Tải bản đầy đủ

tìm hiểu phương pháp học tích cực và ứng dụng cho bài toán lọc thư rác

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN THỊ HỒNG HẬU
TÌM HIỂU PHƯƠNG PHÁP HỌC TÍCH CỰC VÀ
ỨNG DỤNG CHO BÀI TOÁN LỌC THƯ RÁC

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hà Nội - 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THỊ HỒNG HẬU

TÌM HIỂU PHƯƠNG PHÁP HỌC TÍCH CỰC VÀ
ỨNG DỤNG CHO BÀI TOÁN LỌC THƯ RÁC
Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: H
ệ thống thông tin
Mã s
ố: 60 48 05
LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚ
NG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN TRÍ THÀNH
Hà N
ội - 2011
1

MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH VẼ 3
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU 4
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 5
1.1 Giới thiệu đề tài 5
1.1.1 Lý do chọn đề tài 5
1.1.2 Mục tiêu của đề tài 6
1.1.3 Các giai đoạn thực hiện đề tài 7
1.2 Cấu trúc của luận văn 8
CHƯƠNG II - TỔNG QUAN VỀ HỌC TÍCH CỰC 10
2.1 Giới thiệu học tích cực 10
2.2 Phương pháp học tích cực 13
2.3 Kịch bản học tích cực 15
2.3.1 Stream_based Sampling 15
2.3.2 Pool-based Sampling 15
2.4 Các chiến lược truy vấn trong học tích cực 15
2.4.1 Lấy mẫu không chắc chắn 16
2.4.2 Truy vấn dựa vào hội đồng 17
2.5 So sánh học tích cực học thụ động 17
2.6 Miền ứng dụng của học tích cực 18
2.7 Kết luận 19
CHƯƠNG III - MỘT SỐ THUẬT TOÁN HỌC TÍCH CỰC 20
3.1 Học tích cực dựa trên perceptron 20
3.1.1 Giới thiệu 20
3.1.2 Thuật toán perceptron 20
3.1.3 Cải tiến bước cập nhật perceptron 23
3.1.4 Perceptron chỉnh sửa tích cực 25
3.2 Học tích cực với SVM 27
2



3.2.1 Giới thiệu 27
3.2.2 Máy hỗ trợ vector 27
3.2.3 Version space 30
3.2.4 Học tích cực với SVM 33
3.3 Kết luận 39
CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG HỌC TÍCH CỰC CHO BÀI TOÁN LỌC
THƯ RÁC 40
4.1 Giới thiệu 40
4.2 Học tích cực trong bài toán lọc thư rác 41
4.3 Thử nghiệm và kết quả 43
4.3.1. Cài đặt chương trình thử nghiệm 43
4.3.2. Thu thập và biểu diễn dữ liệu 45
4.3.3. Xây dựng chương trình biểu diễn và tiền xừ lý dữ liệu 48
4.3.4. Kết quả thử nghiệm 51
4.4 Kết luận 57
KẾT LUẬN 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO 60


3



DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1 Lược đồ chung cho bộ học thụ động
Hình 2.2 Lược đồ chung cho bộ học tích cực
Hình 2.3 Lược đồ tổng thể của học tích cực
Hình 3.1 Thuật toán perceptron chuẩn
Hình 3.2 Thuật toán cải tiến percepron chuẩn
Hình 3.3 Quy tắc học tích cực là truy vấn các nhãn cho các điểm x trong L
Hình 3.4. Phiên bản tích cực của Perceptron đã chỉnh sửa.
Hình 3.5 (a) Máy hỗ trợ vector tuyến tính đơn giản.
(b) Máy hỗ trợ vector và máy hỗ trợ vector transaction
Hình 3.6 Máy hỗ trợ vector sử dụng hàm nhân đa thức bậc 5
Hình 3.7 (a) Tính đối ngẫu trong version space
(b) Một bộ phân lớp SVM trên một version space
Hình 3.8 (a) Lề đơn giản truy vấn b (b) Lề đơn giản truy vấn a
Hình 3.9 (a) Lề MaxMin truy vấn b (b) Lề MaxRatio truy vấn e.
Hình 4.1 Bộ lọc thư rác áp dụng phương pháp học tích cực
Hình 4.2 Bộ lọc thư rác tích cực dựa trên Perceptron/SVM active
Hình 4.3 Giao diện chính của chương trình
Hình 4.4 Giao diện lựa chọn thư mục chứ dữ liệu
Hình 4.5 Thông báo quá trình làm sạch dữ liệu thành công
Hình 4.6 Giao diện thông báo kết quả xử lý
Hình 4.7 Kết quả thuật toán perceptron
Hình 4.8 Cấu trúc file cấu hình của chương trình ActiveExperiment
Hình 4.9 Kết quả chạy thuật toán SIMPLE
Hình 4.10 Kết quả chạy thuật toán SELF_CONF
Hình 4.11 Kết quả chạy thuật toán KFF
Hình 4.12. Kết quả chạy thuật toán BALANCE_EE



4





DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Ví dụ nội dung của bốn thư
Bảng 4.2 Từ điển và chỉ số cho dữ liệu trong bảng 4.1
Bảng 4.3 Biểu diễn vector cho dữ liệu trong bảng 4.1
Bảng 4.4 Kết quả chạy qua 20 lần truy vấn của các thuật toán



