Veri Çoğalınca Zekâ Neden Körleşir?

Makine öğrenmesinde sık yapılan sezgisel hata şudur: Daha fazla değişken, daha fazla bilgi demektir; daha fazla bilgi de daha iyi tahmin. Kulağa mantıklı gelir. Hatta bir dedektif gibi düşünürsek, olay yerindeki her iz kıymetlidir. Fakat yüksek boyutlu veri dünyasında dedektifin cebine o kadar çok ipucu doldururuz ki, sonunda fail değil, cebin ağırlığı bulunur. İşte boyutluluk laneti tam olarak burada başlar: Değişken sayısı arttıkça problem zenginleşmez, çoğu zaman seyrekleşir, bulanıklaşır ve öğrenilmesi zorlaşır.

Boyut arttıkça uzay şişer

Bir veri noktasını iki değişkenle düşünmek kolaydır: x ve y ekseninde bir nokta. Üç boyutta hâlâ zihnimiz idare eder. Peki ya 100 boyut? 1000 boyut? Burada mesele sadece görselleştirme zorluğu değildir. Asıl sorun, uzayın hacminin patlayıcı biçimde büyümesidir. Bir odaya 10 sandalye koyarsanız dolu görünür. Aynı 10 sandalyeyi bir stadyuma koyarsanız neredeyse boşlukta kaybolurlar. Veri noktaları da yüksek boyutlarda böyle kaybolur: Elinizde çok örnek var sanırsınız ama uzay o kadar büyümüştür ki her nokta yalnız başına kalır.

Makine öğrenmesi modelleri örüntü bulmak ister. Örüntü bulmak için de benzer örneklerin birbirine yakın olması gerekir. Fakat boyut sayısı arttıkça yakınlık kavramı bozulur. En yakın komşu ile en uzak komşu arasındaki fark azalabilir. Mesafe ölçüleri anlamını yitirmeye başlar. Kısacası algoritmaya, mahalledeki benzer evleri bul diyorsunuz; fakat mahalle bir anda galaksiye dönüşüyor ve bütün evler birbirinden kozmik ölçekte uzaklaşıyor.

Her değişken bilgi değildir

Boyutluluk lanetinin en sinsi tarafı, değişkenlerin hepsinin eşit derecede yararlıymış gibi görünmesidir. Bir müşterinin yaşı, geliri ve önceki alışverişleri anlamlı olabilir. Ama tarayıcı pencere genişliği, formu doldurduğu saniyenin tek mi çift mi olduğu, kullandığı cihazın pil yüzdesi gibi değişkenler modele girdiğinde işler karışır. Model, gerçekten nedensel ya da istatistiksel olarak güçlü sinyali öğrenmek yerine, gürültünün içinde rastlantısal desenlere âşık olabilir.

Bu noktada aşırı öğrenme sahneye çıkar. Model eğitim verisinde harika sonuç verir; çünkü oradaki tesadüfleri bile ezberlemiştir. Ama yeni veri geldiğinde büyü bozulur. Sanki sınav sorularını ezberlemiş ama konuyu anlamamış bir öğrenci gibidir. Eğitimde parıldar, gerçek hayatta tökezler. Çok boyutlu veri, kötü düzenlenmişse modele bilgelik değil, özgüvenli cehalet verir.

Örnek sayısı neden yetmez?

Boyut arttıkça gereken veri miktarı da doğrusal değil, çoğu zaman üstel biçimde artar. Bir değişkeni 10 aralığa böldüğünüzü düşünün. İki değişkende 100 hücre oluşur. On değişkende 10 milyar hücre. Her hücrede yeterli örnek olsun istiyorsanız veri ihtiyacı astronomikleşir. Bu yüzden yüksek boyutlu problemlerde yalnızca daha çok veri toplamak her zaman çözüm değildir. Bazen veri toplamak, kovayla okyanusu doldurmaya benzer.

