O que é meta-aprendizado?

Diferentemente do aprendizado supervisionado convencional, em que os modelos são treinados para resolver uma tarefa específica usando um conjunto de dados de treinamento definido, o processo de meta-aprendizado envolve uma variedade de tarefas, cada uma com seu próprio conjunto de dados associado. Com base nesses vários eventos de aprendizado, os modelos adquirem a capacidade de generalização entre tarefas, podendo se adaptar com rapidez a novos cenários, mesmo com poucos dados.

Os algoritmos de meta-aprendizado são treinados com base nas previsões e metadados de outros algoritmos de aprendizado de máquina. Os algoritmos de meta-aprendizado geram previsões próprias e informações que servem para melhorar o desempenho e os resultados de outros algoritmos de aprendizado de máquina.

O meta-aprendizado envolve duas fases principais: o metatreinamento e o metateste. Em ambas as fases, um modelo aprendiz de base ajusta e atualiza seus parâmetros conforme aprende. O conjunto de dados utilizado é dividido em um conjunto de apoio para metatreinamento e um conjunto de teste para metatestes.

Na fase de metatreinamento, o modelo de aprendizado de base é fornecido com uma ampla gama de tarefas. O objetivo do modelo é descobrir padrões comuns entre essas tarefas e adquirir um amplo conhecimento que possa ser empregado na resolução de tarefas novas.

Durante a fase de metateste, o desempenho do modelo aprendiz de base é avaliado por meio de tarefas que ele não tinha recebido durante o treinamento. A eficácia do modelo é medida pela qualidade e rapidez com que ele se adapta a essas novas tarefas usando o conhecimento adquirido e a compreensão generalizada.

Há três abordagens típicas de meta-aprendizado. Veja a seguir como cada abordagem funciona e seus diferentes tipos:

O meta-aprendizado baseado em métricas concentra-se no aprendizado de uma função que calcula uma métrica de distância, que corresponde a uma medida da similaridade entre dois pontos de dados. Essa abordagem é semelhante ao algoritmo dos k vizinhos mais próximos (KNN), que utiliza a proximidade para fazer classificações ou previsões.

Uma rede neural convolucional siamesa consiste em redes neurais convolucionais gêmeas idênticas que compartilham parâmetros e pesos. As atualizações de parâmetros são espelhadas nas duas redes. As duas redes são conectadas por uma função de perda que calcula uma métrica de distância (normalmente similaridade em pares).¹

O conjunto de dados de treinamento é composto por pares de amostras correspondentes e não correspondentes. Com isso, as redes neurais convolucionais siamesas aprendem a calcular a similaridade em pares, maximizando a distância euclidiana entre pares não correspondentes ou diferentes e minimizando a distância entre pares correspondentes ou semelhantes.¹

As redes correspondentes aprendem a prever a classificação medindo uma métrica de distância conhecida como similaridade de cosseno entre duas amostras.²

Uma rede de relações aprende uma métrica de distância não linear profunda para comparar itens. A rede classifica os itens calculando as pontuações de relação, que representam a semelhança entre os itens.³

As redes prototípicas calculam a média de todas as amostras de uma classe para criar um protótipo para ela. Assim, a rede aprende um espaço métrico, onde as tarefas de classificação são realizadas por meio do cálculo da distância euclidiana ao quadrado entre um ponto de dados específico e a representação do protótipo de uma classe.⁴

O meta-aprendizado baseado em modelos envolve o aprendizado dos parâmetros de um modelo, o que pode favorecer o aprendizado rápido a partir de dados esparsos.

Uma rede neural aprimorada pela memória (MANN) é equipada com um módulo de memória externo para permitir o armazenamento estável e a codificação e recuperação rápidas das informações.⁵

No meta-aprendizado, as MANNs podem ser treinadas para aprender uma técnica geral para os tipos de representações a serem armazenadas na memória externa e um método para usar essas representações para fazer previsões. As MANNs demonstraram ter um bom desempenho em tarefas de regressão e classificação.⁵

O MetaNet (abreviação de metarredes - Meta Networks) é um modelo de meta-aprendizado que pode ser aplicado no aprendizado por imitação e aprendizado por reforço. Assim como os MANNs, as metarredes também possuem memória externa.⁶

A MetaNet é composta por um aprendiz base e um meta-aprendiz trabalhando em níveis espaciais separados. O meta-aprendiz adquire conhecimento geral por meio de diferentes tarefas em um metaespaço. O aprendiz base recebe uma tarefa de input e envia metadados sobre o espaço da tarefa atual para o meta-aprendiz. Com base nessas informações, o meta-aprendiz faz uma parametrização rápida para atualizar os pesos em ambos os espaços.⁶

O deep learning geralmente exige várias atualizações iterativas dos parâmetros do modelo por meio de retropropagação e do algoritmo de otimização de gradiente descendente. No meta-aprendizado baseado em otimização, às vezes chamado de meta-aprendizado baseado em gradiente, o algoritmo aprende quais parâmetros iniciais do modelo ou hiperparâmetros de redes neurais profundas podem ser ajustados com eficiência para tarefas relevantes. Isso geralmente significa metaotimização, ou seja, a otimização do próprio algoritmo de otimização.

