← Yapay Zekâ için Matematik

Yapay Zekâ için Matematik · Ünite 1

Giriş ve Temel Matematiksel Kavramlar

1. Matematik yapay zekânın neresinde?

Yüz tanıma, ürün önerisi, varış süresi tahmini, spam filtresi… Hepsinin ortak noktası: sonuca sayılar üzerinde yapılan işlemlerle ulaşıyorlar. Makinenin düşünmesi sorusunu 1950'de Turing, Türkiye'de de 1958-59'da Cahit Arf «Makine düşünebilir mi?» konferansıyla matematiksel açıdan tartıştı.

Bir YZ modelinin temel işi: veriye dayanarak, belirsizlik altında karar vermek. İki sayıyı toplamak için YZ gerekmez, çünkü kuralı belli. YZ, kuralın yazılamadığı, verinin eksik ya da gürültülü olduğu yerlerde devreye girer.

Bir modelin yaşam döngüsü

Her aşamada başka bir matematik dalı çalışıyor.

Dört yapı taşı

Veri: yapısal mı, değil mi?

Yapısal veriYapısal olmayan veri
BiçimSatır–sütun tablosuTabloya doğrudan sığmaz
ÖrnekSatış tablosu: ürün, adet, fiyat, tarihMetin, fotoğraf, ses, video, e-posta
Modele girmedenZaten sayısal düzendeÖnce sayıya çevrilmeli

Tabloda satırlar gözlem (tek tek kayıtlar), sütunlar değişken. Modelin kullandığı sütunlara girdi değişkeni / öznitelik (bağımsız değişken), tahmin etmeye çalıştığı sütuna hedef değişken (bağımlı değişken) denir. Ev fiyatı tahmininde alan, oda sayısı, bina yaşı öznitelik; fiyat hedeftir.

Doğru cevapların da verildiği bu öğrenme biçimine gözetimli öğrenme denir.

Model: ağırlıklı toplam

En basit model doğrusal model: ŷ = w₁x₁ + w₂x₂ + … + wₙxₙ + b. Her özelliğe bir ağırlık (w) verilir, sonuna sabit terim (b) eklenir. Ağırlıklar değişirse aynı yapı farklı sonuç üretir.

Aynı problem doğrusal model, karar ağacı ya da yapay sinir ağıyla çözülebilir. Hangisinin kullanılacağına karar vermeye model seçimi denir.

Algoritma: hata küçülene kadar tekrar

Yani öğrenmek = hatayı en küçük yapan parametreleri aramak; bu bir optimizasyon problemi. Hangi yöne gidileceğini türev ve gradyan söyler. Belirsizliği sayıyla anlatmak için olasılık («%80 kedi, %20 köpek»), modelin ne kadar güvenilir olduğunu ölçmek için istatistik kullanılır.

Tahmin ve genelleme

Asıl başarı, modelin daha önce görmediği verilerde de doğru sonuç vermesi; buna genelleme denir. Eğitim verisinde mükemmel, yeni veride kötü olan model ezber yapmıştır: aşırı uyum. Bunu ölçmek için veri eğitim ve test diye ikiye ayrılır; test verisi eğitimde hiç kullanılmaz.

2. Veriyi sayıya çevirmek

Bilgisayar fotoğrafı görmez, sesi duymaz; sadece sayı işler. En dipte her şey bit (0 ya da 1) dizisidir. Bu yüzden her veri modele girmeden önce sayısal bir yapıya çevrilmeli. Nasıl çevrildiği de önemli: hangi bilginin korunacağını ve modelin neyi öğrenebileceğini belirler.

Veri türüYöntemSonuç
Kategori (renk, şehir)Bire-bir (one-hot) kodlama[0, 0, 1] gibi vektör
MetinBelirteçlere ayırma + kelime gömmeHer kelime için sayı vektörü
GörüntüPiksel değerleriSatır × sütun sayı matrisi
SesÖrnekleme + nicemlemeSıralı sayı dizisi

Kategoriler: bire-bir kodlama

Her kategoriye bir sütun açılır; ait olduğu sütuna 1, diğerlerine 0 yazılır. Şehir değişkeni İzmir, Bursa, Konya ise: İzmir (1, 0, 0), Bursa (0, 1, 0), Konya (0, 0, 1).