Çözüm, değişkenleri körlemesine çoğaltmak değil, bilgiyi sıkıştırmak ve anlamlı olanı ayıklamaktır. Öznitelik seçimi, gereksiz değişkenleri dışarıda bırakır. Boyut indirgeme yöntemleri, özellikle PCA gibi teknikler, verideki ana varyasyon yönlerini bulup daha düşük boyutlu bir temsil üretir. Düzenlileştirme yöntemleri modelin fazla karmaşıklaşmasını engeller. Karar ağaçları, gömülü yöntemler ve gözetimli öznitelik önem skorları da hangi değişkenlerin gerçekten işe yaradığını gösterebilir.

Derin öğrenmede bile bu lanet yok olmaz; sadece biçim değiştirir. Sinir ağları temsil öğrenebilir, yani ham veriden daha kullanışlı özellikler çıkarabilir. Ancak yeterli veri, uygun mimari, düzenlileştirme, doğrulama stratejisi ve dikkatli değerlendirme yoksa yüksek boyut yine tuzak kurar. Özellikle metin, görüntü ve genomik gibi alanlarda her piksel, kelime ya da gen bir değişken gibi davranabilir. Burada başarı, çokluğu olduğu gibi yutmakta değil, onu anlamlı yapıya dönüştürmektedir.

Boyutluluk laneti bize teknik olduğu kadar felsefi bir ders de verir: Her şeyi ölçmek, her şeyi anlamak değildir. Bir modele daha fazla sütun eklemek, ona daha fazla akıl vermeyebilir; bazen sadece daha geniş bir labirent inşa eder. İyi veri bilimi, değişken biriktirme sanatı değil, ayırt etme disiplinidir. Soru şudur: Modelin görmesini istediğimiz dünya gerçekten zengin mi, yoksa biz sadece gürültüyü yüksek çözünürlükte mi kaydediyoruz?

Gözün Görmediği Boyutu Çizmek: Dördüncü Boyutun Sanatsal Kışkırtması

Bir karınca kâğıdın üzerinde yürürken kalemin yukarıdan inişini nasıl anlamlandıramazsa, biz de dördüncü boyutun sanatını çoğu zaman ancak gölgeleriyle yakalarız. Üç boyutlu bir beyin, dördüncü boyutu doğrudan göremez; fakat sanat zaten çoğu kez görüleni kopyalamak değil, görünmeyenin izini sürmektir. Ressamın tuvali, heykeltıraşın taşı, dijital sanatçının ekranı burada birer kaçış tüneline dönüşür: Algının hapishanesinden sezginin açık arazisine geçiş.

Dördüncü boyutu düşünmek için önce alçakgönüllü olmak gerekir. Bir küpün iki boyutlu bir kâğıda çizimi aslında bir hiledir: Perspektif. Kâğıt düzdür ama biz ona derinlik yükleriz. Aynı şekilde, dört boyutlu bir nesnenin üç boyutlu ya da iki boyutlu temsili de kaçınılmaz olarak eksik, kırık, ama büyüleyici olacaktır. Sanatçı bu eksikliği saklamaz; tersine onu estetik bir motor gibi kullanır. Çünkü bazen güzellik, tamamlanmış biçimde değil, zihnin tamamlamaya zorlandığı boşlukta doğar.

Gölge Olarak Dördüncü Boyut

Üç boyutlu bir cismin iki boyutlu gölgesi nasıl uzar, eğilir, tanınmaz hale gelirse; dört boyutlu bir formun bizim dünyamıza düşen gölgesi de tuhaf ve parçalı olacaktır. Tesseract, yani dört boyutlu hiperküp, bunun en ünlü örneğidir. Onu çizdiğimizde iç içe geçmiş iki küp ve onları bağlayan çizgiler görürüz. Bu çizim, hiperküpün kendisi değildir; yalnızca onun bize bıraktığı matematiksel bir kartpostaldır. Fakat sanat açısından mesele tam da budur: Kartpostalın anlattığı yer, kartpostalın içinde değildir.

Bu yüzden dördüncü boyutu estetik olarak çizmek, doğru bir nesne çizmekten çok doğru bir gerilim kurmaktır. Bakışın alışkanlıklarıyla zihnin ihtimalleri arasında bir savaş alanı açılır. İzleyici tabloya bakar ve bir şeylerin mantıklı olduğunu sezer, ama gözleri o mantığı evcilleştiremez. İşte o anda sanat, dekor olmaktan çıkar; düşüncenin kaslarını çalıştıran bir alete dönüşür.

