Кіріспе
Бір уақытта бірнеше машиналық оқыту тапсырмаларын шешу. Көп тапсырмалы оқыту (КТО) – машиналық оқытудың бір саласы, онда бірнеше оқу тапсырмалары бір уақытта шешіледі, сонымен қатар тапсырмалар арасындағы ортақтықтар мен ерекшеліктерді пайдаланады. Бұл, модельдерді жеке-жеке оқытумен салыстырғанда, тапсырмаға арналған модельдердің оқыту тиімділігі мен болжамның дәлдігін арттыруға мүмкіндік береді. КТО-ның алғашқы нұсқалары "көмекші сигналдар" деп аталды. 1997 жылы Рич Каруана кеңінен сілтеме жасалған мақаласында былай деді: «Көп тапсырмалы оқыту – индуктивті трансферге қатысты әдіс, ол байланысты тапсырмалардың оқыту сигналдарындағы домендік ақпаратты индуктивті бейімділік ретінде пайдалану арқылы жалпылауды жақсартады. Ол оны тапсырмаларды параллель түрде оқыту және ортақ өкілдікті пайдалану арқылы іске асырады; әр тапсырма үшін оқытылған нәрсе басқа тапсырмаларды жақсырақ оқытуға көмектеседі. Көп тапсырмалы оқыту алгоритмге байланысты тапсырманы жақсы орындауды талап ету арқылы туындайтын реттеудің, барлық күрделілікті біркелкі жазалайтын реттеуден артық болуы мүмкін, бұл артық үйлесімге (overfitting) жол бермейді. КТО егер тапсырмалардың маңызды ортақ белгілері болса және олар көбінесе жеткіліксіз деректермен оқытылса, әсіресе пайдалы болуы мүмкін».
Multi task learning (MTL) is a subfield of machine learning in which multiple learning tasks are solved at the same time, while exploiting commonalities and differences across tasks. This can result in improved learning efficiency and prediction accuracy for the task specific models, when compared to training the models separately. Early versions of MTL were called "hints". In a widely cited 1997 paper, Rich Caruana gave the following characterization:<blockquote>Multitask Learning is an approach to inductive transfer that improves generalization by using the domain information contained in the training signals of related tasks as an inductive bias. It does this by learning tasks in parallel while using a shared representation; what is learned for each task can help other tasks be learned better. Multi task learning works because regularization induced by requiring an algorithm to perform well on a related task can be superior to regularization that prevents overfitting by penalizing all complexity uniformly. One situation where MTL may be particularly helpful is if the tasks share significant commonalities and are generally slightly under sampled.
Әдістер
Көп тапсырмалы оқытудағы басты қиындық – бірнеше тапсырмадан түсетін оқу сигналдарын бір модельге қалай біріктіру. Бұл, тапсырмалардың бір-бірімен қаншалықты үйлесетініне немесе қайшы келетініне тікелей байланысты болуы мүмкін. Осы қиындықты шешудің бірнеше тәсілі бар:
Тапсырмаларды топтастыру және олардың үстіне түсуі
MTL парадигмасы шеңберінде ақпарат кейбір немесе барлық тапсырмалар арасында бөлісе алады. Тапсырмалардың өзара байланысының құрылымына қарай, ақпаратты тапсырмалар бойынша таңдап бөлісу қажет болуы мүмкін. Мысалы, тапсырмалар топтастырылуы немесе иерархия құруы, немесе қандай да бір жалпы метрика бойынша байланысты болуы мүмкін. Төменде формальды түрде қарастырылатындай, әрбір тапсырманы модельдейтін параметрлік вектор, жасайтын негіздің сызықтық комбинациясы болып табылады делік. Осы негізге қатысты ұқсастық тапсырмалардың өзара байланыстылығын көрсетеді. Мысалы, сиректік (sparsity) жағдайында, тапсырмалар арасындағы нөлдік емес коэффициенттердің үсті-үстіне келуі ортақтықты білдіреді. Тапсырмаларды топтастыру, кейбір негізгі элементтердің ішкі жиынымен құрылған кеңістікте орналасқан тапсырмаларға сәйкес келеді, мұнда әртүрлі топтардағы тапсырмалар негіздері бойынша толыққанды ажыратылуы немесе кез келген деңгейде үсті-үстіне жабысуы мүмкін. Тапсырмалардың байланыстылығы алдын ала белгіленуі немесе деректерден оқытылуы мүмкін. Иерархиялық тапсырмалардың өзара байланысын, алдын ала білімді қабылдамай немесе қатынастарды оқыта алмай, тікелей пайдалануға болады. Мысалы, бірнеше сала бойынша бірлескен оқытудың тиімділігін қамтамасыз ету үшін тапсырмалар бойынша үлгінің маңыздылығын нақты оқытуды жүзеге асыруға болады. Суреттерге негізделген объектілер жіктегіші, басқа алгоритмдердің байланысты тапсырмаларды оқытуына көмектесетін тұрақты бейнелеулерді (robust representations) құруы мүмкін. Мысалы, алдын ала оқытылған модельді басқа оқу алгоритмі үшін алдын ала өңдеуді жүзеге асыру үшін ерекшеліктерді бөліп алушы (feature extractor) ретінде пайдалануға болады. Немесе алдын ала оқытылған модельді ұқсас архитектурасы бар модельді бастапқылау үшін пайдалануға болады, содан кейін ол басқа классификациялық тапсырманы оқыту үшін жақсы реттеледі.
