Was ist Maschinelles Lernen? Eine Definition.

Posted onAutorMartin Grellmann

Zuletzt aktualisiert: Juni 16, 2023

Wenn ihr schon einmal eine Empfehlung für ein neues Album auf Spotify bekommen habt, wenn Netflix euch den perfekten Film für den Freitagabend vorgeschlagen hat oder wenn euer Smartphone eure Worte in Text umgewandelt hat, dann habt ihr bereits die Macht des Maschinellen Lernens erlebt. Aber was genau ist Maschinelles Lernen und warum ist es so wichtig?

Gliederung

Maschinelles Lernen ist ein Teilgebiet der künstlichen Intelligenz (KI). Es basiert auf dem Konzept, dass Maschinen, genauer gesagt Computerprogramme, die Fähigkeit erlangen können, aus Erfahrungen zu lernen und sich selbst zu verbessern, ohne dass sie explizit programmiert werden müssen. Dieser Prozess ist vergleichbar mit der Art und Weise, wie wir Menschen lernen: Durch Wiederholung und Anpassung an neue Situationen verbessern wir unsere Fähigkeiten. Bei Maschinen passiert dies durch das Verarbeiten und Analysieren großer Mengen an Daten und das Anpassen ihrer Algorithmen basierend auf den Erkenntnissen, die sie aus diesen Daten gewinnen.

Maschinelles Lernen hat die Macht, fast jeden Aspekt unseres Lebens zu revolutionieren. Es ermöglicht es Computern, komplexe Probleme zu lösen und Vorhersagen zu treffen, die über die Fähigkeiten des menschlichen Verstandes hinausgehen. So können sie zum Beispiel Muster in Daten erkennen, die für uns Menschen unsichtbar sind. Dadurch können sie uns helfen, bessere Entscheidungen zu treffen, Prozesse zu optimieren, und sie können sogar neue Kenntnisse und Einblicke liefern, die uns dabei helfen, die Welt um uns herum besser zu verstehen.

Die Anwendungen des Maschinellen Lernens sind so vielfältig wie faszinierend. Es ermöglicht beispielsweise selbstfahrenden Autos, Hindernisse zu erkennen und darauf zu reagieren. Es hilft Medizinern, Krankheiten frühzeitig zu erkennen, indem es Muster in Patientendaten erkennt, die uns Menschen oft verborgen bleiben. In der Unterhaltungsbranche sorgt es dafür, dass Spotify und Netflix genau wissen, welche Musik oder Filme uns gefallen könnten. Und dies sind nur einige Beispiele.

Typen von Maschinellem Lernen

Maschinelles Lernen ist nicht nur ein einziges, festgelegtes Konzept. Es gibt verschiedene Arten, wie Maschinen lernen können. Die drei am häufigsten verwendeten Typen sind das Überwachte Lernen, das Unüberwachte Lernen und das Verstärkungslernen. Jeder Typ hat seine eigenen Stärken und wird für verschiedene Arten von Aufgaben verwendet.

Algorithmen des maschinellen Lernens werden oft in überwachte und unüberwachte Algorithmen unterteilt.

