یادگیری ماشین با پایتون با 12 درس+ کتاب یادگیری ماشین

یادگیری ماشین یکی از مهم‌ترین و پیشرفته‌ترین شاخه‌های علوم کامپیوتر است که به کامپیوترها امکان می‌دهد تا از داده‌ها بیاموزند و بدون نیاز به برنامه‌نویسی صریح تصمیم‌گیری کنند. پایتون، با داشتن کتابخانه‌ها و ابزارهای قدرتمند، به عنوان یکی از محبوب‌ترین زبان‌ها برای پیاده‌سازی الگوریتم‌های یادگیری ماشین شناخته شده است.

مفاهیم پایه یادگیری ماشین

یادگیری ماشین به سه دسته اصلی تقسیم می‌شود:  یادگیری نظارت‌شده، یادگیری نظارت‌نشده و یادگیری تقویتی.

یادگیری نظارت‌شده

در یادگیری نظارت‌شده، مدل‌ها از داده‌های برچسب‌دار (داده‌هایی که دارای ورودی و خروجی‌های مشخص هستند) آموزش می‌بینند. این نوع یادگیری خود به دو دسته تقسیم می‌شود:  رگرسیون و طبقه‌بندی.

• رگرسیون:  هدف از رگرسیون پیش‌بینی یک مقدار عددی پیوسته است. به عنوان مثال، پیش‌بینی قیمت خانه بر اساس ویژگی‌های آن.
• طبقه‌بندی:  هدف از طبقه‌بندی تعیین دسته یا کلاس برای یک نمونه است. به عنوان مثال، تشخیص نوع گل بر اساس ویژگی‌های آن.

اینو حتما بخونید: ماشین لرنینگ با پایتون چیست؟ تمرین ماشین لرنینگ پایتون

یادگیری نظارت‌نشده

در یادگیری نظارت‌نشده، مدل‌ها از داده‌های بدون برچسب آموزش می‌بینند. این نوع یادگیری به دو دسته تقسیم می‌شود:  خوشه‌بندی و کاهش ابعاد.

• خوشه‌بندی:  هدف از خوشه‌بندی گروه‌بندی داده‌ها به دسته‌های مشابه است. به عنوان مثال، گروه‌بندی مشتریان براساس رفتار خرید آن‌ها.
• کاهش ابعاد:  هدف از کاهش ابعاد کاهش تعداد ویژگی‌ها یا متغیرهای ورودی در داده‌ها است، به گونه‌ای که همچنان اطلاعات مهم حفظ شود. به عنوان مثال، استفاده از تحلیل مؤلفه اصلی (PCA) برای کاهش ابعاد داده‌ها.

یادگیری تقویتی

در یادگیری تقویتی، مدل‌ها از طریق تعامل با محیط و دریافت پاداش یا تنبیه آموزش می‌بینند. به عنوان مثال، آموزش یک عامل برای بازی کردن بازی‌هایی مثل شطرنج یا گو.

چرا پایتون؟ مزایای پایتون در حوزه یادگیری ماشین

پایتون به عنوان یکی از زبان‌های برنامه‌نویسی پیشرو در حوزه یادگیری ماشین شناخته شده است. دلایل محبوبیت پایتون شامل موارد زیر است:

• سادگی و خوانایی: پایتون دارای سینتکس ساده و قابل خواندن است که یادگیری و استفاده از آن را آسان می‌کند.
• کتابخانه‌های قدرتمند: پایتون دارای مجموعه‌ای گسترده از کتابخانه‌ها و ابزارهای یادگیری ماشین مانند Scikit-Learn، TensorFlow، Keras و PyTorch است.
• پشتیبانی جامعه: پایتون دارای جامعه بزرگی از توسعه‌دهندگان و محققان است که منابع آموزشی و پشتیبانی فنی را فراهم می‌کنند.
• انعطاف‌پذیری: پایتون می‌تواند برای پروژه‌های کوچک و بزرگ، از نمونه‌سازی سریع تا پیاده‌سازی سیستم‌های تولیدی، استفاده شود.

