Ciencia de datos. Брендан Тирни

contribuciones al aprendizaje estadístico y la ciencia de datos moderna. Laplace tomó las intuiciones de Thomas Bayes y Richard Price y las desarrolló en la primera versión de lo que ahora conocemos como la regla de Bayes. Gauss, en su búsqueda del planeta enano desaparecido Ceres, desarrolló el método de mínimos cuadrados, que nos permite encontrar el mejor modelo que se ajusta a un conjunto de datos de modo que el error en el ajuste minimice la suma de las diferencias al cuadrado entre los puntos de datos en el conjunto de datos y el modelo. El método de mínimos cuadrados proporcionó la base para los métodos de aprendizaje estadístico como la regresión lineal y la regresión logística, así como el desarrollo de modelos de redes neuronales artificiales en inteligencia artificial (volveremos a los mínimos cuadrados, análisis de regresión y redes neuronales en el capítulo 4).

      Entre 1780 y 1820, casi al mismo tiempo que Laplace y Gauss estaban haciendo sus contribuciones al aprendizaje estadístico, un ingeniero escocés llamado William Playfair estaba inventando gráficos estadísticos y sentando las bases para la visualización de datos y el análisis exploratorio de datos modernos. Playfair inventó el gráfico de líneas y el gráfico de área para datos de series temporales, el gráfico de barras para ilustrar comparaciones entre cantidades de diferentes categorías y el gráfico circular para ilustrar proporciones dentro de un conjunto. La ventaja de visualizar datos cuantitativos es que nos permite usar nuestras poderosas habilidades visuales para resumir, comparar e interpretar datos. Es cierto que es difícil visualizar conjuntos de datos grandes (muchos puntos de datos) o complejos (muchos atributos), pero la visualización de datos sigue siendo una parte importante de la ciencia de datos. En particular, es útil para ayudar a los científicos de datos a explorar y comprender los datos con los que están trabajando. Las visualizaciones también pueden ser útiles para comunicar los resultados de un proyecto de ciencia de datos. Desde la época de Playfair, la variedad de gráficos de visualización de datos ha crecido constantemente, y hoy en día hay investigaciones en curso sobre el desarrollo de enfoques novedosos para visualizar grandes conjuntos de datos multidimensionales. Un desarrollo reciente es el algoritmo de incrustación de vecino estocástico distribuido en t (t-SNE), que es una técnica útil para reducir datos de alta dimensión a dos o tres dimensiones, lo que facilita la visualización de esos datos.

      Los desarrollos en la teoría de la probabilidad y las estadísticas continuaron hasta el siglo XX. Karl Pearson desarrolló pruebas de hipótesis modernas, y R. A. Fisher desarrolló métodos estadísticos para el análisis multivariado e introdujo la idea de la estimación de máxima verosimilitud en la inferencia estadística como un método para sacar conclusiones basadas en la probabilidad relativa de eventos. El trabajo de Alan Turing en la Segunda Guerra Mundial condujo a la invención de la computadora electrónica, que tuvo un impacto dramático en las estadísticas porque permitió cálculos estadísticos mucho más complejos. A lo largo de la década de 1940 y las décadas posteriores, se desarrollaron varios modelos computacionales importantes que todavía se usan ampliamente en la ciencia de datos. En 1943, Warren McCulloch y Walter Pitts propusieron el primer modelo matemático de una red neuronal. En 1948, Claude Shannon publicó “Una teoría matemática de la comunicación” y al hacerlo fundó la teoría de la información. En 1951, Evelyn Fix y Joseph Hodges propusieron un modelo para el análisis discriminatorio (lo que ahora se llamaría un problema de clasificación o reconocimiento de patrones) que se convirtió en la base de los modelos de vecinos más cercanos modernos. Estos desarrollos posguerra culminaron en 1956 con el establecimiento del campo de la inteligencia artificial en un taller en Dartmouth College. Incluso en esta etapa temprana del desarrollo de la inteligencia artificial, el término aprendizaje automático estaba comenzando a usarse para describir programas que le daban a una computadora la capacidad de aprender de los datos. A mediados de la década de 1960, se hicieron tres contribuciones importantes al aprendizaje automático. En 1965, el libro de Nils Nilsson titulado Learning Machines mostró cómo las redes neuronales podían usarse para aprender modelos lineales para clasificar. Al año siguiente, Earl B. Hunt, Janet Marin y Philip J. Stone desarrollaron el marco del sistema de aprendizaje de conceptos, que fue el progenitor de una importante familia de algoritmos del aprendizaje automático que indujeron modelos de árbol de decisión a partir de datos según un modelo descedente. Casi al mismo tiempo, varios investigadores independientes desarrollaron y publicaron versiones tempranas del algoritmo de agrupamiento k-means, ahora el algoritmo estándar utilizado para la segmentación de (clientes) datos.