  • Überwachtes Lernen (Supervised Learning): Stellt euch das überwachte Lernen wie das Lernen in der Schule vor. Wenn ihr ein neues Thema in Mathematik lernt, gibt euch euer Lehrer oder eure Lehrerin Beispiele und Lösungen, damit ihr das Konzept versteht. Ähnlich funktioniert das überwachte Lernen: Der Computer bekommt ein Set von Beispieldaten, den sogenannten Trainingsdaten, die sowohl die Eingaben (Features) als auch die richtigen Ausgaben (Labels) enthalten. Das Ziel ist es, aus diesen Daten ein Modell zu erstellen, das in der Lage ist, bei neuen, ähnlichen Daten korrekte Vorhersagen zu treffen.
    Ein gutes Beispiel für überwachtes Lernen ist die Spam-Erkennung in E-Mail-Programmen. Das Programm lernt anhand von markierten E-Mails (Spam oder kein Spam), wie es zukünftige E-Mails klassifizieren soll.
  • Unüberwachtes Lernen (Unsupervised Learning): Im Gegensatz zum überwachten Lernen gibt es beim unüberwachten Lernen keine vorgegebenen Antworten oder Lösungen. Die Maschine erhält eine Menge an Daten und muss versuchen, Muster, Zusammenhänge oder Strukturen in diesen Daten selbständig zu finden. Ein häufiges Anwendungsbeispiel für unüberwachtes Lernen ist die sogenannte Clusteranalyse, bei der es darum geht, ähnliche Datenpunkte in Gruppen (oder “Cluster”) zu ordnen.
    Stellt euch vor, ihr habt einen Haufen von verschiedenen Süßigkeiten und ihr sollt sie sortieren, aber niemand hat euch gesagt, nach welchen Kriterien. Ihr könntet sie nach Farbe, Größe, Geschmack oder sogar nach Form sortieren. Das ist es, was eine Maschine im unüberwachten Lernen tut
  • Verstärkungslernen (Reinforcement Learning): Verstärkungslernen ist eine andere Art des Lernens, die ein bisschen wie das Training eines Haustiers funktioniert. Anstatt eine genaue Lösung zu bekommen, erhält das System Rückmeldungen in Form von Belohnungen oder Strafen. Es lernt durch das Probieren von Aktionen und das Anpassen seiner Strategie basierend auf den erhaltenen Belohnungen oder Strafen, um letztendlich das Ziel zu erreichen, die Belohnungen zu maximieren.

    Ein bekanntes Beispiel für Verstärkungslernen ist das Computerspiel “Schach”. Die KI erhält eine Belohnung, wenn sie einen Zug macht, der zu einer günstigeren Position führt, und eine Strafe, wenn sie einen Zug macht, der zu einer schlechteren Position führt. Mit der Zeit lernt die KI, wie sie besser spielen kann, um mehr Belohnungen zu erhalten.

Jeder dieser Lernarten hat seine eigenen Stärken und Schwächen und ist für unterschiedliche Aufgaben geeignet.

Wie funktioniert Maschinelles Lernen?

Maschinelles Lernen mag auf den ersten Blick wie eine magische Zauberei erscheinen, bei der Computer komplexe Muster erkennen und Vorhersagen treffen. Aber keine Sorge, dahinter steckt weniger Magie als ihr vielleicht denkt. Um zu verstehen, wie Maschinelles Lernen funktioniert, schauen wir uns die vier Hauptstufen an: Daten sammeln, Modelle trainieren, Modelle testen und anpassen und schließlich Vorhersagen treffen.

Daten sammeln

Jede Reise beginnt mit einem ersten Schritt und im Maschinellen Lernen ist dieser Schritt das Sammeln von Daten. Daten sind der Treibstoff, der das Maschinelle Lernen antreibt. Computerprogramme benötigen Daten, um Muster und Beziehungen zu erkennen. Je mehr Daten sie haben, desto besser können sie lernen. Diese Daten können Bilder, Texte, Töne oder andere Arten von Informationen sein, je nach dem, was wir das Modell lehren möchten.

Modelle trainieren

Sobald wir unsere Daten haben, ist der nächste Schritt das Trainieren des Modells. Während dieses Prozesses “lernt” das Modell, indem es die gesammelten Daten analysiert und versucht, Muster oder Beziehungen darin zu erkennen. Je mehr Daten das Modell verarbeitet, desto besser wird es darin, Vorhersagen zu treffen. Dieser Prozess ähnelt der Art und Weise, wie wir Menschen lernen: Durch das Studium und die Praxis verbessern wir unsere Fähigkeiten.

Modelle testen und anpassen

Nachdem das Modell trainiert wurde, müssen wir überprüfen, wie gut es funktioniert. Das tun wir, indem wir es testen. Beim Testen verwenden wir neue Daten, die das Modell noch nicht gesehen hat, und schauen, wie gut es Vorhersagen treffen kann. Wenn das Modell nicht gut genug ist, passen wir es an und trainieren es weiter, bis es eine zufriedenstellende Leistung erbringt.

