwowego klasyfikującego kwiaty z zestawu danych Iris 436
  • Ocena wytrenowanego modelu za pomocą danych testowych 439
  • Zapisywanie i wczytywanie wyuczonego modelu 440
• Dobór funkcji aktywacji dla wielowarstwowych sieci neuronowych 440
  
  • Funkcja logistyczna - powtórzenie 441
  • Szacowanie prawdopodobieństw przynależności do klas w klasyfikacji wieloklasowej za pomocą funkcji softmax 443
  • Rozszerzanie zakresu wartości wyjściowych za pomocą funkcji tangensa hiperbolicznego 444
  • Aktywacja za pomocą prostowanej jednostki liniowej (ReLU) 446
• Podsumowanie 448

Rozdział 14. Czas na szczegóły - mechanizm działania biblioteki TensorFlow 449

• Cechy kluczowe TensorFlow 450
• Grafy obliczeniowe TensorFlow: migracja do wersji TensorFlow 2 451
  
  • Grafy obliczeniowe 451
  • Tworzenie grafu w wersji TensorFlow 1.x 452
  • Migracja grafu do wersji TensorFlow 2 453
  • Wczytywanie danych wejściowych do modelu: TensorFlow 1.x 453
  • Wczytywanie danych wejściowych do modelu: TensorFlow 2 454
  • Poprawianie wydajności obliczeniowej za pomocą dekoratorów funkcji 455
• Obiekty Variable służące do przechowywania i aktualizowania parametrów modelu 456
• Obliczanie gradientów za pomocą różniczkowania automatycznego i klasy GradientTape 460
  
  • Obliczanie gradientów funkcji straty w odniesieniu do zmiennych modyfikowalnych 460
  • Obliczanie gradientów w odniesieniu do tensorów niemodyfikowalnych 462
  • Przechowywanie zasobów na obliczanie wielu gradientów 462
• Upraszczanie implementacji popularnych struktur za pomocą interfejsu Keras 463
  
  • Rozwiązywanie problemu klasyfikacji XOR 466
  • Zwiększenie możliwości budowania modeli za pomocą interfejsu funkcyjnego Keras 471
  • Implementowanie modeli bazujących na klasie Model 472
  • Pisanie niestandardowych warstw Keras 473
• Estymatory TensorFlow 476
  
  • Praca z kolumnami cech 477
  • Uczenie maszynowe za pomocą gotowych estymatorów 481
  • Stosowanie estymatorów w klasyfikacji zestawu pisma odręcznego MNIST 484
  • Tworzenie niestandardowego estymatora z istniejącego modelu Keras 486
• Podsumowanie 488

Rozdział 15. Klasyfikowanie obrazów za pomocą głębokich splotowych sieci neuronowych 489

• Podstawowe elementy splotowej sieci neuronowej 490
  
  • Splotowe sieci neuronowe i hierarchie cech 490
  • Splot dyskretny 492
  • Warstwy podpróbkowania 501
• Implementowanie sieci CNN 502
  
  • Praca z wieloma kanałami wejściowymi/barw 503
  • Regularyzowanie sieci neuronowej metodą porzucania 506
  • Funkcje straty w zadaniach klasyfikacji 509
• Implementacja głębokiej sieci splotowej za pomocą biblioteki TensorFlow 511
  
  • Architektura wielowarstwowej sieci CNN 511
  • Wczytywanie i wstępne przetwarzanie danych 512
  • Implementowanie sieci CNN za pomocą interfejsu Keras 513
• Klasyfikowanie płci na podstawie zdjęć twarzy za pomocą sieci splotowej 518
  
  • Wczytywanie zestawu danych CelebA 519
  • Przekształcanie obrazów i dogenerowanie danych 520
  • Uczenie modelu CNN jako klasyfikatora płci 525
• Podsumowanie 530

Rozdział 16. Modelowanie danych sekwencyjnych za pomocą rekurencyjnych sieci neuronowych 533

• Wprowadzenie do danych sekwencyjnych 534
  
  • Modelowanie danych sekwencyjnych - kolejność ma znaczenie 534
  • Przedstawianie sekwencji 535
  • Różne kategorie modelowania sekwencji 536
• Sieci rekurencyjne służące do modelowania sekwencji 537
  
