Was ist Machine Learning (ML)?

Machine Learning (ML), oder auf Deutsch maschinelles Lernen, begegnet uns heute fast überall – sei es in personalisierten Empfehlungen auf Streaming-Plattformen, den intelligenten Funktionen von digitalen Assistenten oder bei der automatisierten Bilderkennung in sozialen Medien. Doch was ist maschinelles Lernen einfach erklärt und wie funktioniert diese Schlüsseltechnologie der künstlichen Intelligenz (KI) in der Praxis? In diesem Ratgeber bekommst du nicht nur eine Definition von Machine Learning – wir erklären dir außerdem ganz einfach, welche Arten von maschinellem Lernen es gibt, und zeigen dir Beispiele für reale Anwendungen, wie im Marketing oder in der IT-Sicherheit. Du erfährst, welche Herausforderungen beim Einsatz von ML bestehen und was die Zukunft dieser faszinierenden Technologie bringt.

• Machine Learning ist ein Teilbereich der künstlichen Intelligenz, bei dem Maschinen aus Daten lernen und eigenständig Muster erkennen, ohne explizit programmiert zu werden

• Es gibt vier Hauptarten von Algorithmen: überwachtes, unüberwachtes, teilüberwachtes und verstärkendes Lernen

• Maschinelles Lernen kommt in vielen Bereichen zum Einsatz, z.B. in der IT-Sicherheit, im Marketing, bei digitalen Assistenten und in der Logistik

• Die Zukunft von Machine Learning bietet vielfältige Lösungen für komplexe Probleme, erfordert aber auch die Berücksichtigung von ethischen Herausforderungen und Datenqualität

Definition: Was ist maschinelles Lernen?

Um einfach zu erklären, was maschinelles Lernen (engl. Machine Learning) ist, gehen wir zurück in das Jahr 1959. Zu diesem Zeitpunkt wurde der Begriff erstmals von dem Informatiker Arthur Samuel geprägt, der an einem frühen Lernalgorithmus arbeitete, um Maschinen das Schachspielen beizubringen. Hier entstand der Basisgedanke, dass Maschinen eigenständig aus Erfahrung lernen können, anstatt nur starr programmierten Regeln zu folgen – ein Konzept, das zur heutigen Definition von Machine Learning führt: 

Maschinelles Lernen ist ein Teilbereich der künstlichen Intelligenz, der es Maschinen ermöglicht, aus Daten zu lernen und Muster zu erkennen, ohne explizit programmiert zu sein. Statt einer festen Programmierung verwenden diese Systeme einen Algorithmus, um sich aus Beispieldaten Wissen anzueignen und auf dieser Grundlage Vorhersagen oder Entscheidungen zu treffen.

Wie funktioniert maschinelles Lernen?

Machine Learning funktioniert, indem ein System mit großen Datenmengen trainiert wird, um Muster zu erkennen und eigenständig Vorhersagen zu treffen. Mithilfe von Algorithmen verarbeitet es die Daten und passt sein Modell durch wiederholtes Lernen an, um die Genauigkeit der Ergebnisse kontinuierlich zu verbessern. Das Ziel ist es, aus Beispieldaten zu lernen, um auf neue, unbekannte Daten angewendet zu werden.

Um ein besseres Verständnis dafür zu bekommen, wie maschinelles Lernen funktioniert, schauen wir uns den gesamten Prozess Schritt für Schritt an.

Wie funktioniert der Machine Learning Prozess im Detail?

Der Prozess des maschinellen Lernens verläuft in mehreren Schritten, die systematisch aufeinander aufbauen:

1. Datensammlung

Der erste Schritt besteht darin, große Mengen an Trainingsdaten zu sammeln. Diese Daten können aus unterschiedlichen Quellen stammen, wie z.B. Bilder, Texte oder numerische Daten. Die Qualität und Menge der Daten sind entscheidend für den Erfolg des Modells.

2. Datenvorbereitung

In diesem Schritt werden die gesammelten Daten aufbereitet. Dies beinhaltet das Bereinigen der Daten von Fehlern, das Entfernen von irrelevanten Informationen und das Strukturieren der Datensätze, um als geeignetes Format für den Lernalgorithmus in Frage zu kommen. Oft werden die Daten auch normalisiert, um Konsistenz zu gewährleisten.

3. Merkmalsextraktion

Nun kommt es zur Extraktion relevanter Muster oder Merkmale aus den aufbereiteten Datensätzen, die für den Algorithmus wichtig sind. Dieser Schritt hilft dabei, die Komplexität der Daten zu reduzieren und die wichtigsten Informationen für das Lernverfahren hervorzuheben.

4. Modellauswahl

Der nächste Schritt ist die Auswahl eines passenden Algorithmus für das maschinelle Lernen. Es gibt verschiedene Algorithmen, die je nach Anwendungsfall und Art der Daten verwendet werden. Beispiele hierfür sind Entscheidungsbäume, neuronale Netze oder Support-Vektor-Maschinen.