5



CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU
1.1 Giới thiệu đề tài
1.1.1 Lý do chọn đề tài
Ngày nay thư điện tử (email) đã trở thành một công cụ đắc lực phục vụ
cho nhu cầu trao đổi thông tin của các cơ quan tổ chức, doanh nghiệp cũng
như mỗi cá nhân. Email giúp con người có thể kết nối mọi nơi, mọi lúc với
công việc và cuộc sống cá nhân. Tuy nhiện thư điển tử cũng đang bị lợi dụng
để phát tán thư rác (spam) lây lan virus máy tính và lừa đảo trực tuyến, gây
thiệt hại lớn cho người sử dụng.
Thư rác là thư điện tử được gửi hàng loạt với nội dung mà người nhận
không mong đợi, không muốn xem, hay chứa những nội dung không liên
quan đến người nhận và thường được sử dụng để gửi thông tin quảng cáo. Do
có giá thành tương đối thấp so với các phương pháp quảng cáo khác, thư rác
hiện chiếm một tỷ lệ lớn và ngày càng tăng trong tổng số thư điện tử được gửi
qua Internet. Sự xuất hiện và gia tăng thư rác không những gây khó chịu và
làm mất thời gian của người nhận mà còn ảnh hưởng tới đường truyền
Internet và làm chậm tốc độ xử lý của máy chủ thư điện tử, gây thiệt hại lớn
về kinh tế.
Thư rác là một trong những thách thức lớn nhất hiện nay mà khách
hàng và các nhà cung cấp dịch vụ phải đối phó. Spam đã trở thành một hình
thức quảng cáo chuyên nghiệp, phát tán virus, ăn cắp thông tin với nhiều thủ
đoạn và mánh khóe cực kỳ tinh vi. Người dùng sẽ phải mất khá nhiều thời
gian để xóa những thư điện tử “không mời mà đến”, nếu vô ý còn có thể bị
nhiễm virus, trojan, spyware và nặng nề hơn là mất thông tin như thẻ tín
dụng, tài khoản ngân hàng qua các email dạng thư lừa người dùng tưởng đó là
thư hợp lệ (phishing).
Để loại bỏ hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của thư rác, nhiều cách tiếp cận
khác nhau đã được nghiên cứu và sử dụng. Giải pháp đấu tranh với thư rác rất
đa dạng, bao gồm từ các cố gắng về pháp lý trong việc xây dựng luật ngăn
chặn phát tán thư rác cho tới những giải pháp kỹ thuật nhằm phát hiện và
6



ngăn chặn thư rác trong những giai đoạn khác nhau của quá trình tạo và phát
tán thư.
Tất nhiên, những kẻ gửi thư rác sẽ liên tục cải thiện chiến thuật/cách
thức của chúng, do đó, điều quan trọng là biện pháp ngăn chặn thư rác phải
“học” cách thức thay đổi của thư rác theo thời gian để giúp việc ngăn chặn có
hiệu quả. Và việc ngăn chặn thư rác phải được thực hiện nhanh nhất có thể để
không làm ảnh hưởng đến hệ thống, công việc khác.
Từ những đặc điểm của hệ thống thư điện tử như có sự tương tác với
người sử dụng và sự biến đổi của thư rác, luận văn nghiên cứu về học tích cực
và xác định được sự phù hợp cho bài toán lọc thư rác. Đề tài “Tìm hiểu
phương pháp học tích cực và ứng dụng cho bài toán lọc thư rác” được tiến
hành nhằm đưa ra được phương pháp xây dựng bộ lọc thư rác có thể “học”
được cách thức thay đổi của thư rác và tận dụng được sự tương tác với người
dùng để đưa ra các truy vấn phân loại cho thư điện tử giúp cho việc phân loại
thư rác đạt hiệu quả và chính xác cao.
Trong phạm vi đề tài, luận văn tiến hành nghiên cứu một số giải pháp
học thư rác dựa vào các phương pháp học tích cực (bộ lọc tích cực). Nội dung
nghiên cứu bao gồm cả thử nghiệm trên dữ liệu thực làm rõ khả năng lọc thư
của các bộ lọc tích cực, so sánh hiệu quả của các phương pháp được áp dụng
trong bộ lọc.
1.1.2 Mục tiêu của đề tài
Để loại bỏ thư rác, các nhà cung cấp dịch vụ thư điện tử đã tích hợp
nhiều chương trình lọc thư rác vào dịch vụ thư điện tử. Các chương trình lọc
thư rác chủ yếu dựa vào các phương pháp học máy thông qua một bộ học.
Tuy nhiên dựa vào thực tế: thư điện tử là một dịch vụ online, các thư điện tử
được cập nhật thay đổi theo thời gian và có sự tương tác của người sử dụng
hòm thư với hệ thống vì vậy đề tài đã tập trung vào nghiên cứu bộ học tích
cực và áp dụng cho bài toán lọc thư rác.
7