  • Mechanizm zapętlania w sieciach rekurencyjnych 537
  • Obliczanie aktywacji w sieciach rekurencyjnych 539
  • Rekurencja w warstwie ukrytej a rekurenacja w warstwie wyjściowej 542
  • Problemy z uczeniem długofalowych oddziaływań 544
  • Jednostki LSTM 546
• Implementowanie wielowarstwowej sieci rekurencyjnej przy użyciu biblioteki TensorFlow do modelowania sekwencji 548
  
  • Pierwszy projekt - przewidywanie sentymentów na recenzjach z zestawu danych IMDb 548
  • Drugi projekt - modelowanie języka na poziomie znaków w TensorFlow 561
• Przetwarzanie języka za pomocą modelu transformatora 572
  
  • Wyjaśnienie mechanizmu samouwagi 573
  • Wieloblokowy mechanizm uwagi i komórka transformatora 575
• Podsumowanie 577

Rozdział 17. Generatywne sieci przeciwstawne w zadaniach syntetyzowania nowych danych 579

• Wprowadzenie do generatywnych sieci przeciwstawnych 580
  
  • Autokodery 580
  • Modele generatywne syntetyzujące nowe dane 582
  • Generowanie nowych prób za pomocą sieci GAN 584
  • Funkcje straty generatora i dyskryminatora w modelu GAN 585
• Implementowanie sieci GAN od podstaw 587
  
  • Uczenie modeli GAN w środowisku Google Colab 587
  • Implementacja sieci generatora i dyskryminatora 590
  • Definiowanie zestawu danych uczących 593
  • Uczenie modelu GAN 595
• Poprawianie jakości syntetyzowanych obrazów za pomocą sieci GAN: splotowej i Wassersteina 603
  
  • Splot transponowany 603
  • Normalizacja wsadowa 605
  • Implementowanie generatora i dyskryminatora 607
  • Wskaźniki odmienności dwóch rozkładów 613
  • Praktyczne stosowanie odległości EM w sieciach GAN 616
  • Kara gradientowa 617
  • Implementacja sieci WGAN-DP służącej do uczenia modelu DCGAN 617
  • Załamanie modu 622
• Inne zastosowania modeli GAN 623
• Podsumowanie 624

Rozdział 18. Uczenie przez wzmacnianie jako mechanizm podejmowania decyzji w skomplikowanych środowiskach 625

• Wprowadzenie: uczenie z doświadczenia 626
  
  • Filozofia uczenia przez wzmacnianie 626
  • Definicja interfejsu agent-środowisko w systemie uczenia przez wzmacnianie 628
• Podstawy teoretyczne uczenia przez wzmacnianie 629
  
  • Procesy decyzyjne Markowa 629
  • Wyjaśnienie matematyczne procesów decyzyjnych Markowa 630
  • Terminologia uczenia przez wzmacnianie: zwrot, strategia i funkcja wartości 633
  • Programowanie dynamiczne za pomocą równania Bellmana 636
• Algorytmy uczenia przez wzmacnianie 637
  
  • Programowanie dynamiczne 638
  • Uczenie przez wzmacnianie metodą Monte Carlo 641
  • Uczenie metodą różnic czasowych 643
• Implementacja naszego pierwszego algorytmu uczenia przez wzmacnianie 646
  
  • Wprowadzenie do pakietu OpenAI Gym 646
  • Rozwiązywanie problemu świata blokowego za pomocą Q-uczenia 654
  • Krótko o algorytmie Q-uczenia głębokiego 658
• Podsumowanie rozdziału i książki 665

• Title: Python. Machine learning i deep learning. Biblioteki scikit-learn i TensorFlow 2. Wydanie III
• Author: Sebastian Raschka, Vahid Mirjalili
• Original title: Python Machine Learning: Machine Learning and Deep Learning with Python, scikit-learn, and TensorFlow 2, 3rd Edition
• Translation: Krzysztof Sawka
• ISBN: 978-83-283-7002-9, 9788328370029
• Date of issue: 2021-02-09
• Format: Ebook
• Item ID: pythu3
• Publisher: Helion