Initiez-vous au Machine Learning

Le cycle de travail du data scientist peut se résumer par le schéma ci-dessous. Pour faire simple, on part de la réalité, on récupère les données, on les nettoie, on les explore, puis on utilise nos algorithmes pour créer de l’intelligence (artificielle) qui aide à la décision. Dans la suite, nous allons détailler ces différentes étapes et voir quels sont les différents métiers sur la chaîne de traitement de la donnée.

Une fois que vous êtes décidé à attaquer un problème, la première chose à faire est d'explorer toutes les pistes possibles pour récupérer les données. En effet, les données constituent l'expérience, les exemples que vous allez fournir à votre algorithme de machine learning, afin qu'il puisse apprendre et devenir plus performant.

Tout doit passer au crible ! Les bases de données existantes, des données brutes alternatives (image, son, etc.), et même la création de nouveaux canaux d'acquisition de données. Essayez de trouver l'ensemble des variables qui impactent de près ou de loin le phénomène qui vous intéresse.

Vous trouverez ci-dessous quelques exemples, où les data scientists ont redoublé d'ingéniosité pour récupérer et utiliser leurs données de manière originale.

Les images satellites pour évaluer le niveau de pauvreté

Des chercheurs ont utilisé le machine learning pour pouvoir cartographier les zones de pauvreté de manière automatique, simplement à partir d'images satellites !

Les CAPTCHAs pour la digitalisation automatique de livres

Luis von Ahn, entrepreneur et chercheur, a créé un célèbre système de reCAPTCHA qui permettait à la fois aux sites web de valider que les formulaires étaient bien remplis par des humains, et qui alimentait en même temps la base de données d'un algorithme de digitalisation de livres. Grâce aux nombreux exemples renseignés directement par des humains, l'algorithme a fini par avoir suffisamment de données d'exemples pour réussir ensuite seul à retranscrire en texte des images scannées de livres, avec un taux d'erreur très faible.

Détectez l'illettrisme par l'utilisation du smartphone

Un chercheur norvégien a utilisé plusieurs types de données mobiles (tels que les SMS, le nombre de contacts, etc.) pour détecter les personnes illettrées dans les pays en voie de développement.

Croisez les différentes sources de données

Dans beaucoup de cas, l’innovation en data science dans une entreprise vient de l’originalité de l’utilisation des données et du croisement de différentes sources de données. Pour cela, il faut dans l’idéal posséder une politique de gestion des données dans son entreprise la plus transparente possible. Pour les données, c’est comme pour les ressources humaines : les différents départements organisés en silos communiquent moins et innovent moins par rapport à un environnement ou la transversalité est favorisée. Alors essayez d'éviter les data-silos !

Une fois les données trouvées, il faut passer à l'étape de nettoyage. Pour ne rien vous cacher, ce n'est pas l'étape la plus agréable du travail, mais ça ne la rend pas moins indispensable.

Nettoyer les données, c'est s'assurer qu'elles sont consistantes, sans valeurs aberrantes ni manquantes.

Une autre étape nécessaire, en général, est l’aggrégation de ces données dans un data lake. Nettoyer les données signifie donc qu’elles sont toutes sous le même format, accessibles au même endroit et au bon moment.

Lorsque ces questions deviennent complexes, il faut faire appel au data architect qui, lui, possède une maîtrise technique pour réaliser ces différentes tâches. Ces ingénieurs des Big Datas sont responsables de la création et de l'administration de tous les systèmes techniques qui vont permettre la bonne exploitation des données.

Les données bien propres peuvent maintenant commencer à être explorées. Cette étape vous permet de mieux comprendre les différents comportements et de bien saisir le phénomène sous-jacent.

C'est vraiment une étape à ne pas négliger. Les meilleurs data scientists ne sont pas ceux qui connaissent les algorithmes les plus complexes, mais ceux qui ont une très bonne connaissance des données et ont préparé le terrain avec soin en amont.

À la fin de l’exploration, vous devrez être en mesure de :

• Proposer plusieurs hypothèses sur les causes sous-jacentes à la génération du dataset : "suite à l'exploration, il y a clairement une relation entre X et Y".

• Proposer plusieurs pistes de modélisation statistique des données, qui vont permettre de résoudre la problématique de départ considérée.