Бірнеше тұрақты емес тапсырмалар
Дәстүрлі түрде көп тапсырмалы оқыту және білімді беру стационарлық оқыту орталарында қолданылады. Оларды стационарлық емес ортаға кеңейту топтық онлайн-адаптивті оқыту (GOAL) деп аталады. Білім алушылар үнемі өзгеріп отыратын ортада жұмыс істесе, ақпаратты бөлісу әсіресе пайдалы болуы мүмкін, себебі білім алушы басқа білім алушының алдыңғы тәжірибесінен пайдаланып жаңа ортаға жылдам бейімделе алады. Мұндай топтық адаптивті оқытудың көптеген қолданыс салалары бар, мысалы, қаржылық уақыт қатарларын болжаудан бастап, контент ұсыну жүйелеріне дейін, бейімделуге қабілетті автономды агенттер үшін визуальды түсінуге дейін.
Көп тапсырмалы оптимизация
Көп тапсырмалылықты оңтайландыру: Кейбір жағдайларда, көріне байланысты тапсырмаларды бір уақытта оқыту, жеке тапсырмаға арналған модельдермен салыстырғанда нәтижеге кері әсер ете алады. Көбінесе, MTL модельдері ортақ модуль арқылы алынған бірлескен ерекшеліктерді ұсынудың үстіне тапсырмаға қатысты модульдерді қолданады. Осы бірлескен ұсыныс барлық тапсырмалар үшін пайдалы ерекшеліктерді қамтуы керек болғандықтан, егер тапсырмалардың әртүрлілері қарама-қайшы ұсыныстарды іздесе, яғни тапсырмалардың градиенттері қарама-қарсы бағытта немесе шамасы бойынша айтарлықтай ерекшеленсе, MTL жеке тапсырманың өнімділігіне кедергі келтіруі мүмкін. Бұл құбылыс теріс трансфер деп белгілі. Бұл мәселені азайту үшін әртүрлі MTL оңтайландыру әдістері ұсынылған. Көбінесе, тапсырмалық градиенттер әртүрлі агрегациялық алгоритмдер немесе эвристикалар арқылы бірлескен жаңарту бағытына біріктіріледі. Бұл әдістерге қарама-қайшы градиенттердің проекциясын жою, ойын теориясынан алынған техникаларды қолдану және градиенттердің таралуын алу үшін Байес модельдеуін пайдалану кіреді.
Векторлық мәнді функциялар Хилберт кеңістігін қайта жасау (RKHSvv)
MTL проблемасын RKHSvv контекстінде қарастыруға болады (өңдеу ядросымен жабдықталған векторлық бағаланған функциялардың толық ішкі өнім кеңістігі). Әсіресе, жақында тапсырма құрылымын ажыратылатын ядро арқылы анықтауға болатын жағдайларға назар аударылып келеді, осы ядро төменде сипатталған. Мұндағы ұсынылым Чилиберто және басқалар, 2015 ж. F-ті Фробениус нормасы ретінде белгілеуді ұсынды. Олар блоктық координаталық түсіру әдісін тікелей пайдаланып оңтайландырды, бірақ кластерленген тапсырмалардың шекарасындағы қиындықтарды ескермеді. Жак және басқалар T тапсырмасы R жиынтық кластерге бөлінген жағдайда A-ны оқытуды ұсынды. Осы жағдайда, матрицасын былай белгілейік, және , тапсырма матрицасын функция ретінде параметрлеуге болады: , мұнда тапсырма болжамдарының кластерлер арасындағы және кластерлер ішіндегі дисперсиясының орташасы үшін жазалайтын мүшелер бар. M дөңес емес, бірақ дөңес релаксация бар. Осы формулада .
Clustered tasks learning Jacob et al suggested to learn A in the setting where T tasks are organized in R disjoint clusters. In this case let be the matrix with Setting , and , the task matrix can be parameterized as a function of : , with terms that penalize the average, between clusters variance and within clusters variance respectively of the task predictions. M is not convex, but there is a convex relaxation In this formulation, .
Жалпылау
Көлбеу емес жазалар. Жазалар A матрицасын график Лапласианы болуы немесе A матрицасының төмен дәрежелі факторлануы болуы үшін құрастырылуы мүмкін. Дегенмен, бұл жазалар дөңгелек емес, сондықтан Ciliberto және авторлар ұсынған кедергі әдісінің талдауы осы жағдайларда қолданылмайды. Бөлінбес ядролар. Бөлінбес ядролар шектеулі, әсіресе олар кіріс және шығыс домендері арасындағы өзара әрекеттесу кеңістігіндегі құрылымдарды ескермейді. Бұл ядролар үшін модельдерді әзірлеу үшін қосымша жұмыс қажет.
Бағдарламалық пакет
Маталлабтың Структуралық реттеу арқылы көп тапсырмалы оқыту (MALSAR) деп аталатын пакеті келесі көп тапсырмалы оқыту алгоритмдерін іске асырады: Орташа реттеулі көп тапсырмалы оқыту, Бірлескен белгілерді таңдаумен көп тапсырмалы оқыту, Берулі көп тапсырмалы белгі оқыту, Із нормасы реттелген көп тапсырмалы оқыту, Кезектесетін құрылымдық оңтайландыру, Үйлесімсіз төменгі дәрежелі және сирек оқыту, Берулі төменгі дәрежелі көп тапсырмалы оқыту, Кластерленген көп тапсырмалы оқыту, Графтық құрылымдармен көп тапсырмалы оқыту.