Μηχανική μάθηση

Μηχανική μάθηση είναι υποπεδίο της επιστήμης των υπολογιστών, που αναπτύχθηκε από τη μελέτη της αναγνώρισης προτύπων και της  υπολογιστικής θεωρίας μάθησης στην τεχνητή νοημοσύνη. Το 1959, ο  Άρθουρ Σάμουελ ορίζει τη μηχανική μάθηση ως "Πεδίο μελέτης που δίνει στους υπολογιστές την ικανότητα να μαθαίνουν, χωρίς να έχουν ρητά προγραμματιστεί". Η μηχανική μάθηση διερευνά τη μελέτη και την κατασκευή αλγορίθμων που μπορούν να μαθαίνουν από τα δεδομένα και να κάνουν προβλέψεις σχετικά με αυτά. Τέτοιοι  αλγόριθμοι λειτουργούν κατασκευάζοντας μοντέλα από πειραματικά δεδομένα, προκειμένου να κάνουν προβλέψεις βασιζόμενες στα δεδομένα ή να εξάγουν αποφάσεις που εκφράζονται ως το αποτέλεσμα.:2 

Η μηχανική  μάθηση είναι στενά συνδεδεμένη και συχνά συγχέεται με υπολογιστική στατιστική, ένας κλάδος, που επίσης επικεντρώνεται στην πρόβλεψη μέσω της χρήσης των υπολογιστών. Έχει ισχυρούς δεσμούς με την  μαθηματική βελτιστοποίηση, η οποία παρέχει μεθόδους, τη θεωρία και τομείς εφαρμογής. Η Μηχανική μάθηση εφαρμόζεται σε μια σειρά από υπολογιστικές εργασίες, όπου τόσο ο σχεδιασμός όσο και ο ρητός προγραμματισμός των αλγορίθμων είναι ανέφικτος. Παραδείγματα εφαρμογών αποτελούν  τα φίλτρα spam (spam filtering), η οπτική αναγνώριση χαρακτήρων (OCR),οι  μηχανές αναζήτησης και η υπολογιστική όραση. Η Μηχανική μάθηση  μερικές φορές συγχέεται με την εξόρυξη δεδομένων, όπου η τελευταία επικεντρώνεται περισσότερο στην εξερευνητική ανάλυση των δεδομένων, γνωστή και ως μη επιτηρούμενη μάθηση.:vii

Στο πεδίο της ανάλυσης δεδομένων, η μηχανική μάθηση είναι μια μέθοδος που χρησιμοποιείται για την επινόηση πολύπλοκων μοντέλων και αλγορίθμων που οδηγούν στην πρόβλεψη. Τα αναλυτικά μοντέλα επιτρέπουν στους ερευνητές, τους επιστήμονες δεδομένων, τους μηχανικούς και τους αναλυτές να παράγουν αξιόπιστες αποφάσεις και αποτελέσματα και να αναδείξουν αλληλοσυσχετίσεις μέσω της μάθησης από ιστορικές σχέσεις και τάσεις στα δεδομένα.

Ορισμός 
Ο Tom M. Mitchell πρότεινε έναν πιο επίσημο ορισμό που χρησιμοποιείται ευρέως: «Ένα πρόγραμμα υπολογιστή λέγεται ότι μαθαίνει από εμπειρία E ως προς μια κλάση εργασιών T και ένα μέτρο επίδοσης P, αν η επίδοσή του σε εργασίες της κλάσης Τ, όπως αποτιμάται από το μέτρο Ρ, βελτιώνεται με την εμπειρία Ε». Αυτός ο ορισμός είναι σημαντικός για τον καθορισμό της μηχανικής μάθησης σε βασικό λειτουργικό πλαίσιο παρά με γνωστικούς όρους, ακολουθώντας έτσι την πρόταση του Alan Turing στην εργασία του «Υπολογιστικές μηχανές και Νοημοσύνη», ότι το ερώτημα αν μπορούν οι μηχανές να σκεφτούν, μπορεί να αντικατασταθεί με το ερώτημα αν μπορούν οι μηχανές να κάνουν αυτό που εμείς (ως σκεπτόμενες οντότητες) μπορούμε να κάνουμε.