Esse método de meta-aprendizado baseado em otimização utiliza uma arquitetura popular de rede neural recorrente chamada de redes de memória de longo e curto prazo (LSTM) para treinar um meta-aprendiz a adquirir conhecimento de longo prazo compartilhado entre tarefas e conhecimento de curto prazo em cada tarefa. Assim, o meta-aprendiz otimiza outro classificador de rede neural de aprendiz. Ele aprende uma inicialização dos parâmetros do aprendiz para convergência rápida de treinamento e como atualizar esses parâmetros de forma eficiente com um pequeno conjunto de treinamento, ajudando o aprendiz a se adaptar a novas tarefas com rapidez.⁷

Como o próprio nome indica, esse algoritmo de meta-aprendizado baseado em otimização é independente de modelos. Isso o torna compatível com qualquer modelo treinado usando gradiente descendente e adequado para resolver vários problemas de aprendizado, como classificação, regressão e aprendizado por reforço.⁸

A ideia central por trás do MAML é treinar os parâmetros iniciais do modelo de modo que algumas atualizações de gradiente resultem em aprendizado rápido sobre uma nova tarefa. O objetivo é determinar os parâmetros do modelo que são sensíveis a alterações em uma tarefa, de modo que pequenas alterações nesses parâmetros levem a grandes melhorias na função de perda da tarefa. A meta-otimização entre tarefas é feita usando gradiente descendente estocástico (SGD).⁸

Ao contrário do gradiente descendente, que calcula derivadas para otimizar os parâmetros de um modelo para uma determinada tarefa, o MAML calcula derivadas de segunda ordem para otimizar os parâmetros iniciais de um modelo para a otimização específica da tarefa. Uma versão modificada do meta-aprendizado independente de modelo, conhecida como MAML de primeira ordem ou FOMAML, omite as derivadas de segunda ordem para um processo menos dispendioso em termos computacionais.⁸

O Reptile é um algoritmo de meta-aprendizado baseado em gradiente de primeira ordem semelhante ao FOMAML. Ele coleta repetidamente amostras de uma tarefa, treina nessa tarefa por meio de várias etapas de gradiente descendente e migra o peso do modelo para os novos parâmetros.⁹

Para demonstrarmos ainda mais a versatilidade do meta-aprendizado, veja algumas maneiras pelas quais ele pode ser usado dentro do próprio domínio do aprendizado de máquina:

O meta-aprendizado pode ser usado em diferentes áreas do setor de tecnologia, entre as quais:

O meta-aprendizado tem muito potencial. Veja algumas de suas vantagens:

O meta-aprendizado pode ser usado para criar modelos de IA mais generalizados que aprendem a realizar muitas tarefas relacionadas. Devido a essa flexibilidade, os sistemas de meta-aprendizado se adaptam com rapidez a novas tarefas e campos diferentes.

O meta-aprendizado permite o aprendizado com poucas amostras, podendo dispensar grandes volumes de dados. Isso pode ser particularmente útil para domínios em que a coleta e a preparação dos dados sejam trabalhosas e demoradas.

Graças à sua eficiência de dados e aprendizagem rápida, o meta-aprendizado pode acelerar o processo de treinamento e reduzir seus custos.

Apesar das promessas do meta-aprendizado, ele também apresenta desafios. Veja aqui alguns deles:

Às vezes, a quantidade de dados para treinar os modelos de IA é insuficiente, sobretudo em domínios especializados. Ou, casa haja dados disponíveis, a qualidade pode não ser adequada para treinar algoritmos de meta-aprendizado com eficiência.

Uma variabilidade insuficiente entre as tarefas no conjunto de apoio para o metatreinamento pode levar ao overfitting. Isso significa que o algoritmo de metaaprendizado pode ser aplicável apenas a tarefas específicas, sem conseguir realizar uma generalização eficaz em um amplo espectro de tarefas.

Por outro lado, a variabilidade em excesso entre as tarefas no conjunto de apoio para o metatreinamento pode levar ao underfitting. Isso significa que o algoritmo de meta-aprendizado pode não ser capaz de usar seu conhecimento na solução de outra tarefa e pode ter dificuldade para se adaptar a novas situações. Portanto, é fundamental ter um equilíbrio na variabilidade das tarefas.