Kübizm: Boyutun İlk İsyanı

Picasso ve Braque’ın kübizmi yalnızca nesneleri parçalamadı; bakışın tek merkezli diktatörlüğünü de sarstı. Bir yüzü aynı anda hem profilden hem cepheden göstermek, üç boyutlu dünyayı iki boyutlu yüzeye sıkıştırmanın ötesinde bir hamleydi: Zamanı, hareketi ve çoklu bakışı resme davet ediyordu. Bu anlamda kübizm, dördüncü boyutun tam resmi olmasa da onun sanatsal kokusunu taşıyordu. Nesne artık tek bir anda, tek bir açıdan, tek bir benlik tarafından tüketilemiyordu.

Dördüncü boyutu çizmeye çalışan sanatçı için zaman güçlü bir müttefiktir. Çünkü fiziksel olarak dördüncü uzamsal boyutu göremesek de değişimi deneyimleriz. Bir dansçının hareketini ardışık izler halinde göstermek, bir yüzün yaşlanmasını aynı portrede toplamak, bir kentin sabahını ve gecesini tek kompozisyonda çarpıştırmak; bunların hepsi algıya küçük darbeler indirir. Belki de dördüncü boyutun estetik sezgisi, sabit biçimden çok dönüşümde saklıdır.

Zihin Bir Projektördür

İnsan beyni üç boyutla sınırlı olabilir, ama hayal gücü projeksiyon yapmayı bilir. Matematik burada sanatçıya soğuk bir cetvel değil, gizli bir pusula sunar. Kesit alma, izdüşüm, dönüştürme, saydamlık, katmanlama ve tekrar gibi yöntemler dördüncü boyut hissini üretir. Bir hiperküpün döndüğünü gösteren animasyonlar bu yüzden garip biçimde hipnotiktir: Nesne değişir, iç dış olur, yakın uzaklaşır, uzak içeri kıvrılır. Göz anlamaz; zihin kaşınır.

Estetik başarı, izleyiciye dördüncü boyutu öğreten bir ders vermekte değil, ona kendi algısının sınırını hissettirmektedir. İyi bir dört boyut imgesi, seyircinin içinde şu soruyu uyandırır: Ben gerçekten görüyor muyum, yoksa görmeye alıştığım şeyleri mi tanıyorum? Bu soru tehlikelidir; çünkü yalnız resimle ilgili değildir. Kimlik, zaman, ölüm, bellek ve gerçeklik de aynı sorunun içine düşer.

Sonunda dördüncü boyutu çizen sanatçı, imkânsızı başaran kişi değil, imkânsızla zarif bir pazarlık yapan kişidir. Elindeki araçlar üç boyutludur, yüzey çoğu zaman iki boyutludur, beyin sınırlıdır; ama sezgi, sınıra çarpınca kıvılcım çıkarır. Sanatın büyüsü de burada başlar: Görülemeyeni göstermek değil, görülemeyenin yokluğunu öyle güçlü düzenlemek ki izleyici onun varlığını kemiklerinde hissetsin.

Belki dördüncü boyutun resmi hiçbir zaman tamamlanmayacak. Ama zaten büyük sanatın görevi tamamlamak değil, kapı aralamaktır. Biz o kapıdan geçemeyiz belki; fakat eşiğinde durup içeriden gelen ışığın rengini çizebiliriz.

Düzlemde Hapsolmak: Kanıtladığın Ama Asla Göremeyeceğin Boyut

Bir kâğıdın yüzeyinde yaşayan iki boyutlu bir canlı hayal edin. Adı Düzlemli olsun. Düzlemli için evren; ileri-geri, sağ-sol yönlerinden ibarettir. Yukarı ve aşağı diye bir yön yoktur; çünkü onun bedeninin, evinin ve düşüncesinin tamamı kâğıt üzerindedir. Bir çemberle karşılaştığında yalnızca kapalı bir eğri görür. Kürenin ne olduğunu ise, ancak çok özel bir olay yaşarsa anlayabilir: Küre onun dünyasından geçerken önce küçücük bir nokta, sonra büyüyen bir çember, ardından küçülen bir çember ve nihayet yeniden bir nokta olarak belirir. Düzlemli için bu, açıklanması güç bir mucizedir.