Τύποι προβλημάτων και εργασιών 
Οι εργασίες μηχανικής μάθησης συνήθως ταξινομούνται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες, ανάλογα με τη φύση του εκπαιδευτικού «σήματος» ή την «ανατροφοδότηση» που είναι διαθέσιμα σε ένα σύστημα εκμάθησης. Αυτές είναι:
 Επιτηρούμενη μάθηση (αλλιώς επιβλεπόμενη μάθηση ή μάθηση με επίβλεψη) (supervised learning): Το υπολογιστικό πρόγραμμα δέχεται τις παραδειγματικές εισόδους καθώς και τα επιθυμητά αποτελέσματα από έναν «δάσκαλο», και ο στόχος είναι να μάθει έναν γενικό κανόνα προκειμένου να αντιστοιχίσει τις εισόδους με τα αποτελέσματα.
 Μη επιτηρούμενη μάθηση (αλλιώς μη επιβλεπόμενη μάθηση ή μάθηση χωρίς επίβλεψη (unsupervised learning): Χωρίς να παρέχεται κάποια εμπειρία στον αλγόριθμο μάθησης, πρέπει να βρεί την δομή των δεδομένων εισόδου. Η μη επιτηρούμενη μάθηση μπορεί να είναι αυτοσκοπός (ανακαλύπτοντας κρυμμένα μοτίβα σε δεδομένα) ή μέσο για ένα τέλος (χαρακτηριστικό της μάθησης).
 Ενισχυτική μάθηση: Ένα πρόγραμμα υπολογιστή αλληλεπιδρά με ένα δυναμικό περιβάλλον στο οποίο πρέπει να επιτευχθεί ένας συγκεκριμένος στόχος (όπως η οδήγηση ενός οχήματος), χωρίς κάποιος δάσκαλος να του λέει ρητά αν έχει φτάσει κοντά στο στόχο του. Ένα άλλο παράδειγμα είναι να μάθει να παίζει ένα παιχνίδι εναντίον κάποιου αντιπάλου.:3
Μεταξύ της  επιτηρούμενης και της μη επιτηρούμενης μάθησης είναι η ημι-επιτηρούμενη μάθηση, όπου ο δάσκαλος δίνει ένα ελλειπές εκπαιδευτικό σήμα: ένα σύνολο εκπαίδευσης με κάποια (συχνά πολλά) από τα αποτελέσματα στόχους να λείπουν. Η Μεταγωγή είναι μια ειδική περίπτωση της αρχής αυτής, όπου το σύνολο των καταστάσεων του προβλήματος είναι γνωστό κατά το χρόνο εκμάθησης, όμως ένα μέρος των στόχων λείπουν.

Μεταξύ άλλων κατηγοριών μηχανικής μάθησης, υπάρχει ακόμα διαδικασία εκμάθησης (meta learning) που μαθαίνει στην μηχανή (να αναπτύσσει) τις δικές της επαγωγικές μεθόδους, βασιζόμενο στην προηγούμενη εμπειρία. Η Αναπτυξιακή μάθηση (Developmental robotics), η οποία έχει ανπτυχθεί για την εκμάθηση από ρομπότ, δημιουργεί τη δική της ακολουθία μαθησιακών καταστάσεων, ώστε το ρομποτ συσσωρευτικά  αποκτά ποικιλία δεξιοτήτων μέσω της αυτόνομης αυτοεξερεύνησης και της κοινωνικής αλληλεπίδρασης με ανθρώπους εκπαιδευτές και χρησιμοποιώντας μηχανισμούς καθοδήγησης, όπως η ενεργητική μάθηση, η ωρίμανση και η μίμηση.