Trên cơ sở xác định loại hình nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu lý
thuyết và ứng dụng thực nghiệm, mục tiêu của đề tài là tìm hiểu về phương
pháp học tích cực và tìm giải giải pháp cho bài toán lọc thư rác, chọn mô hình
thích hợp để áp dụng vào bài toán lọc thư rác với các tiêu chí:
- Lọc thư rác nhanh, phát hiện chính xác thư rác (spam mail).
- Tận dụng được khả năng tương tác với người sử dụng dịch vụ
mail, sự phân loại mail của người dùng để tăng thêm lượng mail đã gán nhãn
cũng như chất lượng của dữ liệu gán nhãn.
- Có khả năng thích nghi với các biến thể của thư rác, chủ động lọc
loại ra các thư rác ngày một hoạt động tinh vi hơn.
Giống như trong lĩnh vực phòng chống virus máy tính, hacker luôn tìm
cách để chống lại các chương trình diệt virus, thì trong chương trình lọc thư
rác, những người gửi thư rác luôn tìm cách để tránh được bộ lọc thư rác một
cách hữu hiệu. Vì vậy mà thư rác luôn luôn được biến đổi, cải tiến hơn do
những người gửi thư rác. Sử dụng phương pháp học tích cực cho bài toán lọc
thư rác làm phong phú thêm tập lời giải cho bài toán nhận dạng các đối tượng
biến đổi.
Bộ lọc thư rác tích cực giảm chi phí và thời gian thu thập dữ liệu, bởi vì
nó được xây dựng dựa trên sự tương tác giữa bộ học và người dùng là nhận
dạng thư rác hay thư thường.
Với mục tiêu đã nêu ở trên luận văn chủ yếu tập trung nghiên cứu vào
phương pháp học tích cực, áp dụng được các bộ học để tìm ra lời giải cho bài
toán lọc thư rác. Để kiểm tra và đánh giá kết quả, luận văn sử dụng các
chương trình thực nghiệm đã cài đặt sẵn các bộ học mà luận văn nghiên cứu,
thu thập dữ liệu thực tế, xây dựng chương trình xử lý dữ liệu thành các tri
thức để huấn luyện các bộ học thực nghiệm nhằm phát hiện ra các thư rác một
cách chính xác và đạt hiệu quả cao.
1.1.3 Các giai đoạn thực hiện đề tài
Quá trình nghiên cứu của luận văn được thực hiện qua các giai đoạn
sau:
8



Giai đoạn 1 – Nghiên cứu lý thuyết: Thu thập tài liệu, các bài viết liên
quan đến học tích cực và phương pháp lọc mail. Nghiên cứu tài liệu, tìm hiểu
phương pháp học học máy nói chung và phương pháp học tích cực nói riêng.
Tìm hiểu cụ thể vào pương pháp học tích cực dựa vào perceptron và học tích
cực với SVM. Tìm hiểu một số phương pháp lọc mail, tham khảo một số mô
hình lọc mail đã được xây dựng. Trên cơ sở khoa học và lý thuyết đã tìm hiểu
lựa chọn phương pháp và áp dụng trong thực tế.
Giai đoạn 2 – Xây dựng chương trình tiền xử lý dữ liệu để làm dữ liệu
cho bài toán lọc mail. Tìm hiểu và cài đặt các công cụ có ứng dụng cho bài
toán lọc mail. Thu thập dữ liệu từ thực tế, sử dụng chương trình có sẵn, xử lý
dữ liệu và chạy thực nghiệm dữ liệu trên các công cụ đã cài đặt được. Phân
tích đánh giá và nhận xét kết quả thực nghiệm
Giai đoạn 3 – Tổng kết: Khái quát hóa và rút ra kết luận chung cho đề
tài. Viết báo cáo, công bố kết quả nghiên cứu trong đề tài.
1.2 Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm bốn chương: Chương 1 dẫn nhập và giới thiệu chung về
luận văn, lý do chọn đề tài, mục tiêu của đề tài và ý nghĩa của đề tài. Chương
này cũng trình bày các giai đoạn thực hiện luận văn và cấu trúc của luận văn.
Chương 2: trình bày các cơ sở lý thuyết phục vụ cho bài toán lọc mai.
Cụ thể chương 2 sẽ giới thiệu về phương pháp học tích cực. Đưa ra mô hình
học tích cực, so sánh giữa hai mô hình học thụ động và học tích cực. Từ đó
nêu ra được ưu điểm của học tích cực và các miền ứng dụng.
Chương 3: sẽ trình bày về các mô hình học tích cực. Đầu tiên, Chương
3 trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp học tích cực dựa vào perceptron
sử dụng cải tiến bước cập nhật. Cuối Chương 3 trình bày về học tích cực với
SVM, giới thiệu ba phương pháp truy vấn trong bộ học SVM: Simple Margin,
MaxMin Margin và Ratio Margin.
Chương 4: Giới thiệu bài toán lọc thư rác, phương pháp học tích cực
trong bài toán lọc thư rác. Chương 4 sử dụng phương pháp học tích cực dựa
vào Perceptron và SVM active vào xây dựng mô hình cho bài toán lọc thư rác.
9



Phần cuối chương 4: Cài đặt các tool thực nghiệm và xây dựng chương
trình xử lý dữ liệu thu thập được về dạng dữ liệu đầu vào cho các tool thực
nghiệm. Phân tích, đánh giá và nhận xét kết quả thực nghiệm.
Phần Kết luận: tổng kết lại những kết quả đã thực hiện được trong luận
văn và đưa ra phương hướng phát triển luận văn trong tương lai.