Vorhersagen treffen

Schließlich, nachdem das Modell getestet und angepasst wurde, kann es zur Vorhersage verwendet werden. Das kann bedeuten, das Wetter für nächste Woche vorherzusagen, das nächste große Musikhit zu ermitteln oder zu entscheiden, ob ein E-Mail als Spam eingestuft werden sollte. Die Möglichkeiten sind fast endlos!

Zusammengefasst: Maschinelles Lernen ist ein fortlaufender Prozess des Lernens, Testens und Anpassens, der es Maschinen ermöglicht, komplexe Muster zu erkennen und wertvolle Vorhersagen zu treffen. Im nächsten Abschnitt werden wir uns einige spezifische Algorithmen und Konzepte anschauen, die im Maschinellen Lernen verwendet werden. Bleibt dran!

Einfache Algorithmen und Konzepte

Vielleicht fragt ihr euch nun, wie diese Maschinen eigentlich lernen? Das geschieht durch bestimmte Algorithmen, die dazu dienen, Muster in Daten zu erkennen und daraus Prognosen abzuleiten. Wir werden uns nun drei wichtige und weit verbreitete Ansätze anschauen: Lineare Regression, Entscheidungsbäume und Künstliche Neuronale Netzwerke.

Lineare Regression

Lineare Regression ist eine der einfachsten und am häufigsten verwendeten Methoden im Maschinellen Lernen. Mit ihr können wir eine lineare Beziehung zwischen zwei oder mehr Variablen erkennen. Ihr habt wahrscheinlich schon einmal einen Diagramm mit einer geraden Linie gesehen, die durch eine Wolke von Punkten geht. Diese Linie ist das Ergebnis einer linearen Regression. Sie hilft uns zu verstehen, wie sich eine Variable ändert, wenn sich eine andere ändert. Beispielsweise könnten wir die lineare Regression verwenden, um zu schauen, wie sich die Zeit, die man zum Lernen für eine Prüfung aufwendet, auf die erhaltene Note auswirkt.

Entscheidungsbäume

Ein Entscheidungsbaum ist ein weiterer einfacher, aber leistungsstarker Algorithmus. Stellt euch vor, ihr spielt “20 Fragen”. Bei jedem Zug versucht ihr, die Menge der möglichen Antworten durch eine Ja- oder Nein-Frage zu reduzieren. Ein Entscheidungsbaum funktioniert auf die gleiche Weise. Er teilt die Daten auf der Grundlage verschiedener Bedingungen auf, bis er zu einer Vorhersage oder Entscheidung kommt. Diese Methode wird beispielsweise bei medizinischen Diagnose-Tools eingesetzt.

Künstliche Neuronale Netzwerke

Künstliche Neuronale Netzwerke sind von der Funktionsweise unseres Gehirns inspiriert. Sie bestehen aus vielen miteinander verbundenen “Neuronen”, die Informationen verarbeiten. Jedes Neuron erhält Eingaben, verarbeitet diese und gibt sie an andere Neuronen weiter. Diese Netzwerke können sehr komplex werden und sind in der Lage, sehr komplexe Muster in Daten zu erkennen. Sie sind zum Beispiel der Schlüssel hinter der Sprach- und Bilderkennungstechnologie.

Anwendungsbeispiele für Maschinelles Lernen

Das Schöne am Maschinellen Lernen ist, dass es nicht nur ein theoretisches Konzept ist, sondern tatsächlich überall um uns herum im Einsatz ist. Die Technologie hat bereits Einzug in viele verschiedene Bereiche unseres Lebens gehalten, oft ohne dass wir es überhaupt bemerken. Im Folgenden möchten wir einige prominente Anwendungsbeispiele für Maschinelles Lernen vorstellen.

Gesichtserkennung

Ein gutes Beispiel für den Einsatz von Maschinellem Lernen ist die Gesichtserkennung. Ob es nun darum geht, Freunde auf Fotos in sozialen Netzwerken zu taggen, das Smartphone mit einem Blick zu entsperren oder sogar Kriminelle an öffentlichen Orten zu identifizieren – all dies wird durch Maschinelles Lernen ermöglicht. Computerprogramme werden darauf trainiert, die einzigartigen Merkmale eines Gesichts zu erkennen und zu analysieren, so dass sie dieses Gesicht später wiedererkennen können.