      El campo del aprendizaje automático está en el núcleo de la ciencia de datos moderna porque proporciona algoritmos que pueden analizar automáticamente grandes conjuntos de datos para extraer patrones potencialmente interesantes y útiles. El aprendizaje automático ha seguido desarrollándose e innovando hasta el día de hoy. Algunos de los desarrollos más importantes incluyen modelos de conjunto, donde las predicciones se realizan utilizando un conjunto (o comité) de modelos, con cada modelo votando en cada consulta, y redes neuronales de aprendizaje profundo, que tienen múltiples (es decir, más de tres) capas de neuronas. Estas capas más profundas de la red pueden descubrir y aprender representaciones de atributos complejos (compuestos de múltiples atributos de entrada interactivos que han sido procesados por capas anteriores), que a su vez permiten a la red aprender patrones que se generalizan a través de los datos de entrada. Debido a su capacidad para aprender atributos complejos, las redes de aprendizaje profundo son particularmente adecuadas para datos de alta dimensión y, por lo tanto, han revolucionado una serie de campos, incluida la visión artificial y el procesamiento del lenguaje natural.

      Como discutimos en nuestra revisión de la historia de la base de datos, los primeros años de la década de 1970 marcaron el comienzo de la tecnología de base de datos moderna con el modelo de datos relacionales de Edgar F. Codd y la posterior explosión de la generación y el almacenamiento de datos que condujeron al desarrollo del almacenamiento de datos en la década de 1990 y más recientemente al fenómeno del big data. Sin embargo, mucho antes de la aparición del big data, a fines de los años ochenta y principios de los noventa, era evidente la necesidad de un campo de investigación dirigido específicamente al análisis de estos grandes conjuntos de datos. Fue alrededor de esta época que el término minería de datos comenzó a usarse en las comunidades de bases de datos. Como ya hemos discutido, una respuesta a esta necesidad fue el desarrollo de almacenes de datos. Sin embargo, otros investigadores de bases de datos respondieron contactándose con otros campos de investigación, y en 1989 Gregory Piatetsky-Shapiro organizó el primer taller sobre descubrimiento de conocimiento en bases de datos (KDD). El anuncio del primer taller de KDD resume claramente cómo el taller se centró en un enfoque multidisciplinario para el problema del análisis de grandes bases de datos.

      El descubrimiento de conocimiento en bases de datos plantea muchos problemas interesantes, especialmente cuando las bases de datos son grandes. Dichas bases de datos suelen ir acompañadas de un conocimiento sustancial del dominio que puede facilitar significativamente el descubrimiento. El acceso a grandes bases de datos es costoso, de ahí la necesidad de muestreo y otros métodos estadísticos. Finalmente, el descubrimiento de conocimiento en bases de datos puede beneficiarse de muchas herramientas y técnicas disponibles de varios campos diferentes, incluidos sistemas expertos, aprendizaje automático, bases de datos inteligentes, adquisición de conocimiento y estadísticas.1

      De hecho, los términos descubrimiento de conocimiento en bases de datos y minería de datos describen el mismo concepto, la distinción es que la minería de datos es más frecuente en las comunidades empresariales y el KDD es más frecuente en las comunidades académicas. Hoy en día, estos términos se usan indistintamente,2 y muchos de los principales lugares académicos usan ambos. De hecho, la principal conferencia académica en este campo es la Conferencia Internacional sobre Descubrimiento de Conocimiento y Minería de Datos.

      El surgimiento y la evolución de la ciencia de datos

      El término ciencia de datos adquirió importancia a fines de la década de 1990 en discusiones relacionadas con la necesidad de que los estadísticos se unieran a los científicos informáticos para aportar rigor matemático al análisis computacional de grandes conjuntos de datos. En 1997, la conferencia pública de C. F. Jeff Wu “¿Estadísticas = Ciencia de datos?” destacó una serie de tendencias prometedoras para la estadística, incluida la disponibilidad de conjuntos de datos grandes/complejos