10



CHƯƠNG II - TỔNG QUAN VỀ HỌC TÍCH CỰC
2.1 Giới thiệu học tích cực
Mục đích chính của học máy là thu được những mẫu chung từ một
lượng dữ liệu hữu hạn [36]. Học máy được chia thành 2 loại: học có giám sát
và học không giám sát.
Nhiệm vụ của học giám sát là dự đoán thêm những các đặc trưng của
một đối tượng đầu vào [36]. Ví dụ: đơn giản là bài toán dự doán cân nặng của
một người khi biết chiều cao của họ, còn những bài toán phức tạp hơn có thể
là dự đoán chủ đề của hình ảnh khi biết các giá trị của điểm ảnh. Một lĩnh vực
trọng tâm của học giám sát là bài toán phân lớp. Phân lớp là bài toán học có
giám sát mà ở đó đặc trưng nữa của một đối tượng mà chúng ta mong muốn
dự đoán là các giá trị rời rạc. Ta gọi đặc trưng này là nhãn. Mục đích của phân
lớp là tạo ra một ánh xạ các đối tượng đầu vào tới các nhãn.Ví dụ, phân loại
các tài liệu trong đó chúng ta mong muốn gán nhãn tự động cho một tài liệu
mới với một vài chủ để đã xác định trước (ví dụ thể thao, chính trị, kinh
doanh…). Hướng tiếp cận của học máy để giải quyết được vấn đề này là
chúng ta phải thu thập được tập huấn luyện (trainning set) bằng cách gán nhãn
tự động một số các tài liệu. Tiếp theo chúng sử dụng một bộ học (learner)
thực hiện trên tập huấn luyện đã được gán nhãn để sinh ra một ánh xạ từ các
tài liệu đến chủ đề. Chúng ta gọi ánh xạ này là bộ phân lớp (classifier). Chúng
ta có thể dùng bộ phân lớp (classifier) để gán nhãn cho các tài liệu mới.
Một lĩnh vực lớn nữa của học máy là học không giám sát. Khoảng cách
giữa học giám sát và học không giám sát cũng không hoàn toàn rõ ràng. Tuy
nhiên bản chất của học không giám sát là chúng ta sẽ không nhận được thông
tin cụ thể về cách thức thực hiện như thế nào. Nói cách khác, trong bài toán
phân lớp chúng ta nhận được tập dữ liệu huấn luyện đã được gán nhãn tự
động. Học không giám sát bao gồm bài toán phân cụm (Ở đây chúng ta sẽ cố
tìm nhóm dữ liệu tương tự nhau) và xây dựng mô hình (chúng ta cố gắng xây
dựng một mô hình miền từ một tập dữ liệu).
Tất cả các bài toán học giám sát và không giám sát, đầu tiên là thu thập
11



đầy đủ lượng dữ liệu sao cho được đánh mẫu tự động từ sự phân bố mật độ cơ
bản và sau đó chúng ta quy vào một lớp hay một mô hình. Phương pháp này
được gọi là học thụ động. Bộ học thụ động nhận dữ liệu một cách ngẫu nhiên
từ thế giới (hình 2.1) và sau đó đưa ra mô hình để phân lớp.
Thông thường những bài toán mất nhiều thời gian và chi phí trong các
ứng dụng là thu thập dữ liệu. Trong một số trường hợp, chúng ta có giới hạn
các tài nguyên cho việc thu thập dữ liệu. Do đó, rất là quan trọng khi xác định
cách để chúng ta có thể sử dụng những tài nguyên này càng nhiều càng tốt.
Hầu như trong tất cả các trường hợp chúng ta đều cho rằng thu thập các thể
hiện dữ liệu một cách ngẫu nhiên là độc lập và phân bố tương tự nhau. Tuy
nhiên, trong một số trường hợp chúng ta có thể có cách hướng dẫn quá trình
lấy mẫu. Ví dụ, trong bài toán phân lớp tài liệu, thường rất dễ thu thập một
lượng lớn các tài liệu chưa gán nhãn. Thay vì lựa chọn tài liệu một cách ngẫu
nhiên để gán nhãn cho tập huấn luyện, chúng ta có quyền lựa chọn (yêu cầu)
cẩn thận một số tài liệu để gán nhãn. Trong bài toán ước lượng tham số và
phát hiện cấu trúc, giả sử chúng ta nghiên cứu bệnh ung thư phổi trong ngành
y:
 Chúng ta có một danh sách sơ bộ ban đầu về tuổi và sở thích hút thuốc
của những người có khả năng mắc bệnh để chúng ta có quyền lựa chọn
hướng kiểm tra thêm.
 Chúng ta có khả năng đưa ra chỉ với một số người bản kiểm tra chi tiết.
Thay vì chọn ngẫu nhiên một số người để kiểm tra thì ta đặt ra yêu cầu với
những người phù hợp với các đặc điểm nào đó. Ví dụ Chúng ta muốn kiểm
tra những người hút thuốc và trên 50 tuổi.
 Hơn nữa, chúng ta không cần phải đưa ra các danh sách câu hỏi trước.
Chúng ta có thể chọn câu hỏi tiếp theo dựa trên các câu trả lời của các câu
hỏi trước. Quá trình hướng dẫn các bước lấy mẫu bằng câu hỏi cho một số
trường hợp nào đó căn cứ vào dữ liệu mà chúng ta đã được cung cấp gọi là
học tích cực.


12






Hình 2.1 Lược đồ chung cho bộ học thụ động





Hình 2.2: Lược đồ chung cho bộ học tích cực.
Học tích cực (đôi khi còn được gọi là học truy vấn hay thiết kế thực
nghiệm tối ưu trong các bài toán thống kê) là một lĩnh vực nhỏ của học máy
nói riêng và trong trí tuệ nhân tạo nói chung. Giả thiết chính là nếu thuật toán
học được phép chọn dữ liệu từ những gì nó học thì nó sẽ thực hiện tốt hơn
ngay cả khi được huấn luyện ít hơn.
Hệ thống học tích cực cố gắng vượt qua những hạn chế trong việc gán
nhãn bằng cách đưa ra các truy vấn để các dữ liệu chưa gán nhãn sẽ được
người sử dụng hay chuyên gia gán nhãn. Bằng cách này, bộ học tích cực
hướng đến việc đạt được độ chính xác cao trong việc sử dụng dữ liệu gán
nhãn càng ít càng tốt, do đó sẽ giảm thiểu được chí phí trong việc thu thập dữ
liệu có nhãn. Học tích cực được coi là một hướng tiếp cận có mục đích tốt
trong các bài toán học máy hiện đại mà dữ liệu có thể bị dư thừa nhưng các
nhãn thì khan hiếm hoặc là tốn chi phí mới có được.
Học tích cực là một trong những phương pháp học giám sát [7] tạo ra
những dữ liệu được gán nhãn với sự giúp đỡ của con người trong những vòng
lặp có phản hồi [5]. Bộ học tập trung vào việc huấn luyện sử dụng một lượng
nhỏ dữ liệu đã gán nhãn và làm giảm số các nhãn mà người sử dụng có để
Thế giới
Bộ học thụ
động
Mô hình hoặc
bộ phân lớp
Dữ liệu Dữ liệu ra
Thế giới
Bộ học tích
cực
Mô hình /Bộ
phân lớp
Dữ liệu đã gán
nhãn/chưa gán
nhãn
Truy vấn
Phản hồi
Dữ liệu
ra
13