Spracherkennung und -übersetzung

Sicherlich habt ihr schon einmal mit Siri, Alexa oder Google Assistant gesprochen. Diese Sprachassistenten nutzen Maschinelles Lernen, um menschliche Sprache zu erkennen und zu verstehen. Sie können sogar in Echtzeit zwischen verschiedenen Sprachen übersetzen, was besonders hilfreich ist, wenn ihr im Ausland seid und die lokale Sprache nicht sprecht. Diese Fortschritte sind ein Beweis dafür, wie weit das Maschinelle Lernen in den letzten Jahren gekommen ist.

Empfehlungssysteme

Jeder, der Netflix, Spotify oder Amazon benutzt, hat bereits Erfahrung mit Maschinellem Lernen gemacht. Diese Plattformen verwenden komplexe Algorithmen, um zu lernen, was euch gefällt, basierend auf eurem bisherigen Verhalten. Wenn ihr zum Beispiel mehrere Science-Fiction-Filme auf Netflix anschaut, wird das System vorschlagen, dass ihr euch “Star Wars” oder “Stranger Things” anschaut. Diese personalisierten Empfehlungen machen es einfacher und bequemer für uns, neue Dinge zu entdecken, die wir mögen könnten.

Bedeutung und Zukunft des Maschinellen Lernens

Das Maschinelle Lernen wird zunehmend zu einer Schlüsseltechnologie, die unsere Zukunft formt. Es hat bereits eine Vielzahl von Branchen und Bereichen revolutioniert, und das ist erst der Anfang. Es bietet sowohl beeindruckende Chancen als auch Herausforderungen, die wir als Gesellschaft angehen müssen.

Wie Maschinelles Lernen die Zukunft beeinflusst

Egal ob Gesundheitswesen, Bildung, Umweltschutz, Unterhaltung oder Verkehr, das Maschinelle Lernen hat das Potential, die Art und Weise, wie wir leben und arbeiten, tiefgreifend zu verändern. Zum Beispiel könnte es Ärzten dabei helfen, personalisierte Behandlungen für Patienten zu entwickeln, indem es Muster in genetischen Daten identifiziert. Im Bereich des Umweltschutzes könnte es uns dabei helfen, Klimaveränderungen besser zu verstehen und vorherzusagen. Und in der Bildung könnte es personalisierte Lernpfade ermöglichen, die auf die individuellen Stärken und Schwächen der Schüler zugeschnitten sind.

Berufe im Bereich Maschinelles Lernen

Mit der wachsenden Bedeutung des Maschinellen Lernens steigt auch die Nachfrage nach Fachleuten in diesem Bereich. Berufe wie Datenwissenschaftler, Machine Learning Engineer oder AI Specialist sind einige der gefragtesten Berufe der Zukunft. Diese Berufe erfordern eine Kombination aus Fachwissen in Informatik, Statistik und oft auch Fachwissen in dem Bereich, in dem das Maschinelle Lernen angewendet wird. Wer sich für einen Beruf in diesem spannenden und zukunftsträchtigen Feld interessiert, sollte sich daher frühzeitig mit den Grundlagen des Maschinellen Lernens auseinandersetzen.

Ethik und Maschinelles Lernen

Aber das Maschinelle Lernen wirft auch ethische Fragen auf. Zum Beispiel, wie stellen wir sicher, dass Algorithmen fair und unvoreingenommen sind? Wie schützen wir die Privatsphäre der Menschen, wenn Maschinen so viel über uns lernen können? Und wie verhindern wir, dass Maschinelles Lernen für schädliche Zwecke eingesetzt wird? Es ist wichtig, dass wir als Gesellschaft diese Fragen angehen und Regeln und Normen entwickeln, um die Chancen des Maschinellen Lernens zu nutzen und gleichzeitig seine Risiken zu minimieren.

Die Zukunft des Maschinellen Lernens ist aufregend und voller Möglichkeiten. Aber es liegt an uns allen, diese Zukunft verantwortungsvoll zu gestalten.