بلد باشید: ماشین لرنینگ و هوش مصنوعی و یادگیری عمیق (مقایسه کامل)

نصب و راه‌اندازی محیط برنامه‌نویسی (آناکوندا، گوگل کولب)

برای شروع کار با پایتون در حوزه یادگیری ماشین، می‌توانید از ابزارها و محیط‌های مختلفی استفاده کنید:

آناکوندا (Anaconda):

یک توزیع رایگان و منبع‌باز از زبان پایتون است که همراه با بیش از 1500 بسته و کتابخانه داده‌کاوی، یادگیری ماشین و علم داده ارائه می‌شود.

• نصب آناکوندا: می‌توانید آناکوندا را از وب‌سایت رسمی آن دانلود و نصب کنید.
• استفاده از Jupyter Notebook: یک ابزار تعاملی برای اجرای کدهای پایتون و مستندسازی پروژه‌ها.

گوگل کولب (Google Colab):

• یک سرویس رایگان مبتنی بر وب است که به شما امکان می‌دهد کدهای پایتون را در مرورگر خود اجرا کنید.
• مزایا: دسترسی به GPU و TPU برای پردازش‌های سنگین، اشتراک‌گذاری آسان نوت‌بوک‌ها، و اجرای کدها بدون نیاز به تنظیمات پیچیده.

کتابخانه‌های مهم یادگیری ماشین در پایتون

پایتون دارای مجموعه‌ای گسترده از کتابخانه‌ها و ابزارهای یادگیری ماشین است که هر یک برای اهداف خاصی طراحی شده‌اند. در این بخش به معرفی چند کتابخانه مهم می‌پردازیم.

Scikit-Learn

Scikit-Learn یکی از محبوب‌ترین کتابخانه‌های یادگیری ماشین در پایتون است که ابزارهای مختلفی برای پیش‌پردازش داده‌ها، مدل‌سازی و ارزیابی مدل‌ها فراهم می‌کند.

TensorFlow

TensorFlow یک کتابخانه متن‌باز برای محاسبات عددی و یادگیری عمیق است که توسط Google توسعه یافته است. این کتابخانه به ویژه برای شبکه‌های عصبی و یادگیری عمیق مناسب است.

Keras

Keras یک رابط برنامه‌نویسی سطح بالا برای شبکه‌های عصبی است که بر روی TensorFlow اجرا می‌شود. این کتابخانه به خاطر سادگی و استفاده آسان شناخته شده است.

PyTorch

PyTorch یک کتابخانه یادگیری ماشین متن‌باز است که توسط Facebook توسعه یافته است. این کتابخانه به خاطر انعطاف‌پذیری و کارایی بالا در تحقیقات یادگیری عمیق محبوب است.

تفاوت هوش مصنوعی رو با این یکی یاد بگیرید: آموزش هوش تجاری از صفر تا صد با 30 درس

آماده سازی داده ها

آماده‌سازی داده‌ها یکی از مراحل حیاتی در فرآیند یادگیری ماشین است که شامل جمع‌آوری، پاکسازی و مهندسی ویژگی‌ها می‌شود. در مرحله جمع‌آوری داده‌ها، اطلاعات از منابع مختلفی مانند اینترنت، پایگاه‌های داده و APIها گردآوری می‌شود. این مرحله با چالش‌هایی همچون کیفیت پایین داده‌ها، نبود استانداردهای یکسان و عدم دسترسی به داده‌های کافی مواجه است که می‌توان با استفاده از ابزارها و تکنیک‌های مناسب این مشکلات را به حداقل رساند. پس از جمع‌آوری داده‌ها، مرحله پاکسازی آغاز می‌شود که شامل شناسایی و رفع داده‌های نادرست، تکراری و گمشده است.
تکنیک‌های متعددی برای پاکسازی داده‌ها وجود دارد، از جمله حذف داده‌های نادرست، جایگزینی مقادیر گمشده با میانگین یا میانه، و درون‌یابی مقادیر. در نهایت، مهندسی ویژگی‌ها به استخراج و انتخاب ویژگی‌های مفید از داده‌ها می‌پردازد. این مرحله شامل تبدیل داده‌ها به فرمتی است که الگوریتم‌های یادگیری ماشین بتوانند از آن استفاده کنند و انتخاب ویژگی‌های مناسب که تأثیر بسزایی در بهبود عملکرد مدل‌ها دارند. با استفاده از زبان برنامه‌نویسی پایتون و کتابخانه‌های مربوطه، این فرآیندها به‌صورت کارآمد و موثر قابل اجرا هستند.