phân lớp bằng cách chọn các dữ liệu có nhiều thông tin nhất. Điều này chỉ ra
rằng ta chỉ cần một phần nhỏ dữ liệu trong tập dữ liệu lớn phải gán nhãn để
huấn luyện một bộ học sao cho đạt được bộ phân lớp tốt.
Vì trong học giám sát dữ liệu cần thiết phải sử dụng dữ liệu đã gán
nhãn, nên bài toán gán nhãn thường rất tốn thời gian và chi phí. Động lực
đằng sau học tích cực là tối đa hóa hiệu suất bằng cách giảm thiểu công sức
của con người trong việc gán nhãn dữ liệu càng nhiều càng tốt [9]. Một đặc
điểm nữa của học tích cực là nó là một quá trình lặp đi lặp lại [5]. Trong mỗi
lần lặp, đầu tiên bộ học được huấn luyện với dữ liệu huấn luyện, sau đó một
tập nhỏ dữ liệu chưa có nhãn được lựa chọn và đưa cho người sử dụng (hoặc
chuyên gia) gán nhãn cho chúng, và cuối cùng dữ liệu vừa được gán nhãn sẽ
được thêm vào tập huấn luyện ban đầu và bộ học sẽ lại được huấn luyện lại.
Quá trình này được lặp đi lặp lại cho đến khi chấm dứt.
2.2 Phương pháp học tích cực
Bước chính trong phương pháp học tích cực là định nghĩa khái niệm
mô hình M và chất lượng mô hình (mô hình tổn thất, Loss(M)). Định nghĩa
mô hình và chất lượng mô hình tương ứng sẽ được thay đổi phù hợp đối với
từng bài toán riêng.
Với khái niệm tổn thất của mô hình đã đưa ra, chúng ta lựa chọn câu
truy vấn tiếp theo sao cho nó sẽ đưa đến một mô hình mới với độ tổn thất của
mô hình là thấp nhất.
Khi đang xem xét việc đưa ra câu truy vấn tiềm năng q, ta cần ước định
độ tổn thất của mô hình tiếp theo M’. Mô hình M’ là mô hình M được cập
nhật với câu truy vấn q và câu trả lời x. Vì không biết câu trả lời x có đúng với
câu truy vấn tiếp theo không, nên ta phải thực hiện một số phép tổng hợp và
phép tính trung bình. Một phương pháp tự nhiên là duy trì bộ phân phối các
câu trả lời hợp với mỗi câu truy vấn. Ta có thể tính được độ tổn thất kỳ vọng
của mô hình sau khi đưa ra câu truy vấn mà chúng ta đạt được độ kỳ vọng ở
câu trả lời cho câu truy vấn đó:
14











 (2.1)
Nếu sử dụng định nghĩa này trong thuật toán học tích cực thì có thể
chọn các câu truy vấn sao cho độ tổn thất kỳ vọng của mô hình là thấp nhất.
Dựa vào nhưng phân tích ở trên Tong [36] đã đưa ra lược đồ tổng thể của học
tích cực như trong hình 2.3
For i:=1 to totalQueries
ForEach q in potentialQueries
Evaluate
Loss(q)

EndForEach
Ask truy vấn q sao cho Loss(q) là thất nhất
Update cập nhật mô hình M với truy vấn q và phản hồi x
EndFor
Return mô hình

Hình 2.3 Lược đồ tổng thể của học tích cực [36]
Trong thống kê, sự lựa chọn chuẩn để tối thiểu độ tổn thất kỳ vọng
chínhlà tối thiểu được độ tổn thất cực đại [3]. Nói các khác, nếu giả sử các
trường hợp đều là xấu nhất: điều này có nghĩa là câu trả lời x sẽ luôn là câu
trả lời cho độ tổn thất của mô hình là cao nhất.






 (2.2)
Nếu chúng ta sử dụng định nghĩa độ tổn thất này cho câu truy vấn trong
thuật toán học tích cực thì chúng ta nên lựa chọn câu truy vấn cho kết quả đạt
độ tổn thất mô hình lớn nhất.
15