Metin, görüntü, ses

Vektör, matris ve iç çarpım

Tek bir gözlemin özellikleri yan yana → vektör. Birçok gözlemin vektörleri alt alta → matris (satır = gözlem, sütun = özellik).

Özellik vektörüyle parametre vektörünün karşılıklı elemanlarını çarpıp toplamaya iç çarpım denir. Örnek: bir telefonun pil ömrü (saat), ekran boyu x₁ = 6 inç ve batarya x₂ = 5000 mAh ile tahmin edilsin; parametreler θ = (−1 ; 0,005).

ŷ = (−1) · 6 + 0,005 · 5000 = −6 + 25 = 19 saat. Yüz telefon için tek tek hesaplamak yerine hepsi bir matrise konur ve tek bir matris işlemiyle bütün tahminler birden bulunur.

3. Sayı kümeleri

ℕ ⊂ ℤ ⊂ ℚ ⊂ ℝ

Ondalık gösterimden tanımak

Ondalık açılımÖrnekTür
Sonlu2/5 = 0,4Rasyonel
Devirli (bir blok tekrar eder)1/11 = 0,0909…Rasyonel
Ne biter ne tekrar ederπ = 3,14159…İrrasyonel

Sayı doğrusu ve karar eşiği

Sayı doğrusunda solda kalan sayı küçüktür (<, >, ≤, ≥). YZ'de bunun karşılığı karar eşiği: model olasılık ≥ 0,5 ise «evet», değilse «hayır» der. Eşiği değiştirmek, kararları doğrudan değiştirir.

Toplama ve çarpmanın kuralları

ÖzellikToplamaÇarpma
Değişmea + b = b + aa · b = b · a
Birleşme(a + b) + c = a + (b + c)(a · b) · c = a · (b · c)
Etkisiz elemana + 0 = aa · 1 = a
Ters elemana + (−a) = 0a · (1/a) = 1, a ≠ 0
Dağılmaa · (b + c) = a · b + a · c

Aralık gösterimi

TürGösterimAnlamı
Açık(a, b)a < x < b — uçlar dahil değil
Kapalı[a, b]a ≤ x ≤ b — uçlar dahil
Yarı açık[a, b) ya da (a, b]Bir uç dahil, diğeri değil
Sınırsız[a, ∞), (−∞, b)∞ tarafı hep parantez, asla dahil değil

4. Temel işlemler

İşaret kuralları ve sıfır

İşlem önceliği

Sıra: parantez → üs → çarpma/bölme (soldan sağa) → toplama/çıkarma (soldan sağa). Örnek: 5 + 2 · 3 = 11 (17 değil); (5 + 2) · 3 = 21.

Daha uzun bir örnek: 18 − 2 · (7 − 4) + 12 / 4 → parantez: 3 → çarpma ve bölme: 6 ve 3 → 18 − 6 + 3 = 15.

Kesirler

Bir modelin tahmini aslında sadece bu kurallardır. Özellikler 4 ve 10, parametreler 0,5 ve −0,3, sabit terim 2 ise: ŷ = 0,5 · 4 + (−0,3) · 10 + 2 = 2 − 3 + 2 = 1.

Mutlak değer ve hata

Mutlak değer |x|, sayının sıfıra uzaklığı; asla negatif olmaz: |4| = 4, |−4| = 4. YZ'de mutlak hata = |y − ŷ| (gerçek eksi tahmin). Tahmin fazla da olsa eksik de olsa hatanın sadece büyüklüğüne bakar; böylece artı ve eksi hatalar toplanırken birbirini götürmez.

Örnek: gerçek fiyat 850.000 ₺, tahmin 900.000 ₺ → |850.000 − 900.000| = 50.000 ₺.

Ne?Hangi küme?
Örnek sırası (indeks), piksel değeri, sınıf etiketi, tur sayısıTam sayı
Parametreler, öğrenme oranı, olasılıklar, sıcaklık gibi ölçümlerReel sayı
Renk, şehir gibi kategorilerÖnce sayısal koda çevrilir

Parametrelerin reel olması şart, çünkü gradyan inişi onları minik adımlarla kaydırarak hatayı azaltır; bunun için değerlerin sürekli bir kümede olması gerekir.