Μια άλλη κατηγοριοποίηση των προβλημάτων μηχανικής μάθησης προκύπτει όταν κάποιος θεωρήσει το επιθυμητό αποτέλεσμα τουσύστηματος μηχανικής μάθησης.::3
 Στην ταξινόμηση, τα δεδομένα εισόδου χωρίζονται σε δύο ή περισσότερες κλάσεις, και η μηχανή πρέπει να κατασκευάσει ένα μοντέλο, το οποίο θα αντιστοιχίζει τα δεδομένα  σε μία ή περισσότερες (multi-label ταξινόμηση) κλάσεις. Αυτό συνήθως εμπίπτει στην επιτηρούμενη μάθηση. Τα φίλτρα Spam  είναι ένα παράδειγμα  ταξινόμησης, όπου οι είσοδοι είναι τα emails ή άλλα μηνύματα και οι κλάσεις είναι "spam" και "όχι spam".
 Στην παλινδρόμηση, επίσης πρόβλημα επιτηρούμενης μάθησης, τα αποτελέσματα είναι συνεχή και όχι διακριτά.
 Στην συσταδοποίηση, ένα σύνολο εισόδων πρόκειται να χωριστεί σε ομάδες. Σε αντίθεση με την ταξινόμηση, οι ομάδες δεν είναι γνωστές εκ των προτέρων, καθιστώντας αυτόν τον διαχωρισμό τυπική εργασία μη επιτηρούμενης μάθησης.
 Στην εκτίμηση πυκνότητας βρίσκει την κατανομή των δεδομένων εισόδου σε κάποιο χώρο.
 Σε προβλήματα μείωσης διαστασιμότητας (dimensionality reduction), τα δεδομένα απλοποιούνται και αντιστοιχίζονται σε ένα  χώρο λιγότερων διαστάσεων. Το στατιστικό μοντέλο θεμάτων (Topic modeling) είναι ένα σχετικό πρόβλημα, όπου η μηχανή καλείται να βρει έγγραφα που καλύπτουν παρόμοια θέματα από ένα σύνολο εγγράφων γραμμένων σε φυσική γλώσσα.

Ιστορία και σχέσεις με άλλους τομείς 
Ως επιστημονικό εγχείρημα, η μηχανική μάθηση  αναπτύχθηκε από την αναζήτηση για την τεχνητή νοημοσύνη. Ήδη από την πρώιμη περίοδο της έρευνας στον τομέα της τεχνητής νοημοσύνης σε ακαδημαϊκό επίπεδο, το ζήτημα της κατασκευής μηχανών που θα μάθαιναν από δεδομένα απασχόλησε τους ερευνητές. Προσπάθησαν να προσεγγίσουν το πρόβλημα με διάφορες συμβολικές μεθόδους, καθώς και με τα λεγόμενα νευρωνικά δίκτυα.Αυτά ήταν ως επί το πλείστον perceptrons και μοντέλα, που όπως διαπιστώθηκε αργότερα ήταν επανεφευρέσεις των γενικευμένων γραμμικών μοντέλων της στατιστικής. Επίσης χρησιμοποιήθηκε η πιθανοθεωρητική λογική, ιδιαίτερα στην αυτοματοποιημένη ιατρική διάγνωση.:488

Ωστόσο, μια αυξανόμενη έμφαση σε προσεγγίσεις που βασίζονται στην λογική γνώση προκάλεσε ένα ρήγμα μεταξύ Τεχνητής Νοημοσύνης και μηχανικής μάθησης. Τα πιθανοθεωρητικά συστήματα μαστίζονταν από θεωρητικά και πρακτικά προβλήματα απόκτησης δεδομένων και αναπαράστασής τους.:488 Από το 1980, έμπειρα συστήματα επικράτησαν στο πεδίο της Τεχνητής Νοημοσύνης, και ο ρόλος της στατιστικής υποχώρησε. Η εργασία σε συμβολική/βασισμένη σε γνώση εκμάθηση συνεχίστηκε εντός της ΤΝ, οδηγώντας στον επαγωγικό λογικό προγραμματισμό, αλλά οι κατευθηντήριες γραμμές της στατιστικής ήταν τώρα έξω από το χώρο της τεχνητής νοημοσύνης, στην αναγνώριση προτύπων  και στην ανάκτηση πληροφοριών.:708-710; 755 Η έρευνα για νευρωνικά δίκτυα εγκαταλήφθηκε από την ΤΝ και την Επιστήμη Υπολογιστών τον ίδιο περίπου καιρό. Η ίδια επίσης κατεύθυνση ακολουθήθηκε πέρα από την ΤΝ και την πληροφορική, από  ερευνητές άλλων ειδικοτήτων, συμπεριλαμβανομένων των Hopfield, Rumelhart και Hinton. Η επιτυχία ήρθε στα μέσα της δεκαετίας του 1980 με την επανεφεύρεση της μεθόδου ανάστροφης μετάδοσης (backpropagation).:25