5. Training des Modells

Nach der Auswahl eines Algorithmus wird das Modell mit den Datenbeständen trainiert. Das System analysiert die Daten, erkennt Muster und passt die internen Parameter des Modells an, um möglichst genaue Vorhersagen zu treffen. Dieser Schritt erfordert oft mehrere Durchläufe, um das Modell zu optimieren.

6. Evaluierung des Modells

In diesem Schritt findet das Testen des zuvor trainierten Modells statt. Dabei verwendet man Testdaten, die das Modell noch nicht gesehen hat, um die Genauigkeit der Vorhersagen zu überprüfen. Es wird evaluiert, wie gut das Modell auf neuen, unbekannten Daten funktioniert.

7. Modellanpassung

Basierend auf den Ergebnissen der Evaluierung kann es zur weiteren Optimierung des Modells kommen. Hier können die Parameter des Algorithmus angepasst oder mehr Trainingsdatensätze gesammelt werden, um das Modell zu verbessern.

8. Einsatz des Modells

Sobald das Modell zufriedenstellend arbeitet, kann es in der Praxis eingesetzt werden. Es wird nun genutzt, um auf neue, reale Daten angewendet zu werden, und liefert Vorhersagen oder Entscheidungen basierend auf den zuvor gelernten Mustern.

Arten von Algorithmen beim Machine Learning

Es gibt vier übergeordnete Arten von Algorithmen beim maschinellen Lernen: 

• Überwachtes Lernen: Algorithmen lernen anhand von beschrifteten Daten

• Unüberwachtes Lernen: Ein Algorithmus entdeckt Muster in unbeschrifteten Daten

• Teilüberwachtes Lernen: Eine Kombination aus beschrifteten und unbeschrifteten Daten

• Verstärkendes Lernen: Algorithmen lernen durch Belohnung und Bestrafung

Jede dieser Methoden nutzt unterschiedliche Ansätze, um Maschinen das Lernen aus Daten zu ermöglichen. Daher ist es sinnvoll, sich die verschiedenen Methoden genauer anzusehen:

Überwachtes Lernen

Beim überwachten Lernen (Supervised Learning) wird der Algorithmus mit einem Datensatz trainiert, der sowohl Eingabedaten als auch die dazugehörigen korrekten Ausgabewerte enthält. Dies bedeutet, dass jeder Trainingsdatensatz mit einer richtigen Antwort verknüpft ist, sodass der Algorithmus lernen kann, aus den Eingaben Vorhersagen zu treffen. Das Ziel ist es, nach dem Training auf diesen beschrifteten Trainingsdaten die Fähigkeit zu entwickeln, auch für neue, unbekannte Daten die korrekten Vorhersagen zu machen. Klassifikations- und Regressionsmodelle sind typische Beispiele für überwachte Lernverfahren.

Unüberwachtes Lernen

Im Gegensatz zum überwachten Lernen werden beim unüberwachten Lernen (Unsupervised Learning) die Datenmengen nicht beschriftet. Das bedeutet, der Algorithmus hat keine vorgegebenen Ausgaben, sondern muss selbstständig Muster und Strukturen in den Daten erkennen. Ein typisches Beispiel ist das Clustering, bei dem der Algorithmus Datenpunkte basierend auf ihrer Ähnlichkeit gruppiert. Unüberwachtes Lernen kommt oft zum Einsatz, um Zusammenhänge in großen, komplexen Datenmengen zu finden, die auf den ersten Blick nicht erkennbar sind.

Teilüberwachtes Lernen

Das teilüberwachte Lernen (Semi-Supervised Learning) kombiniert Elemente des überwachten und unüberwachten Lernens. Dieser Ansatz verwendet sowohl beschriftete als auch unbeschriftete Beispieldaten. Meistens ist nur ein kleiner Teil der Daten beschriftet, während der Großteil unbeschriftet bleibt. Der Algorithmus nutzt die beschrifteten Daten, um sich zu orientieren und kann anschließend auf den unbeschrifteten Datenbeständen aufbauen, um bessere Vorhersagen zu treffen. Die Methode ist besonders nützlich, wenn das Sammeln und Labeln von Daten teuer oder zeitaufwändig ist.

Verstärkendes Lernen

Beim verstärkenden Lernen (Reinforcement Learning) findet ein Belohnungssystem beim Training des Algorithmus Anwendung. Der Lernalgorithmus trifft Entscheidungen, die zu einer Handlung führen, und erhält daraufhin Feedback in Form von Belohnungen oder Bestrafungen. Das Ziel besteht darin, durch Trial und Error zu lernen, welche Handlungen zu den besten Ergebnissen führen. Dieser Ansatz wird häufig in Bereichen wie der Robotik oder bei Spielen eingesetzt, wo Entscheidungen in einer dynamischen Umgebung getroffen werden müssen.