5. Üslü ifadeler

aⁿ: a sayısını n kez kendisiyle çarp. a taban, n üs (kuvvet). 3⁴ = 3 · 3 · 3 · 3 = 81.

KuralFormülÖrnek
Aynı tabanlı çarpımaᵐ · aⁿ = aᵐ⁺ⁿ3² · 3³ = 3⁵
Aynı tabanlı bölümaᵐ / aⁿ = aᵐ⁻ⁿ7⁵ / 7³ = 7²
Üssün üssü(aᵐ)ⁿ = aᵐ·ⁿ(2³)² = 2⁶
Çarpımın üssü(a · b)ⁿ = aⁿ · bⁿ(3 · 4)² = 9 · 16
Bölümün üssü(a / b)ⁿ = aⁿ / bⁿ(2/5)² = 4/25

Bilimsel gösterim

Çok büyük ya da çok küçük sayılar c · 10ⁿ (1 ≤ c < 10) biçiminde yazılır. 72.000 = 7,2 · 10⁴; 0,0005 = 5 · 10⁻⁴. Üs pozitifse sayı büyük, negatifse küçük. YZ'de öğrenme oranı 10⁻³, örnek sayısı 2,5 · 10⁶ gibi yazılır; programlarda bu 1e-3, 2.5e6 şeklinde görünür.

6. Köklü ifadeler

Kök almak üs almanın tersi: karesi 16 olan pozitif sayı 4 → √16 = 4. n. dereceden kök: n. kuvveti a eden sayı. Kökün içindeki ifadeye kök içi denir.

KuralÖrnek
√(a · b) = √a · √b√(4 · 25) = 2 · 5 = 10
√(a / b) = √a / √b√(9/16) = 3/4
Kökün kökü: ᵐ√(ⁿ√a) = ᵐⁿ√a√(√81) = ⁴√81 = 3
√(a²) = |a|√((−5)²) = 5

YZ'de üs ve kök nerede?

3-4-5 üçgeni: d = √(3² + 4²)

Kendini test et!

Cevabı görmek için soruya dokun.

  1. 1.Bir müzik uygulaması «bu şarkıyı beğenme olasılığın %85» diyor. Bu belirsizlik hangi matematik alanıyla ifade edilir?

    ✓ Olasılık.

  2. 2.Eğitim verisinde %99 başarılı olan model, test verisinde %60'ta kalıyor. Bu duruma ne denir?

    ✓ Aşırı uyum: model genel ilişkiyi öğrenmek yerine eğitim örneklerini ezberlemiş.

  3. 3.Meyve değişkeni elma, armut, kiraz kategorilerinden oluşuyor. Bire-bir kodlamayla armut nasıl yazılır?

    ✓ (0, 1, 0).

  4. 4.−7, 0, 2/3, √5 ve 4 sayılarından hangisi doğal sayıdır, hangisi irrasyoneldir?

    ✓ Doğal sayı: 4. İrrasyonel: √5. (−7 ve 0 tam sayı, 2/3 rasyonel.)

  5. 5.20 − 4 · (5 − 2) + 9 / 3 işleminin sonucu kaçtır?

    ✓ Parantez 3 → 4 · 3 = 12 ve 9 / 3 = 3 → 20 − 12 + 3 = 11.

  6. 6.0 ≤ x < 1 hangi aralıkla gösterilir?

    ✓ [0, 1) — yarı açık aralık.

  7. 7.(5⁴ · 5²) / 5³ kaçtır?

    ✓ 5⁶ / 5³ = 5³ = 125.

  8. 8.√50 sadeleştirilince ne olur?

    ✓ √(25 · 2) = 5√2.

  9. 9.(2, 3) ve (8, 11) noktaları arasındaki Öklid uzaklığı kaçtır?

    ✓ Farklar 6 ve 8 → √(36 + 64) = √100 = 10.

Kaynak: Anadolu Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi, «Yapay Zekâ için Matematik» ders kitabı, Ünite 1. Bu not kitabın yerine geçmez; konuyu kendi cümlelerimle, yapay zekâ desteğiyle özetledim.