2.3 Kịch bản học tích cực
Có một vài kịch bản học trong một số bài toán khác nhau, trong đó bộ
học có thể đưa ra câu truy vấn. Tuy nhiên có hai kịch bản chính, khá phổ biến
trong các nghiên cứu và thường xuyên được sử dụng trong các bài toán áp
dụng phương pháp học tích cực. Hai kịch bản học đó là stream-based
sampling và pool-based sampling.
2.3.1 Stream-based sampling
Trong kịch bản ‘stream-based sampling’, bộ học lấy một mẫu tại một
thời điểm nào đó từ các dữ liệu phân tán và cố gắng đưa ra một quyết định
trên mẫu này là có lựa chọn và đem nó ra để hỏi người dùng ghi nhãn cho nó
hoặc sẽ bỏ qua nó.
2.3.2 Pool-based sampling
Trong kịch bản ‘pool-based sampling’, đầu tiên bộ học lấy tất cả các
mẫu và xếp hạng chúng tăng dần dựa trên dự đoán của bộ phân lớp. Sau đó,
bộ học sẽ chọn k mẫu đầu tiên của danh sách xếp hạng trong mỗi lần lặp và
đưa chúng cho từng người sử dụng một để ghi nhãn.
Trong kịch bản ‘pool-based sampling’, dữ liệu chưa gán nhãn là cố
định và không thay đổi; trong khi kịch bản ‘stream-based scenario’ là một
phiên bản trực tuyến của kịch bản ‘pool-based sampling’ vì ngay lập tức nó
yêu cầu người sử dụng gán nhãn sau khi nó được phân lớp [44]. Chúng ta có
thể kết luận rằng kịch bản ‘stream-based scenario’ khác biệt với kịch bản
‘pool-based sampling’ về việc liệu trong mô hình các mẫu được chọn có
được hỏi người sử dụng nhãn ngay lập tức không hoặc lúc đầu tất cả các mẫu
được xếp hạng và từ dữ liệu đã xếp hạng này có được lựa chọn để được gán
nhãn.
2.4 Các chiến lược truy vấn trong học tích cực
Các mẫu được chọn phải có rất nhiều thông tin có hiệu quả cho bài
16



toán. Để làm được việc lựa chọn mẫu, có một số phương pháp truy vấn độc
lập với kịch bản học tích cực đã giới thiệu giới thiệu ở trên.
Trong số các phương pháp truy vấn được sử dụng trong các ứng dụng
khác nhau của phương pháp học tích cực, Settles [6][7] đã trình bày việc
phân loại hoàn chỉnh nhất và toàn diện nhất cho các phương pháp truy vấn
này. Trong đó có hai phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất đó là lấy mẫu
không chắc chắn và truy vấn dựa trên hội đồng (Query by committee).
2.4.1 Lấy mẫu không chắc chắn
Phương pháp lựa chọn mẫu nổi tiếng nhất và đơn giản là "lấy mẫu
không chắc chắn" (Uncertainty Sampling) được giới thiệu bởi Lewis và Gale
[14]. Trong phương pháp này, bộ học tích cực đưa ra các mẫu tới người sử
dụng là không chắc chắn. Xét các dự đoán của bộ phân lớp cho dữ liệu không
có nhãn, ta sẽ có một đường biên giữa các mẫu không có thông tin và các
mẫu có chứa thông tin. Các mẫu không có thông tin là những mẫu cần có sự
dự đoán chắc chắn cao nhất cho việc gán nhãn; vì thế các mẫu kiểu này
không phải là hữu ích cho học tích cực và cũng không cần thiết để hỏi nhãn
cho chúng. Các mẫu có thông tin là các mẫu mà bộ phân lớp không cần phải
có một dự đoán tốt cho việc gán nhãn với sự tự tin cao. Do vậy những dữ liệu
có độ chắc chắn thấp hơn sẽ hữu ích cho bộ học tích cực.
Đường biên giữa các mẫu chứa thông tin và mẫu không chứa thông tin
có thể được định nghĩa với một số điểm như độ tin cậy của bộ phân lớp cho
các nhãn mà nó đã gán. Trong thực tế ‘độ tin cậy’ là sự dự đoán của bộ phân
lớp với xác suất cao nhất cho các nhãn của mẫu [5]. Vì nó có thể được nhận
ra, nên trong việc lấy mẫu không chắc chắn chỉ có một bộ phân lớp là cần
thiết cho mô hình [21].
Có một số cách tính độ tin cậy mà bộ phân lớp sử dụng. Trong số đó,
có ‘entropy’ được Shannon [11] đề xuất là một trong những cách phổ biến
nhất. Sử dụng entropy là độ tin cậy, các mẫu có entropy cao sẽ là các mẫu
chứa thông tin nhiều nhất vì dự đoán của bộ phân lớp cho các mẫu đó là thấp
17



và các mẫu này sẽ là các ứng cử viên tốt nhất được lựa chọn và đưa ra cho
người sử dụng gán nhãn.
2.4.2 Truy vấn dựa vào hội đồng
Seung cùng cộng sự [20] và Freund cùng cộng sự [45] đề xuất một
phương pháp truy vấn được sử dụng rộng rãi được gọi là truy vấn dựa vào
hội đồng (query by committee). Trong phương pháp này nhiều hơn một bộ
phân lớp được sử dụng và mỗi bộ phân lớp cố gắng để lấy các mẫu chứa
nhiều thông tin nhất. Trong số các mẫu chứa thông tin được lựa chọn cho mỗi
bộ phân lớp, các mẫu mà có độ bất đồng lớn nhất giữa các bộ phân lớp sẽ
được lựa chọn và đưa ra cho người sử dụng gán nhãn.
2.5 So sánh học tích cực học thụ động
• Bộ học
Một bộ học tích cực thu thập thông tin bằng cách đưa ra các câu truy
vấn và nhận lại các câu trả lời. Sau đó nó đưa ra bộ phân lớp hoặc mô hình có
thể sử dụng được cho bài toán của mình. Bộ học tích cực khác với bộ học thụ
động ở chỗ bộ học thụ động nhận thông tin một cách ngẫu nhiên và sau đó
đưa ra bộ phân lớp và mô hình. Một điểm khác nữa là bộ học thụ động chuẩn
giống như một sinh viên thu thập thông tin bằng cách chỉ ngồi và lắng nghe
giáo viên trong khi bộ học tích cực là người đặt ra câu hỏi cho giáo viên, nghe
câu trả lời và hỏi thêm dựa trên câu trả lời của giáo viên. Rất hợp lý khi đưa ra
câu hỏi dựa trên câu trả lời trước đó sẽ cho phép bộ học tích cực thực hiện tốt
hơn bộ học thụ động.
• Thành phần truy vấn
Điểm khác chủ yếu giữa bộ học tích cực và bộ học thụ động là khả
năng đặt câu hỏi vào câu hỏi và câu trả lời trước. Khái niệm về câu hỏi và câu
trả lời chính xác là gì sẽ phụ thuộc vào các bài toán cụ thể tiếp theo. Khả năng
sử dụng phương pháp học tích cực sẽ được lựa chọn tùy vào từng trường hợp,
từng bài toán cụ thể.
18