Η Μηχανική μάθηση, αναδιοργανώθηκε ως ένα ξεχωριστό πεδίο, που άρχισε να ακμάζει κατά τη δεκαετία του 1990. Η προσοχή μετατοπίστηκε από τις συμβολικές προσεγγίσεις που κληρονόμησε από την Τεχνητή Νοημοσύνη, που στόχο είχαν την αντιμετώπιση επιλύσιμων προβλημάτων πρακτικής φύσης, και δόθηκε έμφαση σε μεθόδους και μοντέλα της στατιστικής και της θεωρίας πιθανοτήτων. Επίσης επωφελήθηκε από την διαθεσιμότητα ψηφιοποιημένων πληροφοριών και της δυνατότητας να διανεμηθούν μέσω του Διαδικτύου.

Η Μηχανική μάθηση και η εξόρυξη δεδομένων συχνά χρησιμοποιούν τις ίδιες μεθόδους και επικαλύπτονται σημαντικά. Μπορούν να διακριθούν ως εξής:
 Η μηχανική μάθηση εστιάζει στην πρόβλεψη, που βασίζεται σε γνωστές ιδιότητες που απορρέουν από το σύνολο εκπαίδευσης.
 Η εξόρυξη δεδομένων εστιάζει στην ανακάλυψη ιδιοτήτων μη γνωστών εκ των προτέρων. Αυτό είναι το βήμα ανάλυσης στην Ανακάλυψη Γνώσης από βάσεις δεδομένων

Οι δύο τομείς επικαλύπτονται με πολλούς τρόπους. Η εξόρυξη δεδομένων χρησιμοποιεί πολλές μεθόδους μηχανικής μάθησης, αλλά συχνά με διαφορετικούς στόχους. Από την άλλη πλευρά και η μηχανική μάθηση χρησιμοποιεί μεθόδους εξόρυξης δεδομένων, όπως η μη επιτηρούμενη μάθηση, ή στο στάδιο προεπεξεργασίας για να βελτιώνει την ακρίβεια της μάθησης. Ένα μεγάλο μέρος της σύγχυσης μεταξύ των δύο ερευνητικών τομέων (που συχνά έχουν ξεχωριστά συνέδρια και περιοδικά, με το ECML PKDD να αποτελεί σημαντική εξαίρεση) προκύπτει από τις βασικές υποθέσεις πάνω στις οποίες και οι δύο δουλεύουν. Όμως, στην μηχανική μάθηση η απόδοση συνήθως αξιολογείται ως προς την ικανότητα αναπαραγωγής γνώσης, την οποία ήδη κατέχουμε, ενώ στην ανακάλυψη γνώσης και την εξόρυξη δεδομένων το κλειδί είναι η ανακάλυψη γνώσης που δεν προκατέχουμε. Στην πρώτη περίπτωση μια μέθοδος επιτηρούμενης μάθησης μπορεί να έχει καλύτερα αποτελέσματα, ενώ σε μία τυπική διεργασία Ανακάλυψης Γνώσης και Εξόρυξης δεδομένων οι επιτηρούμενες μέθοδοι μάθησης δεν λειτουργούν εξαιτίας της μη διαθεσιμότητας συνόλου εκπαίδευσης

Η μηχανική μάθηση συνδέεται επίσης με την βελτιστοποίηση: πολλά προβλήματα μάθησης διατυπώνονται ως η ελαχιστοποίηση της συνάρτησης απώλειας από ένα σύνολο δεδομένων εκπαίδευσης. Η συνάρτηση απώλειας εκφράζει τη διαφορά μεταξύ των προβλέψεων του εκπαιδευμένου μοντέλου και των πραγματικών καταστάσεων του προβλήματος.Η διαφορά των δύο τομέων απορέει από τον στόχο της γενίκευσης: ενώ οι αλγόριθμοι βελτιστοποίησης μπορούν να ελαχιστοποιήσουν την απώλεια ενός συνόλου εκπαίδευσης, η μηχανική μάθηση εστιάζει στην ελαχιστοποίηση της απώλειας σε άγνωστες καταστάσεις.

