title: “Echando volados” date: 2014-06-26 page: True type: teach author: Ivan Vladimir Meza Ruiz language: es license: ccbysa summary: Presents an example of a machine learning problem

Supongamos el siguiente escenario: un personaje misterioso, pero sospechoso, encuentra echando volados, siempre apuesta sol y parece muy afortunado con su decisión. En los diez volados que hemos visto esto fue lo que le salió:

  • Sol, sol, sol, águila, sol, sol, águila, águila, sol, sol

Con estos resultados, lleva ganado siete de diez volados.

¿Si quisiéramos imitar la decisión qué el toma qué podríamos hacer?

Planteamiento

El problema es dada una moneda sospechosa, como determinar que elegir la siguiente vez que se lanza la moneda. Nuestros ejemplos en este caso son los volados que hasta ahora se han lanzado.

Primera aproximación: probabilidades

Una primera y muy válida opción es modelar la moneda como un evento probabilístico. De esta forma si podemos determinar la probabilidad de las caras de la moneda, básicamente estaríamos definiendo el modelo de ésta.
Basado en ese modelo y la probabilidad más alta, podremos tomar la decisión de que escoger la siguiente vez. Bajo está “técnica”, la arquitectura corresponde a dos probabilidades:

  1. $ P(x=sol)$
  2. $ P(x=aguila), P(x=aguila)=1-P(x=sol)$

Sin embargo, la probabilidad de águila queda establecida una vez que se define la de sol. Con esto en mente, nuestro problema solo tiene un parámetro: la probabilidad de que caiga sol.

Para estimar este valor, podemos seguir una metodología frecuentista y dividir el numero de soles entre el número de volados.

  1. $ P(x=sol)=n{sol}/n{volados}=710=0.7$

De esta forma predecimos que de cada diez volados, siete serán soles, por lo tanto lo que tenemos que hacer es siempre apostar sol, como lo hace nuestro personaje sospechoso.

Segunda aproximación: Perceptrón promedio

Otra opción, es usar una técnica más sofisticada. En este caso utilizaremos el perceptrón promedio (Averaged perceptron). En el corazón de este algoritmo esta poner a prueba nuestro modelo y corregirlo si es necesario. Para lograr lo anterior se usa el modelo para predecir uno de los volados ejemplo, si hay un error, se le castiga al modelo modificando sus parámetros. El pseudo código lo pueden ver aquí:

#!python
def avg(model=0.5,data,iters=100,punishment=0.10):
    model=0.5
    for i in range(iters):
        for e in data:
            actual=tira(model)
            if actual != e:
                if e=="s":
                    model+=punishment
                else:
                    model-=punishment
    return sum(models)/len(models))  

El algoritmo necesita como entrada un modelo, los ejemplos, el número de veces que estará iterando, y la cantidad de corrección a hacer. ¡Pero el modelo es el que queremos calcular! ¿Cómo podemos dárselo al sistema si es lo que buscamos? En realidad lo que espera el algoritmo es un modelo inicial que ira cambiando conforme sus predicciones se comparan con los ejemplos. Una opción de modelo inicial es asumir máxima ignorancia, y decir que sol y águila son igualmente probables.

  1. $ P(x=sol)=0.5$

Usando este modelo, simulemos un primer volado e imaginemos que obtenemos águila. Al compararlo con nuestro primer ejemplo vemos que esperábamos sol. Quiere decir que nuestro modelo está mal, por lo que tenemos que corregirlo, para que sol sea más probable. Por lo que lo corregimos con el valor de corrección, resultado en el siguiente modelo.

  1. $ P(x=sol)=0.6$

Ahora, volvemos a simular un segundo lanzamiento utilizando nuestro modelo, en esta ocasión cae sol y esperamos sol en nuestro segundo ejemplo. No corregimos. Volvemos a simular un tercer lanzamiento, y en esta ocasión sale un águila, como nuestra tercera moneda esperada es sol. Corregimos nuestro modelo:

  1. $ P(x=sol)=0.7$

A continuación se presenta la secuencia de otras tres simulaciones:

  1. Cuarto volado, cae sol, esperamos águila, se corrige $P(x=sol)=0.6$
  2. Quinto volado, cae sol, esperamos sol, no se corrige $P(x=sol)=0.6$
  3. Sexto volado, cae aguila, esperamos sol, se corrige $P(x=sol)=0.7$

Así consecutivamente, hasta acabar con los ejemplos, y luego volvemos a iterar sobre los ejemplos, hasta cubrir el número de iteraciones del algoritmo.

Una vez que el algoritmo termina, en lugar de entregar como resultado el último modelo, el algoritmo regresa el promedio de todos los modelos. Por ejemplo en una simulación con $100$ iteraciones y una corrección de $0.1$ el modelo promedio fue:

  1. $ P(x=sol)=0.7$

Que es un modelo similar al calculado de manera explicita con probabilidades.

En particular, en esta técnica el algoritmo sí tiene parámetros: el número de iteraciones y el cantidad de la corrección. A continuación se presentan algunos resultados variando estos valores y el modelo que produce:

  • Iteraciones 1, castigo 0.1, $P(x=sol)=0.66 $
  • Iteraciones 10, castigo 0.1, $P(x=sol)=0.621 $
  • Iteraciones 100, castigo 0.1, $P(x=sol)=0.6935 $
  • Iteraciones 200, castigo 0.1, $P(x=sol)=0.6953 $
  • Iteraciones 500, castigo 0.1, $P(x=sol)=0.69468 $
  • Iteraciones 1000, castigo 0.1, $P(x=sol)=0.69517 $
  • Iteraciones 100, castigo 0.01, $P(x=sol)=0.66159 $
  • Iteraciones 100, castigo 0.02, $P(x=sol)=0.70314 $
  • Iteraciones 100, castigo 0.03, $P(x=sol)=0.68615 $
  • Iteraciones 100, castigo 0.05, $P(x=sol)=0.7065 $
  • Iteraciones 100, castigo 0.20, $P(x=sol)=0.6696 $
  • Iteraciones 100, castigo 0.30, $P(x=sol)=0.6851 $
  • Iteraciones 100, castigo 0.50, $P(x=sol)=0.6975 $

Algo está mal

Una vez con nuestro análisis, nos acercamos al personaje misterioso y sospechoso. Le decimos que apostamos con él, pero nosotros escogemos sol. El por supuesto rechaza nuestra apuesta, pero nos cuenta que en realidad su moneda saca ocho soles por cada diez volados. Nuestro modelo tiene un error de $10%$ ¿Qué hicimos mal?

Este ejercicio está diseñado para destacar que el número de ejemplos son muy pocos. Con más datos sobre volados y sus resultados, podríamos tener una mejor estimación de la moneda en cuestión. Aquí los resultados de una simulación si hubiéramos visto 100 volados:

$ P(x=sol)=0.82$

Material extra

  • El uso de AVP para calcular el modelo de una moneda es demasiado exagerado, AVP ha sido utilizado en múltiples problemas con miles de variables con mucho éxito. En particular jugó un papel muy importante en la creación de parsers estadísticos.

  • Para saber más sobre que errores que se pueden producir cuando se trabaja
    con aprendizaje automático les recomiendo la plática: Advice for applying machine learning


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