2.6 Miền ứng dụng của học tích cực
Học tích cực được áp dụng trong rất nhiều ứng dụng khác nhau, nhưng
đặc biệt gần đây người ta lại chú ý đến phương pháp học tích cực trong lĩnh
vực xử lý ngôn ngữ tự nhiên. Ngoài ra học tích cực cũng được sử dụng trong
nhiều ứng dụng như:
• Nhận dạng giọng nói (Hakkani-Tür et al., 2002), hiểu ngôn ngữ nói (Tur et
al., 2003; 2005).
• Phân tích cú pháp (Thompson và cộng sự, 1999; Hwa, 2000; Tang và cộng
sự, 2002;. Hwa và cộng sự, 2003;. Steedman và cộng sự, 2003;.
Baldbridge và Osborne, 2003; 2004; 2006; Osborne và Baldridge, 2004,
Becker và Osborne, 2005)
• Khai thác thông tin (Thompson et al., 1999; Settles and Craven, 2008), tìm
kiếm thông tin (Zhang and Chen, 2002; Yu, 2005),
• Phân lớp tài liệu (Schohn and Cohn, 2000; Roy and McCallum, 2001),
• Lọc thư rác (Sculley, 2008)
• Tìm kiếm hình ảnh (Tong, Simon Tong 2001)
• Phân lớp văn bản (Lewis and Gale, 1994; McCallum and Nigam, 1998;
Tong and Koller, 2001; Zhu et al., 2003; Baldbridge and Osborne, 2006;
Zhu et al., 2008ab, Lewis and Catlett, 1994; Liere and Tadepalli, 1997;
Hoi et al., 2006),
• Phân đoạn tài liệu (Settles and Craven, 2008),
• Phân đoạn từ vựng (Sassano, 2002), word sense disambiguation (Fujii et
al., 1998; Dang, 2004; Chen et al., 2006; Chan and Ng, 2007; Zhu and
Hovy, 2007; Zhu et al., 2008ab),
• Nhận dạng chữ số viết tay (Zhu et al., 2003),
• Dịch máy (machine translation) (Haffari and Sarkar, 2009; Haffari et al.,
2009),
• Nhận dạng thực thể ghi tên (Shen et al., 2004; Laws and Schütze, 2008),
19



2.7 Kết luận
Trong chương này đã trình bày cơ sở lý thuyết của học tích cực. Giới
thiệu học tích cực là gì, phương pháp học tích cực, các kịch bản và các phương
pháp truy vấn.
Tóm lại, phương pháp học tích cực được tóm tắt lại như sau: Đầu tiên
chúng ta chọn một mô hình và độ tổn thất mô hình thích hợp với bài toán học.
Sau đó chúng ta cũng chọn một phương pháp cho việc tính độ tổn thất mô hình
tiềm năng đưa ra câu truy vấn tiềm năng. Với mỗi câu truy vấn chúng ta đánh
giá độ tổn thất tiềm năng và chúng ta lựa chọn để đưa ra câu truy vấn, câu truy
vấn này sẽ đưa ra được độ tổn thất mô hình tiềm năng thấp nhất.



20



CHƯƠNG III - MỘT SỐ THUẬT TOÁN HỌC TÍCH
CỰC
Chương này sẽ giới thiệu một số thuật toán học tích cực. Cụ thể sẽ đi vào giới
thiệu hai thuật toán phổ biến là perceptron và Active SVM.
3.1 Học tích cực dựa trên perceptron
3.1.1 Giới thiệu
Một trong những phương pháp tiếp cận ra đời sớm nhất cho vấn đề
phân lớp tuyến tính trong học máy là thuật toán Perceptron. Perceptron được
Rosenblatt đề xuất năm 1958 [17], chiếm một vị trí quan trọng trong lịch sử
của các thuật toán nhận dạng mẫu.Perceptron là một bộ phân lớp tuyến tính và
là một phần của học máy kể từ những năm 1958 và đã có nhiều phân tích lý
thuyết về nó. Phần này sẽ trình bày thuật toán học tích perceptron chuẩn và
thuật toán perceptron tích cực có cải tiến bước cập nhật do Dasgupta đề xuất
năm 2005 [32].
3.1.2 Thuật toán perceptron
Cho tập dữ liệu học 








với 



và 





là một số nguyên xác định 

là dữ liệu dương (+1) hay âm (-1).
Một tài liệu 

được gọi là dữ liệu dương nếu nó thuộc lớp 

; 

được gọi là
dữ liệu âm nếu nó không thuộc lớp 

. Bộ phân lớp tuyến tính được xác định
bằng siêu phẳng chia dữ liệu thành vào các lớp thuộc tính. Tập các giả thiết
như vậy ta có:












(3.1)
Trong đó 

và 

 là các hệ số có thể điều chỉnh đóng vai trò
là tham số của mô hình. Hàm phân lớp nhị phân h: R
m
→ {0,1}, có thể thu
được bằng cách xác định dấu của :
21