Σχέση με την στατιστική 
Η μηχανική μάθηση και η στατιστική είναι δύο στενά συνδεδεμένοι επιστημονικοί τομείς. Σύμφωνα με τον Michael I. Jordan, οι ιδέες της μηχανικής μάθησης, από τις μεθοδολογικές αρχές μέχρι τα θεωρητικά εργαλεία, προϋπάρχουν στην στατιστική. Ο ίδιος επίσης πρότεινε τον όρο Επιστήμη Δεδομένων για το συνολικό πεδίο

Ο Leo Breiman διέκρινε δύο υποδείγματα στατιστικής μοντελοποίησης: το μοντέλο δεδομένων και το αλγοριθμικό μοντέλο. Το αλγοριθμικό μοντέλο ταυτίζεται σχεδόν με αλγορίθμους μηχανικής μάθησης όπως τα Τυχαία Δάση.

Τέλος, ορισμένοι στατιστικολόγοι υιοθετούν μεθόδους μηχανικής μάθησης, με αποτέλεσμα την δημιουργία ενός ανασυνδυσμένου τομέα που ονομάζεται στατιστική μάθηση.

Θεωρία 
Ο βασικός στόχος ενός μαθητευόμενου είναι να γενικεύει την εμπειρία του.  Σε αυτό το πλαίσιο γενίκευση είναι η ικανότητα μιας μηχανής μάθησης να αποδίδει με ακρίβεια σε καινούριες, πρωτόγνωρες εργασίες, αφού πρώτα έχει εκπαιδευτεί σε ένα σύνολο δεδομένων εκπαίδευσης. Γενικά τα προς εκπαίδευση παραδείγματα προέρχονται από κάποια άγνωστη κατανομή πιθανότητας, η οποία θεωρείται αντιπροσωπευτική του χώρου των καταστάσεων, και η μηχανή πρέπει να κατασκευάσει ένα γενικό μοντέλο που θα επιτρέπει την παραγωγή προβλέψεων σε καινούριες καταστάσεις με επαρκή ακρίβεια

Η υπολογιστική ανάλυση των αλγορίθμων των μηχανών μάθησης και η απόδοσή τους είναι ένας κλάδος της θεωρητικής πληροφορικής, γνωστός ως Υπολογιστική θεωρία μάθησης. Επειδή τα εκπαιδευτικά σύνολα είναι πεπερασμένα και το μέλλον αβέβαιο, η θεωρία μάθησης δεν εγγυάται πάντα την απόδοση των αλγορίθμων. Αντ΄αυτού είναι συχνή η χρήση των πιθανοθεωρητικών ορίων της απόδοσης.

Το πόσο καλά ένα μοντέλο, που έχει εκπαιδευτεί σε υπαρκτά παραδείγματα, μπορεί να προβλέψει άγνωστες καταστάσεις ονομάζεται γενίκευση. Για την καλύτερη δυνατή γενίκευση, η πολυπλοκότητα της υπόθεσης θα πρέπει να είναι αντίστοιχη της πολυπλοκότητας της συνάρτησης των δεδομένων

Πέρα όμως από την απόδοση, οι θεωρητικοί της υπολογιστικής μάθησης μελετούν την χρονική πολυπλοκότητα καθώς και το κατά πόσο είναι εφικτή η μάθηση. Στην υπολογιστική θεωρία μάθησης ένας υπολογισμός θεωρείται εφικτός αν μπορεί να επιτελεστεί σε πολυωνυμικό χρόνο. Υπάρχουν δύο είδη αποτελεσμάτων αναφορικά με την χρονική πολυπλοκότητα. Τα θετικά αποτελέσματα που σημαίνουν ότι μια συγκεκριμένη κλάση αντιστοιχίσεων μπορούν να επιτευχθούν σε πολυωνυμικό χρόνο και τα αρνητικά αποτελέσματα που δείχνουν το αντίθετο.

Υπάρχουν πολλές ομοιότητες μεταξύ της μηχανικής μάθησης και της στατιστικής συμπερασματολογίας, αν και χρησιμοποιούν διαφορετικούς όρους.

Προσεγγίσεις

Εκμάθηση με δέντρο απόφασης 
Η εκμάθηση με δέντρο απόφασης χρησιμοποιεί ένα δέντρο απόφασης ως προγνωστικό μοντέλο, το οποίο αντιστοιχίζει  παρατηρήσεις σχετικά με ένα στοιχείο σε συμπεράσματα σχετικά με την τιμή στόχο του αντικειμένου.

