Investigación: Aprendizaje Automático

Escrito en colaboración con Pedro Almagro Blanco y Diego Cabrera Mendieta.

El Aprendizaje Automático (Machine Learning, por su nombre en inglés, que está mucho más extendido) es la rama de la Inteligencia Artificial que tiene como objetivo desarrollar técnicas que permitan a las computadoras aprender. De forma más concreta, se trata de crear algortimos capaces de generalizar comportamientos y reconocer patrones a partir de una información suministrada en forma de ejemplos. 

Aunque tiene ya algunos años de antigüedad y ha cosechado grandes éxitos en el pasado, ha sido recientemente cuando ha sufrido una explosión en interés por parte de la comunidad científica debido, principalmente, a los buenos resultados que ha obtenido en los últimos años. No cabe duda que estos grandes resultados corresponden en gran medida a las intensivas labores de investigación, e inversión, de grandes empresas tecnológicas como Google, Apple, Microsoft, Facebook, Baidu, etc, pero por encima de esa gran inversión, se debe al trabajo continuado de un equipo de investigadores que, desde los organismos públicos, han realizado una investigación de carácter abierto y ajena a los requerimientos cortoplazistas del mercado.

En muchas ocasiones el campo de actuación del aprendizaje automático se solapa con el de Data Mining, ya que las dos disciplinas están enfocadas en el análisis de datos, sin embargo el aprendizaje automático se centra más en el estudio de la complejidad computacional de los problemas con la intención de hacerlos factibles desde el punto de vista práctico, no únicamente teórico, y a la extracción de conocimiento a partir del algoritmo, mientras que el Data Mining se basa más en una extracción de información a partir de los datos, donde el objetivo último está en los datos, no en el algoritmo.

A un nivel muy básico, podríamos decir que una de las tareas del AA es intentar extraer conocimiento sobre algunas propiedades no observadas de un objeto basándose en las propiedades que sí han sido observadas de ese mismo objeto (o incluso de propiedades observadas en otros objetos similares)... o, en palabras más llanas, predecir comportamiento futuro a partir de lo que ha ocurrido en el pasado. Un ejemplo de mucha actualidad sería, por ejemplo, el de predecir si un determinado producto le va a gustar a un cliente basándonos en las valoraciones que ese mismo cliente ha hecho de otros productos que sí ha probado.

En cualquier caso, como el tema del que estamos hablando está relacionado con el aprendizaje, lo primero que hemos de preguntarnos es ¿Qué entendemos por aprender? y, ya que queremos dar metodologías generales para producir un aprendizaje de forma automática, una vez que fijemos este concepto habremos de dar métodos para medir el grado de éxito/fracaso de un aprendizaje. En cualquier caso, ya que estamos trasladando un concepto intuitivo y que usamos normalmente en la vida diaria a un contexto computacional, ha de tenerse en cuenta que todas las definiciones que demos de aprendizaje desde un punto de vista computacional, así como las diversas formas de medirlo, estarán íntimamente relacionadas con contextos muy concretos y posiblemente lejos de lo que intuitivamente, y de forma general, entendemos por aprendizaje.

Una definición relativamente general de aprendizaje dentro del contexto humano podría ser la siguiente: proceso a través del cual se adquieren o modifican habilidades, destrezas, conocimientos, conductas o valores como resultado del estudio, la experiencia, la instrucción, el razonamiento y la observación. De esta definición es importante hacer notar que el aprendizaje debe producirse a partir de la experiencia con el entorno, no se considera aprendizaje toda aquella habilidad o conocimiento que sean innatos en el individuo o que se adquieran como resultado del crecimiento natural de éste. Siguiendo un esquema similar, en el AA vamos a considerar aprendizaje a aquello que la máquina pueda aprender a partir de la experiencia, no a partir del reconocimiento de patrones programados a priori. Por tanto, una tarea central de cómo aplicar esta definición al contexto de la computación va a consistir en alimentar la experiencia de la máquina por medio de objetos con los que entrenarse (ejemplos) para, posteriormente, aplicar los patrones que haya reconocido sobre otros objetos distintos (en un sistema de recomendación de productos, un ejemplo sería un par particular cliente/producto, junto con la información acerca de la valoración que aquel haya hecho de éste).

En realidad, y desde un punto de vista práctico, en el aprendizaje automático confluyen muchas otras áreas de investigación, no todas estrictamente contenidas en la Inteligencia Artificial, y que aportan, de una u otra forma, un contenido teórico robusto a la vez que herramientas y problemas sobre los que poner en valor los avances realizados. Teniendo en cuenta que cualquier rama del conocimiento humano es susceptible de ser objeto de este tipo de técnicas, no debe resultar extraño que las influencias internas y externas de esta activa área de la computación sean cada vez más numerosas.

Hay un gran número de problemas que caen dentro de lo que llamamos aprendizaje automático. La principal diferencia entre ellos estriba en el tipo de objetos que intentan predecir. Algunas clases habituales son:

• Regresión: Intentan predecir un valor real. Por ejemplo, predecir el valor de la bolsa mañana a partir del comportamiento de la bolsa que está almacenado (pasado). O predecir la nota de un alumno en el examen final basándose en las notas obtenidas en las diversas tareas realizadas durante el curso.
• Clasificación (binaria o multiclase): Intentan predecir la clasificación de objetos sobre un conjunto de clases prefijadas. Por ejemplo, clasificar si una determinada noticia es de deportes, entretenimiento, política, etc. Si solo se permiten 2 posibles clases, entonces se llama clasificación binaria; si se permiten más de 2 clases, estamos hablando de clasificación multiclase.
• Ranking: Intentar predecir el orden óptimo de un conjunto de objetos según un orden de relevancia predefinido. Por ejemplo, el orden en que un buscador devuelve recursos de internet como respuesta a una búsqueda de un usuario.

Normalmente, cuando se aborda un nuevo problema de AA lo primero que se hace es emarcarlo dentro de alguna de las clases anteriores, ya que dependiendo de cómo se clasifique será la forma en que podemos medir el error cometido entre la predicción y la realidad. En consecuencia, el problema de medir cómo de acertado es el aprendizaje obtenido deberá ser tratado para cada caso particular de metodología aplicada, aunque en general podemos adelantar que necesitaremos "embeber" la representación del problema en un espacio en el que tengamos definida una medida.

Por otra parte, y dependiendo del tipo de salida que se produzca y de cómo se aborde el tratamiento de los ejemplos, los diferentes algoritmos de aprendizaje se pueden agrupar en tres grandes bloques (en todo caso, no es extraño encontrar otros bloques adicionales que muestran ligeras diferencias con estos tres principales, como el semisupervisado, transducción, etc.):

• Aprendizaje supervisado: se genera una función que establece una correspondencia entre las entradas y las salidas deseadas del sistema, donde la base de conocimientos del sistema está formada por ejemplos etiquetados a priori (es decir, ejemplos de los que sabemos su clasificación correcta). Un ejemplo de este tipo de algoritmo es el problema de clasificación al que hemos hecho mención anteriormente.
• Aprendizaje no supervisado: donde el proceso de modelado se lleva a cabo sobre un conjunto de ejemplos formados únicamente por entradas al sistema, sin conocer su clasificación correcta. Por lo que se busca que el sistema sea capaz de reconocer patrones para poder etiquetar las nuevas entradas.
• Aprendizaje por refuerzo: en este caso el algoritmo aprende observando el mundo que le rodea y con un continuo flujo de información en las dos direcciones (del mundo a la máquina, y de la máquina al mundo) realizando un proceso de ensayo-error, y reforzando aquellas acciones que reciben una respuesta positiva en el mundo.