Aprendizaje automático (Machine Learning)

La inteligencia artificial incluye el concepto del Aprendizaje automático (o Machine Learning) así como sus aplicaciones. El crecimiento exponencial de las alternativas tecnológicas no impulsa, sino que obliga a las empresas a ponerse al día. Es por esta razón que parece fundamental conocer todas las aplicaciones prácticas que se han incorporado en la actualidad.

Definición

El machine learning es una disciplina del campo de la Inteligencia Artificial que, a través de algoritmos, dota a los ordenadores de la capacidad de identificar patrones en datos masivos para hacer predicciones. Este aprendizaje permite a los computadores realizar tareas específicas de forma autónoma. Es decir, sin necesidad de ser programados.

El término se utilizó por primera vez en 1959. Sin embargo, ha ganado relevancia en los últimos años debido al aumento de la capacidad de computación y al boom de los datos. Las técnicas de aprendizaje automático son, de hecho, una parte fundamental del big data.

Debido a nuevas tecnologías de cómputo, hoy día el machine learning no es como el del pasado. Nació del reconocimiento de patrones y de la teoría que dice que las computadoras pueden aprender sin ser programadas para realizar tareas específicas. Investigadores interesados en la inteligencia artificial deseaban saber si las computadoras podían aprender de datos.

El aspecto iterativo del machine learning es importante porque a medida que los modelos son expuestos a nuevos datos, estos pueden adaptarse de forma independiente. Aprenden de cálculos previos para producir decisiones y resultados confiables y repetibles. Es una ciencia que no es nueva, pero que ha cobrado un nuevo impulso.

Ejemplos contemporáneos

Aunque muchos algoritmos de aprendizaje basado en máquina han existido por largo tiempo, la posibilidad de aplicar automáticamente cálculos matemáticos complejos al big data es un logro reciente. Estos son algunos ejemplos ampliamente publicados de aplicaciones de machine learning con los que quizá muchas personas estén familiarizadas:

El automóvil de conducción autónoma de Google tan publicitado: la esencia del machine learning.
Ofertas de recomendación en línea como las de Amazon y Netflix: aplicaciones de machine learning para la vida diaria.
Saber lo que los clientes dicen acerca de usted en Twitter: machine learning combinado con creación de reglas lingüísticas.
Detección de fraudes: uno de los usos más obvios e importantes actualmente en el mundo.

¿Por qué es importante?

El resurgimiento del interés en el aprendizaje basado en máquina se debe a los mismos factores que han hecho la minería de datos y el análisis bayesiano más populares que nunca. Cosas como los volúmenes y variedades crecientes de datos disponibles, procesamiento computacional más económico y poderoso y almacenaje de datos asequible.

Todas estas cosas significan que es posible producir modelos de manera rápida y automática. Pueden analizar datos más grandes y complejos. También producir resultados más rápidos y precisos, incluso en una escala muy grande. Con la construcción de modelos precisos, una organización tiene una mejor oportunidad de identificar oportunidades rentables o de evitar riesgos desconocidos.

¿Quién lo utiliza?

Servicios financieros. Los bancos y otras empresas de la industria financiera utilizan la tecnología del aprendizaje basado en máquina para dos fines principales: identificar insights importantes en los datos y prevenir el fraude. Los insights pueden identificar oportunidades de inversión o bien ayudar a los inversionistas a saber cuándo vender o comprar. La minería de datos también puede identificar clientes con perfiles de alto riesgo o bien utilizar la cíber vigilancia para detectar signos de advertencia de fraude.
Gobierno. Dependencias de gobierno como seguridad pública y los servicios públicos tienen una necesidad particular del machine learning porque tienen múltiples fuentes de datos de las que se pueden extraer insights. Por ejemplo, el análisis de datos de sensores identifica formas de incrementar la eficiencia y ahorrar dinero. Asimismo, el aprendizaje basado en máquina puede ayudar a detectar fraude y minimizar el robo de identidad.
Atención a la salud. El machine learning es una tendencia en rápido crecimiento en la industria de atención a la salud. Esto gracias a la aparición de dispositivos y sensores de vestir que pueden usar datos para evaluar la salud de un paciente en tiempo real. Asimismo, la tecnología puede ayudar a expertos médicos a analizar datos para identificar tendencias o banderas rojas que puedan llevar a diagnósticos y tratamientos mejorados.
Marketing y ventas. Los sitios web que le recomiendan artículos que podrían gustarle con base en compras anteriores, utilizan el machine learning para analizar su historial de compras y promocionar otros artículos que podrían interesarle. Esta capacidad de capturar datos, analizarlos y usarlos para personalizar una experiencia de compra (o implementar una campaña de marketing) es el futuro del comercio detallista.