الگوریتم‌های یادگیری ماشین

یادگیری با نظارت:

رگرسیون خطی و لجستیک

رگرسیون خطی یکی از ساده‌ترین و قدیمی‌ترین روش‌های یادگیری ماشین است که برای پیش‌بینی مقادیر پیوسته به کار می‌رود. در این روش، رابطه‌ی بین متغیر مستقل و وابسته به صورت یک خط مستقیم مدل‌سازی می‌شود. رگرسیون لجستیک نیز مشابه رگرسیون خطی است، اما برای طبقه‌بندی داده‌ها و پیش‌بینی احتمالات به کار می‌رود و خروجی آن بین 0 و 1 قرار دارد.

درخت تصمیم، جنگل تصادفی

درخت تصمیم یک مدل یادگیری با نظارت است که از ساختار درختی برای تصمیم‌گیری استفاده می‌کند. هر گره داخلی یک تصمیم بر اساس یک ویژگی خاص می‌گیرد و هر برگ نمایانگر یک نتیجه یا طبقه است. جنگل تصادفی ترکیبی از چندین درخت تصمیم است که به صورت تصادفی ایجاد می‌شوند و برای افزایش دقت مدل و کاهش بیش‌برازش استفاده می‌شوند.

ماشین بردار پشتیبان

ماشین بردار پشتیبان (SVM) یک الگوریتم طبقه‌بندی است که به دنبال پیدا کردن بهترین مرز (hyperplane) است که داده‌های دو کلاس مختلف را از هم جدا کند. این الگوریتم برای مسائل پیچیده و داده‌های با ابعاد بالا بسیار مناسب است.

ارزیابی مدل‌های یادگیری با نظارت

برای ارزیابی مدل‌های یادگیری با نظارت از معیارهای مختلفی مانند دقت، دقت متوسط، یادآوری، نمره F1 و ماتریس درهم‌ریختگی استفاده می‌شود. این معیارها به ما کمک می‌کنند تا عملکرد مدل را در شرایط مختلف بسنجیم و بهینه‌سازی کنیم.

یادگیری بدون نظارت:

خوشه‌بندی K-Means، DBSCAN

خوشه‌بندی یکی از روش‌های یادگیری بدون نظارت است که برای گروه‌بندی داده‌ها به دسته‌های مشابه به کار می‌رود. K-Means یکی از محبوب‌ترین الگوریتم‌های خوشه‌بندی است که داده‌ها را به K خوشه تقسیم می‌کند. DBSCAN نیز الگوریتم دیگری است که بر اساس تراکم نقاط عمل می‌کند و می‌تواند خوشه‌های با اشکال پیچیده را شناسایی کند.

کاهش ابعاد (PCA)

کاهش ابعاد تکنیکی است که برای ساده‌سازی داده‌ها و کاهش تعداد ویژگی‌ها به کار می‌رود. تحلیل مولفه‌های اصلی (PCA) یکی از روش‌های کاهش ابعاد است که با پیدا کردن جهت‌های جدید (مولفه‌ها) که بیشترین واریانس داده‌ها را توضیح می‌دهند، ابعاد داده‌ها را کاهش می‌دهد.

کاربردهای یادگیری بدون نظارت

یادگیری بدون نظارت کاربردهای فراوانی دارد، از جمله تحلیل بازار، کشف الگوها در داده‌های پزشکی، فشرده‌سازی تصویر و شناسایی ناهنجاری‌ها در داده‌ها.

یادگیری تقویتی:

مفاهیم پایه یادگیری تقویتی (عامل، محیط، پاداش)

یادگیری تقویتی نوعی از یادگیری ماشین است که در آن یک عامل (agent) با تعامل با محیط (environment) و دریافت پاداش (reward) به یادگیری می‌پردازد. هدف عامل این است که سیاستی (policy) را بیاموزد که پاداش کل را به حداکثر برساند.

پک حرفه ای یادگیری 0 تا 100 پایتون بدون کلاس، سرعت 2 برابر، ماندگاری 3 برابر، از طراحی اپلیکیشن تا بازی، هک و توسعه وب درامدزایی در حد خدا !!، خرید و دانلود!