Beispiele für Anwendungsfälle von maschinellem Lernen

Machine Learning findet in vielen Bereichen praktische Anwendung, von Kundenbeziehungsmanagement bis zur IT-Sicherheit. Hier sind einige zentrale Anwendungsfälle:

• Customer Relationship Management (CRM): Optimierung von Kundeninteraktionen

• Personalisierung im Marketing: Maßgeschneiderte Inhalte und Empfehlungen

• IT-Sicherheit: Erkennung von Bedrohungen und Angriffen

• Digitale Assistenten: Sprachverarbeitung und Automatisierung

• Mobilität und Logistik: Effizienzsteigerung und Routenoptimierung

Um besser zu verstehen, wie vielseitig der Einsatz dieser Technologie ist, werfen wir einen genaueren Blick auf einige zentrale Anwendungsbereiche von Machine Learning und ihre praktischen Vorteile.

Machine Learning im Customer Relationship Management (CRM)

Maschinelles Lernen spielt im Customer Relationship Management (CRM) eine wichtige Rolle, um Unternehmen zu helfen, ihre Kunden besser zu verstehen und personalisierte Erlebnisse zu schaffen. ML-Algorithmen analysieren große Mengen an Kundendaten, um Verhaltensmuster und Vorlieben zu erkennen. Auf dieser Grundlage können Unternehmen Vorhersagen über zukünftige Kundenbedürfnisse treffen und die Kundenbindung durch maßgeschneiderte Angebote und optimierte Kommunikation verbessern. Zudem kann ein Lernalgorithmus zur automatischen Einstufung und Priorisierung von Kundenanfragen zum Einsatz kommen, um den Service zu verbessern und Vertriebschancen effizienter zu identifizieren.

Maschinelles Lernen für die Personalisierung im Marketing

Im Marketing findet Machine Learning Anwendung, um Inhalte und Werbebotschaften an die individuellen Interessen und Vorlieben der Kunden anzupassen. Durch die Analyse von Datenmengen, wie z.B. das Surf- und Kaufverhalten, können Unternehmen mit Hilfe von ML personalisierte Empfehlungen und gezielte Werbung ausspielen. Dies erhöht nicht nur die Wahrscheinlichkeit von Conversions, sondern verbessert auch die Kundenerfahrung, indem die Unternehmen relevante Inhalte zur richtigen Zeit anbieten. Deep Learning-Modelle können sogar Vorhersagen darüber treffen, welche Produkte oder Dienstleistungen ein Kunde als Nächstes benötigt.

IT-Sicherheit und Machine Learning

Um Bedrohungen in Echtzeit zu erkennen und zu verhindern, stellt maschinelles Lernen in der IT-Sicherheit ein unverzichtbares Werkzeug dar. ML-Algorithmen können Netze überwachen und automatisch Muster identifizieren, die auf potenzielle Sicherheitsvorfälle, wie Hackerangriffe oder Datenlecks, hindeuten. Durch das kontinuierliche Lernen aus neuen Daten können diese Systeme schneller auf unbekannte Bedrohungen reagieren und eine zusätzliche Schutzschicht gegen Cyberangriffe bieten. Darüber hinaus ist Machine Learning in der Lage Anomalien zu identifizieren, um ungewöhnliche Aktivitäten frühzeitig zu entdecken.

Anwendung von Machine Learning bei digitalen Assistenten

Digitale Assistenten, wie z.B. Siri, Alexa oder Google Assistant, basieren stark auf maschinellem Lernen, insbesondere in den Bereichen Sprachverarbeitung und Automatisierung. Machine Learning ermöglicht es diesen Assistenten, Sprache zu verstehen, Nutzeranfragen zu analysieren und passende Antworten zu geben. Durch Deep Learning-Techniken können diese Assistenten zudem mit der Zeit besser auf die individuellen Bedürfnisse von Menschen eingehen und die Genauigkeit ihrer Antworten verbessern. Maschinelles Lernen sorgt dafür, dass diese Systeme ständig aus ihren Interaktionen lernen und immer smarter werden.

Anwendung bei Mobilität und Logistik

In der Mobilität und Logistik verbessert maschinelles Lernen die Effizienz von Prozessen, wie z.B. die Routenplanung, Fahrzeugwartung und Lageroptimierung. Algorithmen können große Datenmengen analysieren, um Verkehrsströme vorherzusagen, optimale Lieferwege zu finden oder Wartungsarbeiten vorausschauend zu planen. Durch die Anwendung von ML sind Unternehmen in der Lage, Lieferzeiten zu verkürzen, die Kosten zu senken und die Kundenzufriedenheit zu steigern. Insbesondere in der Logistik kommt Machine Learning zum Einsatz, um Warenströme in Echtzeit zu überwachen und Engpässe frühzeitig zu erkennen.