Görmeden kurulan merdiven

Fakat Düzlemli meraklı bir matematikçidir. Geometriyi geliştirir, doğruların, açıların ve çokgenlerin ilişkilerini inceler. Sonra şu çarpıcı sonuca varır: İki boyutlu bir şeklin, kendisine dik olan ama kendi evreninde çizilemeyen bir doğrultuda hareket etmesi mantıksal olarak çelişki yaratmaz. Bir karenin, düzlemin dışındaki bir yönde taşınmasıyla oluşacak yapının altı kare yüzü olması gerektiğini hesaplar. Biz buna küp deriz; Düzlemli ise onu yalnızca denklemler, kesitler ve soyut çıkarımlar aracılığıyla bilir.

İşte burada matematiğin tuhaf gücü ortaya çıkar. Matematik, deneyimin fotoğraf albümü değildir; deneyimin henüz uğramadığı yerlerin haritasını da çizebilir. Düzlemli, üçüncü boyutu gözleriyle görmez, vücuduyla hissetmez, o yöne bir adım atamaz. Buna rağmen küpün köşe sayısını, kenarlarının ilişkisini ve bir kürenin düzlemde bırakacağı kesitlerin neden daire olduğunu hesaplayabilir. Onun bilgisi eksik değildir; ama duyusal olarak çevrilemez bir bilgidir. Bir tarifi kusursuz biçimde okumakla hiç tatmadığınız bir meyvenin lezzetini bilmek arasındaki fark gibidir.

Kanıt ile deneyim aynı şey değildir

Bu düşünce deneyi, “ispatlandıysa anlaşılmıştır” rahatlığını sarsar. Bir önermenin mantıksal doğruluğu ile onun nasıl bir şey olduğunu yaşamak farklı katmanlardır. Düzlemli üçüncü boyutun varlığını, kendi dünyasındaki olayların en iyi açıklaması olarak kabul edebilir. Örneğin kapalı bir çemberin içindeki bir nesnenin, çemberi kesmeden bir anda dışarı çıkması ancak düzlemin dışından geçen bir hareketle açıklanabilir. Bu, güçlü bir kanıttır. Yine de Düzlemli için yukarı yönü, zihinsel bir işaret olmaktan öteye geçmez.

Bizim durumumuz belki daha az farklı değildir. Üç uzaysal boyutta yaşayan insanlar olarak dördüncü uzaysal boyutu matematiksel modellerle inceleyebiliriz. Dört boyutlu bir küpün, yani tesseractın, üç boyutlu izdüşümlerini çizebilir; özelliklerini cebirsel olarak hesaplayabiliriz. Ancak Düzlemli’nin küpü yaşayamadığı gibi, biz de tesseractı doğrudan deneyimleyemeyiz. Gördüğümüz şey dört boyutlu nesnenin kendisi değil, kendi algı uzayımıza düşen gölgesidir. Bir gölge nesne hakkında çok şey söyler, fakat nesnenin tümü değildir.

Sınır bir duvar değil, araştırma yöntemidir

Bu nedenle boyut fikri yalnızca geometri sorusu değildir; bilmenin sınırlarıyla ilgili bir laboratuvardır. Duyularımızın erişemediği şeyleri bütünüyle yok saymak bilimsel değildir. Öte yandan sırf hayal edilebildiği için gerçek kabul etmek de bilim değildir. Sağlam yol, Düzlemli’nin yoludur: Kavramı açıkça tanımlamak, sonuçlarını türetmek, gözlenebilir etkilerini aramak ve alternatif açıklamalarla karşılaştırmak. Matematik kapıyı açar; deney, kapının gerçekten bir odaya çıkıp çıkmadığını sınar.

Düzlemde yaşayan canlı, üçüncü boyuta dokunamasa da onun düşüncesiyle dönüşür. Evreninin sandığından daha büyük olabileceğini öğrenir. Belki bizim için de en değerli ders budur: Algımız, gerçeğin ölçüsü değil, yalnızca kullandığımız arayüzdür. Sonsuzluk bazen çok uzaklarda değildir; tam önümüzde, fakat bakışımızın dik çıkamadığı yönde durur.