Алгоритмы обучения нейронной сети: наиболее распространенные варианты

Как происходит обучение нейросети

Для начала нужно объяснить, чем нейронная сеть отличается от обычного алгоритма. Алгоритм — это заранее прописанная последовательность действий, которую должен выполнить компьютер, дающая определенный предсказуемый результат. В качестве примера можно привести программу, которая рассчитывает площадь квартиры или дома по чертежу. В ней есть четкая пошаговая инструкция, какие величины перемножать, какие складывать и т. д. У такого алгоритма понятная и простая архитектура, в него можно свободно вносить изменения на любом этапе.

Если закрепить ключевые показатели подстройки весов, то можно не настраивать глобальные параметры – это является дополнительным плюсом использования метода. Причем существуют готовые значения таких показателей. Их применение рекомендовано, но жестких рамок по выбору значений нет.

Для такого алгоритма обучения нейронных сетей необходимо использовать дифференцируемые функции активации. Это связано с тем, что распространение в обратном направлении определяется разностью между ответами, а также произведением между ним и производной функцией от входного значения.

Принцип работы нейронной сети (НС) и ее структура взяты из нейробиологии. Сама идея заключалась в том, чтобы получить математическую модель и ее программное воплощение, которые бы имитировали деятельность человеческого мозга. Разработками в этой области ученые занимаются уже с середины прошлого века. Однако лишь в последние годы развитие нейросетей смогло достичь впечатляющих результатов.

Чтобы преодолеть этот затруднительный этап, нужно задать такое значение для момента, которое разрешит пройти участок графика и оказаться в требуемой точке. В случае недостаточного значения преодолеть выпуклость не удастся, а если значение будет слишком большим, то высока вероятность «проскока» глобального минимума.

Значение градиента будет иметь векторную величину, которая даст представление о направлении и крутизне склона. Поиск значения градиента осуществляется путем вычисления производной от функции в требуемой точке. Такая точка будет иметь значение веса, распределенное случайным образом. В ней следует проводить расчет градиента и определять направленность движения спуска. Вычисления необходимо производить последовательно во всех точках, пока не будет достигнут локальный минимум, останавливающий дальнейший спуск.

Данные поступают в нейросеть, обрабатываются формулами, после чего пользователю выдается результат. Самая главная сложность заключается в том, как найти такие уравнения и алгоритмы, благодаря которым результат работы нейросети будет максимально полезным. Машинное обучение как раз и заключается в выведении этих формул.

Алгоритмы обучения нейросетей без учителя используют данные без классификации или меток. НС сама выстраивает логическую цепочку и усваивает понимание этих действий, ориентируясь лишь на вводные данные. По сути, это повторяет человеческое самообучение: индивид, предпринимая какие-либо действия, делает выводы о правильности либо ошибочности решения, ориентируясь на последствия.

Этапы обучения

Алгоритм обратного распространения вносит решающий вклад в обучение глубоких нейросетей с несколькими слоями. Он позволяет эффективно оптимизировать веса узлов нейронной сети, в том числе в сложных архитектурах с большим количеством параметров. Помимо стандартного варианта такого алгоритма существуют его расширенные и продвинутые версии, способные адаптивно регулировать скорость обучения (например, Adam или RMSprop).

Понятие машинного обучения неразрывно связано с нейросетями. Нейронная сеть является методом в области искусственного интеллекта, который учит компьютеры работать с данными так же, как человеческий мозг. Важно понимать, что нейросети — это не мыслящие объекты, наделенные сознанием. Это сложнейшая база данных с огромным количеством формул.

При таком процессе нейросети предлагают выборку обучающих примеров. Данные подают на «вход» сети, ожидая получить правильный «выход», т.е. ответ, который даст НС после обработки внутри своей структуры. Результат сравнивают с эталонным, т.е. правильным ответом. Если НС выдает неверное решение, то необходимо откорректировать весовые коэффициенты связи и запустить процесс заново, тем самым добиваясь снижения процента ошибочных ответов.

Только что мы рассмотрели архитектуру базовой нейросети. Глубокие нейронные сети (сети глубокого обучения) обычно имеют много скрытых слоев, состоящих из миллионов связанных между собой искусственных нейронов. Количество связей одного нейрона с другими называют весом. Вес является положительным, если данный узел возбуждает другой, или отрицательным, если, наоборот, происходит подавление узла. Узлы с большим весом оказывают более сильное влияние на другие. Веса нейросети настраиваются в процессе обучения. Они определяют, какие данные будут учитываться при получении итогового результата, и какой вклад внесет тот или иной узел на выводы.

Сам метод обучения представляет собой процесс, при котором поступающие данные распространяются между нейронами с помощью синапсов. Передача осуществляется до тех пор, пока данные не достигнут слоя «выхода», трансформировавшись в ответ. Эта операция носит название «передача вперед».

Если на этой стадии вычислений производная меняет свой знак на противоположный, то это говорит о чересчур большом изменении и об упущении локального минимума. Следовательно, нужно возвратить весу предыдущее значение и уменьшить величину изменения. Если же знак остался прежним, то следует поднять величину изменения веса для максимальной сходимости.

Завершение алгоритма происходит в тот момент, когда заканчиваются отведенные ему попытки или время на мутацию. При этом результат может остаться недостигнутым. Данный метод используется для улучшения показателей весов НС при условии, что структура задана по умолчанию. Вес при этом должен быть прописан двоичным кодом, а полный набор веса сформирует итоговый результат. Расчет ошибки на выходе обуславливает оценку эффективности.

Для проверки эффективности обучения нейросети нужно предоставить ей данные из другой части той же выборки, по которой она училась. Если сеть не выдает устраивающих нас ответов, возможны несколько причин появления подобных ошибок. Во-первых, это недостаточный объем данных из окружающей среды. Во-вторых, возможно данные из окружающей среды были недетерминированы. Наконец, не исключен вариант некорректного определения тренировочных и тестовых датасетов.