Aplicaciones prácticas

El machine learning es uno de los pilares sobre los que descansa la transformación digital. En la actualidad, ya se está utilizando para encontrar nuevas soluciones en diferentes campos, entre los que cabe destacar:

Recomendaciones: permite hacer sugerencias personalizadas de compra en plataformas online o recomendar canciones. En su forma más básica analiza el historial de compras y reproducciones del usuario. Después lo compara con lo que han hecho otros usuarios con tendencias o gastos parecidos.
Vehículos inteligentes: según el informe Automotive 2025: industry without borders de IBM, en 2025 se verán coches inteligentes en las carreteras. Gracias al aprendizaje automático, estos vehículos podrán ajustar la configuración interna (temperatura, música, inclinación del respaldo, etc) de acuerdo con las preferencias del conductor. Incluso mover el volante solos para reaccionar al entorno.
Redes sociales: Twitter, por ejemplo, se sirve de algoritmos de machine learning para reducir en gran medida el spam publicado en esta red social. Facebook, a su vez, lo utiliza para detectar tanto noticias falsas como contenidos no permitidos en retransmisiones en directo que bloquea automáticamente.
Procesamiento de lenguaje natural (PLN): a través de la comprensión del lenguaje humano, asistentes virtuales como Alexa o Siri pueden traducir instantáneamente de un idioma a otro, reconocer la voz del usuario e incluso analizar sus sentimientos. Por otro lado, el PLN también se utiliza para otras tareas complejas como traducir la jerga legal de los contratos a un lenguaje sencillo o ayudar a los abogados a ordenar grandes volúmenes de información relativos a un caso.
Búsquedas: los motores de búsqueda se sirven del aprendizaje automático para optimizar sus resultados en función de su eficacia, midiendo la misma a través de los clics del usuario.
Medicina: investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) ya utilizan el machine learning para detectar con mayor antelación el cáncer de mama. Es algo de vital importancia ya que su detección temprana aumenta las probabilidades de curación. Asimismo, también se utiliza con una alta eficacia para detectar neumonía y enfermedades de la retina que pueden provocar ceguera.
Ciberseguridad: los nuevos antivirus y motores de detección de malware ya se sirven del aprendizaje automático para potenciar el escaneado, acelerar la detección y mejorar la habilidad de reconocer anomalías.

Categorías

Los algoritmos de machine learning se dividen en tres categorías, siendo las dos primeras las más comunes:

Aprendizaje supervisado: estos algoritmos cuentan con un aprendizaje previo basado en un sistema de etiquetas asociadas a unos datos que les permiten tomar decisiones o hacer predicciones. Un ejemplo es un detector de spam que etiqueta un e-mail como spam o no, dependiendo de los patrones que ha aprendido del histórico de correos (remitente, relación texto/imágenes, palabras clave en el asunto, etc).
Aprendizaje no supervisado: estos algoritmos no cuentan con un conocimiento previo. Se enfrentan al caos de datos con el objetivo de encontrar patrones que permitan organizarlos de alguna manera. Por ejemplo, en el campo del marketing se utilizan para extraer patrones de datos masivos provenientes de las redes sociales y crear campañas de publicidad altamente segmentadas.
Aprendizaje por refuerzo: su objetivo es que un algoritmo aprenda a partir de la propia experiencia. Esto es, que sea capaz de tomar la mejor decisión ante diferentes situaciones de acuerdo con un proceso de prueba y error en el que se recompensan las decisiones correctas. En la actualidad se está utilizando para posibilitar el reconocimiento facial, hacer diagnósticos médicos o clasificar secuencias de ADN.