• Proposer si nécessaire de nouvelles sources de données qui aideraient à mieux comprendre le phénomène.

Nous pouvons enfin rentrer dans la partie la plus intéressante du métier, c’est-à-dire la création du modèle statistique associé aux données qui nous intéressent ! C'est ce qu'on appelle le machine learning (ou apprentissage automatique). 

En machine learning, et en data science plus généralement, l'objectif est de trouver un modèle (stochastique ou déterministe) du phénomène à l'origine des données. C'est-à-dire qu'on considère que chaque donnée observée est l'expression d'une variable aléatoire générée par une distribution de probabilité.

Le mieux pour expliquer ce que ça signifie est de prendre un petit exemple simple. Imaginez que vous voulez savoir si vous payez trop cher votre loyer. Vous avez récupéré sur un site de location une trentaine de prix des locations disponibles, ainsi que la surface associée :

Si l'on affiche maintenant ces différents points sur un graphe qui représente le montant du loyer en fonction de la surface, on obtient le graphique suivant :

Comme on pouvait s’y attendre, on remarque une augmentation relativement linéaire du loyer par rapport à la surface de l’appartement. Une première modélisation simple du phénomène (le prix du loyer) serait donc simplement de considérer la droite la plus “proche” de l’ensemble des points.

La droite représente donc notre modèle du phénomène, auquel nous pouvons ajouter l'intervalle de confiance dans lequel on pense que se trouve la droite.

Pour résumer, le travail de modélisation consiste à trouver le bon modèle statistique (ici la droite et son intervalle de confiance) qui colle le mieux aux données d'exemple. Le machine learning en particulier intervient pour trouver ce modèle de manière automatisée.

Une fois un premier travail de modélisation effectué, la suite de l’étude s’effectue par l’évaluation de la qualité de notre modèle, c’est-à-dire sa capacité à représenter avec exactitude notre phénomène, ou a minima sa capacité à résoudre notre problématique.

Une représentation connue qui souligne la nécessité de l'évaluation est le quartet d'Anscombe. Il permet de montrer visuellement que pour 4 jeux de données très différents, on obtient la même droite de régression.

Il y a parfois clairement un problème dans notre modèle, qui ne capture pas l'essence du phénomène. Pour nous aider à évaluer les résultats, mesurer l’erreur de notre modélisation vis-à-vis de nos données d’exemple constitue un premier indicateur de qualité. Dans les cas ci-dessus, il faudrait clairement changer le modèle d’une droite que nous avions décidé au départ !

C’est donc un jeu d’allers-retours entre modélisation et évaluation qui s’effectue pour obtenir les performances les plus satisfaisantes possibles. Il est même possible, dans certains cas, de remettre en question certaines hypothèses de départ et de repartir dans une phase d’exploration pour mieux comprendre les données.

Une fois qu’on est satisfait de la qualité des performances de notre modèle, on va pouvoir passer à l’étape suivante, qui est le rendu de nos résultats et le potentiel déploiement du modèle en production. Imaginez que vous trouvez que votre modèle d’évaluation des loyers est très performant et mériterait d’être partagé à plus de monde. Vous décidez donc de le déployer sur un serveur où tout le monde pourra obtenir une estimation de son loyer selon votre modèle, et ainsi déterminer s'il paie plus ou moins que les prix du marché ! Cela l'aidera sûrement dans sa décision de déménager. 😬

Comment cela fonctionne-t-il en pratique ? C’est assez simple, il vous suffit de récupérer les paramètres de votre modèle et de faire passer la surface de l'appartement en entrée du modèle, afin d’obtenir le loyer associé en sortie, en suivant la droite.

Pour des modèles plus complexes, le fonctionnement reste le même. Si vous voulez appliquer votre travail à de nouvelles données, il vous suffit de passer les nouvelles entrées dans votre modèle (qui est en principe un ensemble de transformation des valeurs d’entrées) afin d’obtenir une sortie.

La data science est un nouveau domaine de travail qui augmente les capacités d’analyse classique, afin d’aider les entreprises à prendre des décisions plus informées. Elle s’appuie pour cela sur des données utiles et ne peut s’appliquer que dans certaines problématiques précises qui gagnent à utiliser ce type de méthodes.

Au sein du cycle de travail du data scientist, le machine learning désigne l'ensemble des méthodes de modélisation statistique à partir des données.