Εκμάθηση με Κανόνες συσχέτισης 
Η εκμάθηση με κανόνες συσχέτισης είναι μια μέθοδος ανακάλυψης ενδιαφερουσών σχέσεων μεταξύ των μεταβλητών σε μεγάλες βάσεις δεδομένων.

Τεχνητά νευρωνικά δίκτυα 
Ένας αλγόριθμος εκμάθησης Τεχνητού νευρωνικού δικτύου, που συνήθως ονομάζεται "νευρωνικό δίκτυο" (NN), είναι ένας αλγόριθμος μάθησης, που εμπνέεται από τη δομή και τις λειτουργικές πτυχές των βιολογικών νευρωνικών δικτύων. Η δομή των υπολογισμών βασίζεται σε μια ομάδα εσωτερικά διασυνδεδεμένων τεχνητών νευρώνων, οι οποίοι επεξεργάζονται την πληροφορία και εκτελούν υπολογισμούς επικοινωνώντας μεταξύ τους. Τα σύγχρονα νευρωνικά δίκτυα είναι εργαλεία μη γραμμικής στατιστικής μοντελοποίησης δεδομένων. Συνήθως χρησιμοποιούνται για τη μοντελοποίηση σύνθετων σχέσεων μεταξύ δεδομένων εισόδου και εξόδου, για την ανακάλυψη προτύπων στα δεδομένα, ή για τον εντοπισμό στατιστικής δομής σε μία  άγνωστη κοινή κατανομή πιθανότητας μεταξύ των παρατηρούμενων μεταβλητών.

Βαθιά Μάθηση 
Η πτώση των τιμών του υλικού των τελευταίων ετών καθώς και η ανάπτυξη των GPU για προσωπική χρήση, οδήγησε στην ανάπτυξη της ιδέας της Βαθιάς Μάθησης. Αυτή η προσέγγιση προσπαθεί να μοντελοποιήσει τον τρόπο που ο ανθρώπινος εγκέφαλος επεξεργάζεται το φως και τον ήχο και τα μετατρέπει σε όραση και ακοή. Ορισμένες επιτυχείς εφαρμογές της Βαθιάς μάθησης είναι η μηχανική όραση και η αναγνώριση ομιλίας.

Επαγωγικός λογικός προγραμματισμός  
Ο Επαγωγικός λογικός προγραμματισμός (ILP) είναι μια προσέγγιση που διέπει την μάθηση και χρησιμοποιεί λογικό προγραμματισμό ως τρόπο παρουσίασης των παραδειγμάτων εισόδου, του γνωστικού υποβάθρου και των υποθέσεων.Δεδομένης μιας κωδικοποίησης του γνωστικού υποβάθρου και ενός συνόλου παραδειγμάτων που παρουσιάζονται σαν λογική βάση γεγονότων, το σύστημα ΕΛΠ παράγει το υποτιθέμενο λογικό πρόγραμμα που περιέχει όλα τα θετικά και κανένα αρνητικό παράδειγμα. Ο επαγωγικός προγραμματισμός είναι ένας σχετικός τομέας που λαμβάνει υπόψιν κάθε είδος προγραμματιστικής γλώσσας για την αναπαράσταση  υποθέσεων  (και όχι μόνο λογικό προγραμματισμό), όπως τα συναρτησιακά προγράμματα.

Μηχανές διανυσμάτων υποστήριξης 
Οι μηχανές διανυσμάτων υποστήριξης είναι ένα σύνολο μεθόδων επιτηρούμενης μάθησης  που χρησιμοποιούνται για την ταξινόμηση και την παλινδρόμηση. Σ' αυτήν την περίπτωση δίνεται ένα σύνολο παραδειγμάτων εκπαίδευσης και κάθε φορά δηλώνεται σε ποια από τις δύο κατηγορίες ανήκει το παράδειγμα. Μία μηχανή διανυσμάτων υποστήριξης κατασκευάζει ένα μοντέλο που προβλέπει αν το νέο παράδειγμα εμπίπτει στην μία κατηγορία ή την άλλη.