الگوریتم‌های Q-learning و Deep Q-Network

Q-learning یکی از الگوریتم‌های پایه یادگیری تقویتی است که ارزش هر عمل در هر حالت را با استفاده از یک جدول (Q-table) به‌روزرسانی می‌کند. Deep Q-Network (DQN) نسخه‌ای از Q-learning است که از شبکه‌های عصبی عمیق برای تقریب زدن Q-values استفاده می‌کند و قادر است مسائل با فضای حالت بزرگ را حل کند.

کاربردهای یادگیری تقویتی در بازی‌ها، رباتیک و ...

یادگیری تقویتی در زمینه‌های مختلفی مانند بازی‌های کامپیوتری، رباتیک، بهینه‌سازی سیستم‌ها و کنترل خودکار کاربرد دارد. به عنوان مثال، الگوریتم‌های یادگیری تقویتی توانسته‌اند در بازی‌هایی مانند شطرنج و Go عملکرد بسیار خوبی داشته باشند و ربات‌ها را برای انجام وظایف پیچیده آموزش دهند.

آموزش کامل هوش مصنوعی: آموزش هوش مصنوعی از صفر تا صد با 14 درس+ جزوه

آینده یادگیری ماشین

روندهای نوظهور

یادگیری تقویتی عمیق

یادگیری تقویتی عمیق (Deep Reinforcement Learning) ترکیبی از یادگیری تقویتی و شبکه‌های عصبی عمیق است که به عوامل یادگیرنده این امکان را می‌دهد تا در محیط‌های پیچیده و پویا به خوبی عمل کنند. این روش‌ها در حال حاضر در بازی‌های کامپیوتری، رباتیک، و حتی بازارهای مالی به کار گرفته می‌شوند. به عنوان مثال، الگوریتم AlphaGo شرکت DeepMind توانست قهرمان جهان در بازی Go را شکست دهد، که یک دستاورد بزرگ در این حوزه بود.

یادگیری چندوجهی

یادگیری چندوجهی (Multimodal Learning) به ترکیب و تحلیل داده‌های چندین نوع مختلف (مثلاً متن، تصویر، صدا) می‌پردازد. این روش می‌تواند در کاربردهای متنوعی از جمله تشخیص چندوجهی پزشکی، سیستم‌های توصیه‌گر و تعامل انسان و ماشین استفاده شود.

یادگیری خودکار

یادگیری خودکار (Automated Machine Learning یا AutoML) فرآیند اتوماسیون بخش‌های مختلف مدل‌سازی یادگیری ماشین را شامل می‌شود، از انتخاب ویژگی‌ها گرفته تا انتخاب مدل و تنظیم هایپراپارامترها. این روش‌ها به سازمان‌ها و افرادی که تخصص کمی در یادگیری ماشین دارند، این امکان را می‌دهد تا مدل‌های پیچیده و دقیق بسازند.

دروس آموزشی رایگان

در این قسمت دروس ویدیویی آموزشی رایگان را در اختیارتان قرار میدهیم منتها دقت کنید چون این موضوع نسبتا در ایران نوظهور است هنوز اموزش مدون و پیوسته ای ارائه نگردیده است:

دقت کنید اگر به یوتیوب دسترسی دارید حتما این کارگاه آموزشی ماشین لرنینگ پایتون را دانلود کنید (جلسات حدودا 3 ساعته)

دانلود جزوه PDF رایگان

   دانلود جزوه آموزشی رایگان حجم 6 مگابایت

هوش مصنوعی چیست؟ اجزای آن، انواع آن و همه نکات کاربردی

چالش‌ها و فرصت‌های یادگیری ماشین پایتون

تعصبات در الگوریتم‌ها

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های یادگیری ماشین، تعصبات موجود در داده‌ها و الگوریتم‌ها است که می‌تواند به نتایج ناعادلانه و تبعیض‌آمیز منجر شود. رفع این تعصبات و ایجاد الگوریتم‌های منصفانه و بی‌طرف یکی از اهداف مهم در توسعه‌های آینده است.