ế




ế





 
Như vậy việc học mô hình phân lớp chính là việc xác định siêu phẳng
từ dữ liệu. Với thuật toán này, mỗi dữ liệu được xem là một điểm trong mặt
phẳng. Dữ liệu học là tách rời tuyến tính (linearly separable) nếu tồn tại một
siêu phẳng sao cho hàm phân lớp phù hợp với tất cả các nhãn, tức là







 với mọi i = 1, ,n. Với giả thuyết này, Rosenblatt đã đưa ra một
thuật toán lặp đơn giản để xác định siêu phẳng:
Mục đích của thuật toán Perceptron là tìm ra được một siêu phẳng bằng
cách làm giảm thiểu đi khoảng cách của các điểm dữ liệu phân lớp nhầm
(misclassified) tới đường biên quyết định. Nó bắt đầu với việc dự đoán các
tham số ban đầu cho mặt phẳng phân cách, và sau đó khi có những sai lầm
xảy ra thì nó cập nhật lại việc dự đoán trước đó.
Perceptron
Khởi tạo các giả thiết ban đầuv
0
For t=0 to n do
Dự đoán: if 



then 





 else 






Bước lọc: quyết định hỏi nhãn y
t
của điểm x
t
Cập nhật:
If 







 then









Bước lọc phù hợp
else 




Hình 3.1 Thuật toán perceptron chuẩn [32]
22



Thuật toán chọn tập các giả thiết như là mô hình của thuật toán và lỗi
tổng quát của mỗi giả thiết làm độ tổn thất của mô hình. Với giả thiết  bất kỳ
thuộc R
d
sẽ có miền lỗi ξ







, u là vector
đơn vị. Do đó thuật toán sẽ lựa chọn các dữ liệu sao cho giảm miền lỗi của giả
thiết càng nhiều càng tốt.
Bước cập nhật
Rosenblatt [17] là người đầu tiên phân tích hoạt động hội tụ của bước
cập nhật perceptron, nó bao gồm qui tắc đơn giản sau đây:
if (x
t
, y
t
) bị phân lớp nhầm (misclassified), then 







.
Vì vậy, thay vì sử dụng một biến của nguyên tắc cập nhật, theo
Motzkin và Schoenberg [40] đã cải tiến bước cập nhật theo quy tắc sau:
if (x
t
, y
t
) bị phân lớp nhầm, then v
t+1
= v
t
−2(v
t
. x
t
)x
t

Giả sử x
t
đã chuẩn hóa theo đơn vị chiều dài. Lưu ý rằng bản cập nhật
cũng có thể viết như v
t+1
= v
t
+2y
t
|v
t
. x
t
| x
t
, chỉ khi bản cập nhật được thực
hiện trên những sai lầm, trong trường hợp này theo định nghĩa y
t
≠ SGN (v
t
.
x
t
). Vì vậy Motzkin và Schoenberg [40] đang chia mức độ các bản cập nhật
sau của perceptron chuẩn theo một thừa số 2|v
t
.x
t
| để tránh những dao động
gây ra bởi các điểm gần một nửa không gian đại diện bởi các giả thuyết hiện
thời. Motzkin và Schoenberg đã giới thiệu quy tắc này, trong bối cảnh giải
quyết các bất đẳng thức tuyến tính, và gọi nó là phương pháp "phản xạ"
(Reflexion). Sau đó, Hampson và Kibler [34] áp dụng nó để học tập bộ phân
tách tuyến tính, trong một khuôn khổ phân tích khác với chúng ta. Cùng một
quy tắc, nhưng không có tham số 2, đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu
trước đây [4] nghiên cứu về việc học các bộ phân lớp tuyến tính từ dữ liệu
nhiễu, trong một thiết lập khối. Hai ông có thể chỉ ra rằng công thức của họ có
sự thực hiện tổng quát trong một thiết lập giám sát (không tích cực).
Bước lọc
23



Với giới hạn mà thuật toán đã đưa ra, thì luật lọc tự nhiên là truy vấn
các điểm x
t
khi |v
t
. x
t
| nhỏ hơn ngưỡng s
t
. Sự lựa chọn s
t
là rất quan trọng.
Nếu nó là quá lớn, sau đó chỉ một phần nhỏ rất ít các điểm đã truy vấn sẽ thực
sự bị phân lớp sai - hầu như tất cả các nhãn sẽ bị lãng phí. Nói cách khác, nếu
s
t
quá bé, thì thời gian chờ đợi cho một truy vấn có thể khá cao, và khi một
bản cập nhật thực sự được thực hiện, thì độ lớn của nó có thể lại rất nhỏ.
Vì vậy, tác giả thiết lập ngưỡng cho phù hợp: tác giả bắt đầu với s
t

giá trị cao, và chia nó cho 2 cho đến khi đạt được mức mà có đủ bộ phân lớp
sai các điểm đã truy vấn. Áp dùng chiến lược này vào bản cập nhật Perceptron
đã chỉnh sửa, chúng ta nhận được một thuật toán học tích cực (hình 3.5) với
độ phức tạp nhãn 




), tạo ra 




) lỗi và có lỗi ≤ε.
3.1.3 Cải tiến bước cập nhật perceptron
Phần này mô tả một thuật toán Perceptron đã đượcc cải tiến. Không
giống như Perceptron chuẩn, thuật toán Perceptron cải tiến đảm bảo rằng v
t
.u
tăng nghĩa là lỗi của v
t
giảm đơn điệu. Một sự khác biệt nữa của bản cải tiến
chuẩn (so với các bản khác) là độ lớn của các giả thuyết hiện thời luôn luôn là
1. Điều này rất thuận lợi cho việc phân tích.

Perceptron cải tiến
chiều d và số lần cập nhật M






với dữ liệu đầu tiên







For t=1 to M:







là dữ liệu tiếp theo với 
















Hình 3.2 Thuật toán cải tiến percepron chuẩn

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×