Ομαδοποίηση 
Η ομαδοποίηση είναι η διαδικασία κατά την οποία ένα σύνολο παρατηρήσεων χωρίζεται σε υποσύνολα έτσι ώστε οι παρατηρήσεις που ανήκουν στην ίδια ομάδα   (cluster) είναι όμοιες, σύμφωνα με κάποιο ή κάποια προκαθορισμένα κριτήρια, ενώ οι παρατηρήσεις που προέρχονται από διαφορετικά υποσύνολα είναι ανόμοιες. Διαφορετικές τεχνικές κατηγοριοποίησης οδηγούν σε διαφορετικές υποθέσεις σχετικά με τη δομή των δεδομένων, οι οποίες συχνά καθορίζονται από κάποιο μέτρο ομοιότητας και αξιολογούνται για παράδειγμα ως προς την εσωτερική συνοχή (ομοιότητα μεταξύ των μελών του ίδιου cluster) και το διαχωρισμό ανάμεσα σε διαφορετικές ομάδες. Άλλες μέθοδοι  βασίζονται στην εκτιμώμενη πυκνότητα και την συνεκτικότητα των  γραφημάτων. Η ομαδοποίηση είναι μία μέθοδος μη επιτηρούμενης μάθησης και μία τεχνική η οποία χρησιμοποιείται επίσης στην στατιστική ανάλυση δεδομένων.

Δίκτυα Bayes 
Ένα δίκτυο Bayes, ένα δίκτυο εμπιστοσύνης ή ένα άκυκλο γραφικό μοντέλο είναι ένα πιθανοθεωρητικό γραφικό μοντέλο που απεικονίζει ένα σύνολο τυχαίων μεταβλητών και την μεταξύ τους υποθετική ανεξαρτησία διαμέσου ενός κατευθυνόμενου άκυκλου γράφου . Για παράδειγμα, ένα δίκτυο Bayes μπορεί να αναπαραστήσει την πιθανοθεωρητική σχέση μεταξύ ασθενειών και συμπτωμάτων. Δεδομένων των συμπτωμάτων, το δίκτυο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υπολογίσει τις πιθανότητες παρουσίας  διαφόρων ασθενειών.

Ενισχυτική μάθηση 
Η Ενισχυτική μάθηση ασχολείται με το πώς ένα υποκείμενο (πράκτορας)  θα πρέπει να δράσει σε ένα περιβάλλον , έτσι ώστε να μεγιστοποιηθεί κάποια έννοια μακροπρόθεσμης ανταμοιβής. Οι αλγόριθμοι ενισχυτικής μάθησης προσπαθούν να βρουν μια πολιτική που αντιστοιχίζει τις καταστάσεις του περιβάλλοντος με τις ενέργειες  που ο πράκτορας θα πρέπει να επιτελέσει σε αυτές τις καταστάσεις. Η ενισχυτική μάθηση διαφέρει από τα προβλήματα  επιτηρούμενης μάθησης αφού  τα σωστά ζεύγη δεδομένων εισόδου/εξόδου ζεύγη δεν παρουσιάστηκαν ποτέ, ούτε οι βέλτιστες δυνατές ενέργειες  έχουν ρητά διορθωθεί.

Εκμάθηση με μέτρο ομοιότητας 
Σε αυτή την κατηγορία προβλημάτων δίνονται στην μηχανή μάθησης ζεύγη παραδειγμάτων που θεωρούνται όμοια  και ζεύγη που θεωρούνται ανόμοια. Τότε η μηχανή μάθησης πρέπει να μάθει μια συνάρτηση ομοιότητας  (ή μια συνάρτηση μετρικής απόστασης), που μπορεί να προβλέψει αν δύο  καινούρια αντικείμενα είναι όμοια. Πρόκειται για μια τεχνική που χρησιμοποιείται σε συστήματα σύστασης.

Γενετικοί αλγόριθμοι 
Ένας γενετικός αλγόριθμος (GA) είναι μια ευρετική αναζήτηση  που μιμείται τη διαδικασία της φυσικής επιλογής, και χρησιμοποιεί μεθόδους όπως αυτή  της μετάλλαξης και της διασταύρωσης προκειμένου να δημιουργήσει καινούρια γονότυπα με την ελπίδα εύρεσης αποτελεσματικών λύσεων σε ένα συγκεκριμένο πρόβλημα. Στη  μηχανική μάθηση, γενετικοί αλγόριθμοι χρησιμοποιήθηκαν τη δεκαετία του 1980 και του 1990. Αντίστροφα, τεχνικές μηχανικής μάθησης έχουν χρησιμοποιηθεί για την  βελτίωση της απόδοσης γενετικών και εξελικτικών αλγορίθμων.

