Unüberwachtes Lernen

Unüberwachtes Lernen, auch bekannt als unsupervised machine learning, ist eine Methode des maschinellen Lernens (ML), bei der Algorithmen auf Datensätzen ohne gelabelte Antworten trainiert werden. Im Gegensatz zum überwachten Lernen, bei dem das Modell mit Eingabedaten und den zugehörigen Ausgabebezeichnungen trainiert wird, versucht das unüberwachte Lernen, Muster und Zusammenhänge in den Daten zu identifizieren, ohne vorab zu wissen, wie diese Muster aussehen sollten.

Zentrale Eigenschaften des unüberwachten Lernens

• Keine gelabelten Daten: Die für das Training genutzten Daten sind nicht gelabelt, das heißt, die Eingabedaten haben keine vordefinierten Labels oder Kategorien.
• Musterdetektion: Das Hauptziel besteht darin, verborgene Muster, Gruppierungen oder Strukturen in den Daten aufzudecken.
• Explorative Analyse: Es wird häufig zur explorativen Datenanalyse eingesetzt, um Muster zu erkennen, Anomalien zu entdecken und die Datenqualität mit visuellen Techniken und Tools zu verbessern. Das Ziel ist, die zugrunde liegende Struktur der Daten zu verstehen.

Typische Anwendungsgebiete

Unüberwachtes Lernen wird in verschiedensten Anwendungen eingesetzt, wie zum Beispiel:

• Kundensegmentierung: Kunden werden anhand ihres Kaufverhaltens oder ihrer demografischen Merkmale gruppiert, um Marketingmaßnahmen gezielter auszurichten.
• Bilderkennung: Objekte innerhalb von Bildern werden identifiziert und kategorisiert, ohne dass vordefinierte Labels vorliegen.
• Anomalieerkennung: Ungewöhnliche Muster oder Ausreißer in den Daten werden erkannt – nützlich zum Beispiel bei der Betrugserkennung oder vorausschauender Wartung.
• Warenkorbanalyse: Es werden Zusammenhänge zwischen gemeinsam gekauften Produkten gefunden, um Bestände zu optimieren und Cross-Selling zu fördern.

Wichtige Methoden im unüberwachten Lernen

Clustering

Clustering ist eine Technik, bei der ähnliche Datenpunkte zu Gruppen zusammengefasst werden. Gängige Cluster-Algorithmen sind:

• K-Means Clustering: Unterteilt Daten in K verschiedene Cluster basierend auf dem Abstand der Datenpunkte zu den Schwerpunkten (Zentroiden) der Cluster.
• Hierarchisches Clustering: Erstellt eine Hierarchie von Clustern, indem entweder kleinere Cluster schrittweise zusammengeführt (agglomerativ) oder größere Cluster aufgeteilt werden (divisiv).

Assoziation

Assoziationsalgorithmen erkennen Regeln, die große Teile der Daten beschreiben. Ein bekanntes Beispiel ist die Warenkorbanalyse, bei der Zusammenhänge zwischen gemeinsam gekauften Produkten gesucht werden.

Dimensionsreduktion

Mit Dimensionsreduktion wird die Anzahl der betrachteten Variablen reduziert. Beispiele dafür sind:

• Hauptkomponentenanalyse (PCA): Transformiert Daten in ein System orthogonaler Komponenten, die die größte Varianz abdecken.
• Autoencoder: Neuronale Netze, die effiziente Codierungen von Eingabedaten lernen und beispielsweise zur Merkmalsextraktion eingesetzt werden.

Wie funktioniert unüberwachtes Lernen?

Unüberwachtes Lernen umfasst folgende Schritte:

1. Datensammlung: Eine große, meist unstrukturierte Datenmenge wird gesammelt, etwa Text, Bilder oder Transaktionsdaten.
2. Vorverarbeitung: Die Daten werden bereinigt und normalisiert, um für die Analyse geeignet zu sein.
3. Algorithmusauswahl: Abhängig von Anwendung und Datentyp wird ein passender Algorithmus des unüberwachten Lernens gewählt.
4. Modelltraining: Das Modell wird auf dem Datensatz ohne gelabelte Ausgaben trainiert.
5. Musterdetektion: Die Ergebnisse des Modells werden analysiert, um Muster, Cluster oder Zusammenhänge zu identifizieren.

Vorteile und Herausforderungen

Vorteile

• Keine gelabelten Daten notwendig: Reduziert den Aufwand und die Kosten für die Datenlabelung.
• Explorative Analyse: Ermöglicht wertvolle Einblicke in die Daten und das Entdecken unbekannter Muster.

Herausforderungen

• Interpretierbarkeit: Die Ergebnisse unüberwachter Modelle sind mitunter schwer nachvollziehbar.
• Skalierbarkeit: Manche Algorithmen stoßen bei sehr großen Datenmengen an ihre Grenzen.
• Bewertung: Ohne gelabelte Daten ist es schwierig, die Modellgüte exakt zu beurteilen.