Machine Leaning and System Security

2024/2025

Academic Year

RUS

Instruction in Russian

Delivered at:

Department of Cyber-Physical Systems Information Security

Course type:

Compulsory course

When:

1 year, 3, 4 module

Instructor

Андреева Дарья Александровна

Программа дисциплины

Аннотация

Курс посвящен изучению современных методов машинного обучения (ML) и основ безопасности искусственного интеллекта (AI Safety). Студенты познакомятся с ключевыми идеями и алгоритмами ML, а также с теоретическими и практическими аспектами обеспечения безопасности и надежности AI-систем. В рамках курса будут рассмотрены вопросы управления системами и рисками, связанные с ними, а также обнаружение уязвимостей, интерпретируемость моделей и поддержание систем, использующих AI.

Цель освоения дисциплины

• Ознакомление с основными методами эксплоративного анализа данных.
• Формирование навыков разработки систем машинного обучения.
• Формирование навыков исследования систем машинного обучения с точки зрения бизнеса и науки.

Планируемые результаты обучения

• Определяет основные понятия и задачи машинного обучения
• Различает виды задач и понимает, где нужно какую использовать
• Определяет цели и задачи эксплоративного анализа данных
• Выполняет предварительную обработку данных (очистка, трансформация, устранение пропусков)
• Проводит визуализацию данных для выявления закономерностей и аномалий
• Применяет методы описательной статистики для анализа распределений и взаимосвязей
• Интерпретирует результаты эксплоративного анализа данных и формулирует гипотезы
• Оценивает параметры линейной регрессии методом наименьших квадратов
• Анализирует качество линейных моделей с использованием метрик (MAE, MSE, R²)
• Корректно подбирает метрику под решаемую задачу
• Проводит регуляризацию линейных моделей (Ridge, Lasso) для предотвращения переобучения и понимает, зачем это нужно
• Интерпретирует параметры линейных моделей и их значимость
• Обучает решающие деревья на основе критерия разбиения (Gini, энтропия, MSE)
• Выполняет настройку гиперпараметров решающих деревьев (глубина, минимальное число объектов в узле)
• Анализирует переобучение и недообучение решающих деревьев
• Интерпретирует структуру дерева решений и значимость признаков
• Создаёт архитектуру нейронной сети (полносвязные, сверточные, рекуррентные слои и т.д.) и понимает, для чего используется каждая
• Выполняет настройку гиперпараметров нейронной сети (число слоёв, нейронов, скорость обучения)
• Обучает нейронные сети с использованием оптимизаторов (SGD, Adam) и функций потерь
• Применяет модели векторного представления текста (TF-IDF, word2vec, BERT)
• Решает задачи классификации, кластеризации и поиска по тексту
• Понимает, для чего используется каждая модель и интерпретирует результаты
• Выполняет предварительную обработку изображений (нормализация, масштабирование, аугментация)
• Применяет свёрточные нейронные сети (CNN) для извлечения признаков и классификации изображений
• Решает задачи сегментации, распознавания объектов и восстановления изображений
• Анализирует вклад признаков с помощью методов интерпретации (SHAP, LIME)
• Использует упрощённые модели (линейные модели, деревья решений) для интерпретации сложных моделей
• Визуализирует важность признаков и влияние отдельных переменных на прогноз
• Оценивает устойчивость моделей к выбросам, шуму и изменениям в данных
• Проводит атаки на модели (adversarial attacks) для выявления уязвимостей
• Применяет методы повышения робастности (дополнительные регуляризации, adversarial training)

Содержание учебной дисциплины

• 1. Введение в дисциплину
• 2. Эксплоративный анализ данных
• 3. Линейные модели
• 4. Решающие деревья
• 5. Нейронные сети
• 6. Анализ текстов
• 7. Работа с изображениями
• 8. Интерпретируемость моделей
• 9. Робастность моделей и уязвимости

Элементы контроля

• Опрос на занятиях
• Практические работы
• Контрольные работы
• Экзамен
  Итоговый экзамен по дисциплине проводится в форме пиьсменного экзамена в конце изучения курса в присутствии преподавателя. На экзамене студент получает формуляр с заданиями экзамена, которые должен решить и сдать на проверку в течение 2 (двух) академических часов.

Промежуточная аттестация

• 2024/2025 4th module
  0.15 * Контрольные работы + 0.15 * Опрос на занятиях + 0.4 * Практические работы + 0.3 * Экзамен

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

• Christopher M. Bishop. (n.d.). Australian National University Pattern Recognition and Machine Learning. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsbas&AN=edsbas.EBA0C705
• Hastie, T., Tibshirani, R., & Friedman, J. H. (2009). The Elements of Statistical Learning : Data Mining, Inference, and Prediction (Vol. Second edition, corrected 7th printing). New York: Springer. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsebk&AN=277008
• Manning C. D., Schutze H. Foundations of statistical natural processing. – 1999. – 719 pp.

Рекомендуемая дополнительная литература

• Stephen Boyd, Lieven Vandenberghe, & Lieven V. (2015). Additional Exercises for Convex Optimization. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsbas&AN=edsbas.E7445CE1

Авторы

• Евсютин Олег Олегович
• Андреева Дарья Александровна
• Аксенова Ольга Вениаминовна