حریم خصوصی داده‌ها

حفظ حریم خصوصی داده‌ها با افزایش استفاده از یادگیری ماشین و جمع‌آوری داده‌های بیشتر، به یک چالش بزرگ تبدیل شده است. تکنیک‌هایی مانند یادگیری فدراسیونی و رمزنگاری همگانی (homomorphic encryption) برای حفظ حریم خصوصی و امنیت داده‌ها در حال توسعه هستند.

اخلاق در هوش مصنوعی

استفاده اخلاقی از هوش مصنوعی و یادگیری ماشین یکی از دغدغه‌های مهم است. مسائل مرتبط با مسئولیت‌پذیری، شفافیت و اعتماد در سیستم‌های هوش مصنوعی نیاز به بررسی دقیق دارند تا از سوء استفاده و تأثیرات منفی جلوگیری شود.

کاربردهای آینده یادگیری ماشین

پزشکی شخصی‌سازی‌شده

یادگیری ماشین در پزشکی شخصی‌سازی‌شده می‌تواند به تحلیل دقیق‌تر داده‌های پزشکی و ارائه‌ی درمان‌های مناسب برای هر فرد کمک کند. این شامل تشخیص زودهنگام بیماری‌ها، پیشنهاد داروها و درمان‌های مناسب بر اساس ویژگی‌های ژنتیکی و سبک زندگی فرد می‌شود.

خودروهای خودران

خودروهای خودران یکی از نوآوری‌های بزرگ در حوزه یادگیری ماشین هستند. این خودروها با استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین می‌توانند محیط پیرامون خود را تشخیص داده و تصمیمات مناسب برای رانندگی را اتخاذ کنند. انتظار می‌رود که این فناوری بتواند تصادفات جاده‌ای را کاهش داده و کارایی حمل و نقل را افزایش دهد.

شهر هوشمند

یادگیری ماشین در شهرهای هوشمند می‌تواند به بهبود مدیریت منابع، کاهش آلودگی، افزایش امنیت و بهبود کیفیت زندگی شهروندان کمک کند. این شامل استفاده از داده‌های حسگرها برای مدیریت ترافیک، مصرف انرژی، جمع‌آوری زباله و نظارت بر ایمنی عمومی می‌شود.

آمار و ارقام جالب

• بازار جهانی هوش مصنوعی و یادگیری ماشین در سال 2021 حدود 327.5 میلیارد دلار ارزش داشت و پیش‌بینی می‌شود تا سال 2028 به بیش از 1,394.3 میلیارد دلار برسد .
• تا سال 2030، هوش مصنوعی می‌تواند به افزایش تولید ناخالص داخلی جهانی تا 15.7 تریلیون دلار کمک کند، که بیش از تولید ناخالص داخلی فعلی چین و هند است .
• بر اساس گزارش‌های اخیر، استفاده از یادگیری ماشین می‌تواند به کاهش خطاهای پزشکی تا 50% و بهبود نتایج درمانی بیماران تا 30% کمک کند .

این روندها و آمارها نشان می‌دهند که یادگیری ماشین نه تنها در حال حاضر تاثیرات عمیقی در صنایع مختلف دارد، بلکه در آینده نیز نقش کلیدی در تحولات بزرگ جهانی ایفا خواهد کرد.

پایان

با توجه به پیشرفت‌های چشمگیر در حوزه یادگیری ماشین و قدرت بی‌نظیر زبان برنامه‌نویسی پایتون، آینده‌ای روشن برای این ترکیب قدرتمند متصور است. از خودروهای خودران گرفته تا تشخیص بیماری‌ها، یادگیری ماشین با پایتون به طور فزاینده‌ای در حال تغییر دنیای اطراف ماست. با این حال، برای استفاده بهینه از این فناوری، نیازمند درک عمیق از مفاهیم پایه، مهارت‌های برنامه‌نویسی قوی و روحیه‌ای جستجوگر هستیم. با پیوستن به جامعه رو به رشد یادگیری ماشین و مشارکت در پروژه‌های متن‌باز، نه تنها می‌توانیم از این فناوری بهره‌مند شویم، بلکه به پیشرفت آن نیز کمک خواهیم کرد. یادگیری ماشین با پایتون، تنها آغاز راه است و آینده از آن کسانی است که به طور مداوم در جهت یادگیری و نوآوری تلاش می‌کنند.