Otros algoritmos

Supervisados de predicción de variable continua: predicción del precio de las casas, ventas por una empresa para comprobar nivel de stocks, entender mejor a los usuarios a través de los datos recolectados de tráfico, entender mejor las enfermedades a través de los expedientes médicos.
Supervisados de predicción de variable discreta: por cada cliente de un banco. Se trata de saber si tiene riesgo de ser moroso o no. Riesgo de fuga o no. Tumor benigno o no, en función de la edad del paciente y el tamaño del tumor.
No supervisados – clustering: un analista de negocios desea clasificar 22 empresas de manufactura pequeñas y medianas en grupos significativos para futuros análisis. El analista recoge datos sobre el número de clientes, la tasa de retorno, las ventas y los años que las empresas han estado en el negocio. Para iniciar el proceso de clasificación, el analista divide a las empresas en tres grupos iniciales: establecidas, crecimiento medio y recientes.
Diferencia entre un problema de clasificación y un problema de clustering: un problema de clasificación se asemeja a un problema de análisis de clúster en el hecho de que existen grupos, pero se diferencia en que en este caso concreto se sabe cuántos grupos hay y se conoce a qué grupo pertenece cada dato para un conjunto de datos etiquetado.

Tipos de algoritmos

Supervisado

Árboles de decisión: un árbol de decisiones es una herramienta de apoyo a la decisión que utiliza un gráfico o un modelo similar a un árbol de decisiones y sus posibles consecuencias. Están incluidos los resultados de eventos fortuitos, los costos de recursos y la utilidad.
Naïve bayes clasification: los clasificadores Naïve Bayes son una familia de simples clasificadores probabilísticos basado en la aplicación de bayes (teorema con fuertes (Naïve) supuestos de independencia entre las características). La imagen destacada es la ecuación con P (A | B) es probabilidad posterior, P (B | A) es probabilidad, P (A) es probabilidad previa de clase y P (B) predictor probabilidad previa.
Ordinary least squares regression: si se ha estado en contacto con la estadística, probablemente se haya oído hablar de regresión lineal antes. Ordinary least squares regression es un método para realizar la regresión lineal. Se puede pensar en la regresión lineal como la tarea de ajustar una línea recta a través de un conjunto de puntos. Hay varias estrategias posibles para hacer esto y la estrategia de “mínimos cuadrados ordinarios” va así: se puede dibujar una línea. Luego, para cada uno de los puntos de datos, medir la distancia vertical entre el punto y la línea y sumarlos. La línea ajustada sería aquella en la que esta suma de distancias sea lo más pequeña posible.
Logistic regression: la regresión logística es una poderosa manera estadística de modelar un resultado binomial con una o más variables explicativas. Mide la relación entre la variable dependiente categórica y una o más variables independientes estimando las probabilidades y utilizando una función logística,. Esta es la distribución logística acumulativa.
Support vector machines: SVM es un algoritmo de clasificación binario. Dado un conjunto de puntos de 2 tipos en el lugar N dimensional, SVM genera un hiperlano (N-1) dimensional para separar esos puntos en dos grupos. Suponga que tiene algunos puntos de dos tipos en un papel que son linealmente separables. SVM encontrará una línea recta que separa esos puntos en dos tipos y situados lo más lejos posible de todos esos puntos.
Métodos ensemble: los métodos ensemble son algoritmos de aprendizaje que construyen un conjunto de clasificadores. Luego, clasifican nuevos puntos de datos tomando un voto ponderado de sus predicciones. El método de conjunto original es bayesiano promediando, pero los algoritmos más recientes incluyen error de corrección de salida de codificación.

No supervisado

Algoritmos clustering: clustering es la tarea de agrupar un conjunto de objetos tales que los objetos en el mismo grupo (clúster) son más similares entre sí que a los de otros grupos.
Análisis de componentes principales: PCA es un procedimiento estadístico que usa una transformación ortogonal para convertir un conjunto de observaciones de variables posiblemente correlacionadas en un conjunto de valores de variables linealmente no correlacionadas llamadas componentes principales.
Singular value decomposition: en el álgebra lineal, SVD es una factorización de una matriz compleja real. Para una matriz M * n dada, existe una descomposición tal que M = UΣV, donde U y V son matrices unitarias y Σ es una matriz diagonal.
Análisis de componentes independientes: ICA es una técnica estadística para revelar los factores ocultos que subyacen a conjuntos de variables, mediciones o señales aleatorias. ICA define un modelo generativo para los datos multivariados observados. Suele dar como una gran base de datos de muestras.

Inteligencia artificial

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