Herausforderungen bei der Verwendung von Machine Learning

Trotz seiner Vorteile bringt Machine Learning einige Herausforderungen mit sich. Eine der größten Hürden ist die Qualität der Daten. Modelle benötigen große Datenmengen, um genaue Ergebnisse zu liefern. Unvollständige oder fehlerhafte Daten können allerdings zu falschen Vorhersagen führen, was in diesem Zusammenhang bedeutet, dass der Erfolg von Machine Learning stark von der Datenqualität abhängt.

Ein weiteres Problem ist die Erklärbarkeit komplexer Modelle wie Deep Learning, die oft als „Black Box“ agieren, was es für Menschen schwierig macht, Entscheidungen nachzuvollziehen. Zudem sind die Implementierung und der Betrieb von Machine Learning-Modellen oft teuer und ressourcenintensiv. Schließlich stellt auch die ethische Nutzung, insbesondere in Bezug auf Daten- und AI-bias, eine Herausforderung dar.

Was bedeutet Machine Learning für die Zukunft?

Da wir nun klären konnten, was Machine Learning einfach erklärt ist und wie es funktioniert, stellt sich die Frage: Welche Rolle wird ML in der Zukunft spielen? Machine Learning hat das Potenzial, in nahezu allen Bereichen des Lebens innovative Lösungen zu bieten – von personalisierter Medizin bis hin zu smarter Mobilität. Die Technologie wird immer leistungsfähiger, und je mehr Daten zur Verfügung stehen, desto präziser und effizienter können ML-Modelle agieren. Vor allem in Bereichen wie Klimaschutz, Bildung und Gesundheit könnte diese Methode der künstlichen Intelligenz dabei helfen, komplexe Probleme schneller zu lösen, Prozesse zu automatisieren und neue Möglichkeiten zu schaffen. Da die Technik jedoch ständig weiterentwickelt wird, ist es auch wichtig, die ethischen Herausforderungen und potenziellen Risiken im Blick zu behalten. Machine Learning wird zweifellos eine Schlüsseltechnologie der kommenden Jahrzehnte sein.

Häufige Fragen zum Thema Machine Learning 

Hier findest du die meistgestellten Fragen zum maschinellen Lernen sowie die passenden Antworten dazu.

Was ist der Unterschied zwischen KI und Machine Learning? 

Künstliche Intelligenz ist ein übergeordneter Begriff für Maschinen, die Intelligenzprozesse ausführen können, welche denen von Menschen ähneln: so z.B. Lernen und Lösungen für Probleme finden. Machine Learning ist eine spezifische Unterkategorie der KI, bei der Maschinen auf Basis von Daten lernen, ohne explizit programmiert zu werden. Während KI viele Techniken umfasst, ist maschinelles Lernen eine Methode, um künstliche Intelligenz zu realisieren.

Ist ChatGPT KI oder Machine Learning? 

ChatGPT ist ein Modell der künstlichen Intelligenz, das auf Machine Learning basiert, genauer gesagt auf Deep Learning. Es verwendet riesige Datenmengen, um Text zu generieren, indem es Muster und Strukturen in der Sprache erkennt. Somit ist maschinelles Lernen sowohl ein Beispiel für KI als auch eine Anwendung von Machine Learning.

ChatGPT gehört zur Kategorie der künstlichen Intelligenz, da es menschenähnliche Interaktionen simuliert, aber die zugrunde liegende Technologie basiert auf Machine Learning, um durch Trainingsdaten genaue und kohärente Antworten zu liefern. Es nutzt neuronale Netze, um kontinuierlich bessere Lösungen zu liefern.

Was ist der Unterschied zwischen Deep Learning und Machine Learning?

Deep Learning ist eine spezielle Form des Machine Learning, bei der künstliche neuronale Netze zum Einsatz kommen. Diese bestehen aus mehreren Schichten und können große Datenmengen verarbeiten. Maschinelles Lernen umfasst verschiedene Ansätze, bei denen Maschinen durch Daten lernen, aber nicht immer auf neuronalen Netzen basieren. Deep Learning wird vor allem bei sehr komplexen Aufgaben verwendet, wie der Bilderkennung oder Sprachverarbeitung.

Während Machine Learning auch einfachere Algorithmen wie Entscheidungsbäume oder lineare Regression nutzt, sind Deep Learning-Modelle darauf ausgelegt, hochkomplexe Muster zu erkennen und autonom bessere Lösungen für Aufgaben zu entwickeln. Diese Modelle benötigen aber auch mehr Rechenleistung und größere Datenmengen als herkömmliche Machine Learning-Methoden, um effektiv zu funktionieren.

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