Εφαρμογές 
Οι εφαρμογές της Μηχανικής Μάθησης περιλαμβάνουν:
 Αναγνώριση ομιλίας και γραφικού χαρακτήρα
 Ανάκτηση πληροφορίας
 Βελτιστοποίηση
 Βιοπληροφορική
 Διαδικτυακή Διαφήμιση
 Εντοπισμός Διαδικτυακής απάτης
 Εντοπισμός απάτης πιστωτικής κάρτας
 Επεξεργασία φυσικής γλώσσας
 Ηλεκτρονικά παιχνίδια
 Ιατρική Διάγνωση 
 Κατηγοριοποίηση ακολουθιών DNA
 Λογισμικά
 Μαρκετινγκ
 Μετακίνηση Ρομπότ
 Μηχανές αναζήτησης
 Μηχανική αντίληψη
 Οικονομία 
 Συναισθηματική υπολογιστική 
 Συστήματα σύστασης
 Υπολογιστική ανατομία
 Υπολογιστική όραση- συμπεριλαμβανομένης της αναγνώρισης αντικειμένου
 Χημειοπληροφορική
 Χρηματιστηριακή ανάλυση

Το 2006, η διαδικτυακή εταιρία ταινιών το Netflix διοργάνωσε τον πρώτο διαγωνισμό "Βραβείο Netflix" προκειμένου να βρεθεί ένα πρόγραμμα που να προβλέπει καλύτερα τις προβλέψεις των χρηστών και να βελτιώσει την ακρίβεια του αλγορίθμου πρότασης ταινιών Cinematch, που τότε χρησιμοποιούσε,  κατά τουλάχιστον 10%. Μια  ομάδα αποτελούμενη από ερευνητές από την AT&T Labs-Research σε συνεργασία με τις ομάδες Big Chaos και Pragmatic Theory κατασκεύασε ένα μοντέλο και κέρδισε το βραβείο του 1εκ.δολαρίων το 2009.Λίγο καιρό μετά την απονομή του βραβείου, η διοίκηση της Netflix συνειδητοποίησε ότι τα ποσοστά τηλεθέασης των θεατών δεν ήταν ο καλύτερος δείκτης των μοτίβων τηλεθέασης ("τα πάντα είναι τηλεθέαση")και άλλαξαν αναλόγως την μηχανή σύστασής τους.

Το 2010 το περιοδικό The Wall Street έγραψε ότι η εταιρεία διαχείρισης χρημάτων Rebellion Research's χρησιμοποιούσε την μηχανική μάθηση για να προβλέψει οικονομικές κινήσεις.Το άρθρο περιέγραφε την πρόβλεψη της εταιρείας για την οικονομική κρίση και την  οικονομική ανάκαμψη.

Το 2014 έχει αναφερθεί ότι ένας αλγόριθμος μηχανικής μάθησης έχει εφαρμοστεί στην Ιστορία της Τέχνης για την μελέτη πινάκων ζωγραφικής και ότι θα μπορούσε να αποκαλύψει επιρροές μεταξύ καλλιτεχνών που προηγουμένως δεν είχαν εντοπιστεί.

Ηθική
Η Μηχανική Μάθηση, θέτει μια σειρά από ηθικά ζητήματα. Τα συστήματα τα οποία έχουν εκπαιδευτεί σε σύνολα δεδομένων που συλλέγονται με προκαταλήψεις μπορεί να εμφανίζουν αυτές τις προκαταλήψεις κατά τη χρήση,  ψηφιοποιώντας πολιτιστικές προκαταλήψεις όπως ο θεσμικός ρατσισμός και ο ταξικός διαχωρισμός. Έτσι η υπεύθυνη συλλογή  δεδομένων είναι ένα κρίσιμο κομμάτι της μηχανικής μάθησης.

Περιοδικά 
 Journal of Machine Learning Research
 Machine Learning
 Neural computation

Συνέδρια 
 Conference on Neural Information Processing Systems
 International Conference on Machine Learning
 International Conference on Learning Representation

Παραπομπές 

Κυβερνητική
Μάθηση
Μηχανική μάθηση