Эпоха, батч, итерация — в чем различия

Какими бывают нейросети

Процесс обучения бывает ручным и автоматическим и выглядит обычно так. Нейросети дают на вход разные данные, она анализирует их, а потом ей сообщают, каким должен быть правильный ответ. Сеть устроена так, что будет «стремиться» подогнать веса синапсов, чтобы выдавать верные результаты.

Алгоритм итеративный, процедура проводится несколько раз, чтобы добиться оптимального результата. При правильной реализации алгоритма, на каждом шаге результат получается лучше. Таким образом, итеративный характер градиентного спуска помогает плохо обученной модели оптимально подстроиться под данные.

Исследователи работают с гиганскими объемами данных, которые требуют соответствующих затрат ресурсов и времени. Чтобы эффективно работать с большими объемами данных, требуется использовать параметры (epoch, batch size, итерации), так как зачастую нет возможности загрузить сразу все данные в обработку.

Нельзя пропустить через нейронную сеть разом весь датасет. Поэтому делим данные на пакеты, сеты или партии, так же, как большая статья делится на много разделов — введение, градиентный спуск, эпохи, Batch size и итерации. Такое разбиение позволяет легче прочитать и понять статью.

Веса. Веса — числовые значения внутри синапсов нейронов. Нейросеть подсчитывает их самостоятельно в ходе обучения. Когда нейронная сеть сталкивается в ходе обучения с каким-то признаком, который нужно запомнить, она пересчитывает веса. При этом доподлинно неизвестно, какие именно числовые значения отвечают за те или иные признаки — и как именно признаки в них преобразуются.

Кроме того, есть входной и выходной слои. Входной принимает информацию и преобразовывает ее, например переводит картинку в матрицу из чисел. Выходной обрабатывает результат и представляет его в понятном человеку виде. Например, результат 0,77827273 он представит как «с точностью в 78% это такой-то предмет».

Нейросеть повторяет этот же принцип, но программно. Нейроны — это программные объекты, внутри которых хранится какая-то формула. Они соединены синапсами — связями, у которых есть веса: некоторые числовые значения. Веса отражают накопленную нейросетью информацию, но сами по себе, в отрыве от сети, не несут информационной ценности.

У градиентного спуска есть параметр, называемый скоростью обучения. На левой верхней картинке видно, что в самом начале шаги больше, то есть скорость обучения выше, а по мере приближения точек к краю кривой скорость обучения становится меньше благодаря уменьшению размера шагов. Кроме того, значение функции потерь (Cost function) уменьшается, или просто говорят, что потери уменьшаются. Часто люди называют функцию потерь Loss-функцией или просто «Лосс». Важно, что если Cost/Loss функция уменьшается, то это хорошо.

Как происходит обучение сети

На этот вопрос нет единственного точного ответа. Для различных датасетов оптимальное количество эпох будет отличаться. Но ясно, что количество эпох связано с разнообразием в данных. Например, в вашем датасете присутствуют только черные котики? Или это более разнообразный датасет?

Принцип действия нейросети не похож на классическую программу. Такой сети не дают четкого алгоритма: ее обучают, чтобы она могла самостоятельно выполнять ту или иную задачу. В результате деятельность программы становится менее предсказуемой, но более вариативной и даже творческой.

Искусственная нейронная сеть — не модель человеческого мозга: даже самые мощные из существующих сетей не могут достигнуть таких мощностей и подобного количества нейронов. В человеческом мозгу огромное количество нервных клеток — десятки миллиардов. В искусственных нейросетях намного меньше нейронов. Для создания нейронной сети, по возможностям равной человеческому мозгу, сейчас нет мощностей.

Но разработки в этом направлении ведутся — правда, пока такие проекты находятся на стадии исследований. И даже с небольшим по сравнению с мозгом количеством нейронов нейросети могут достигать поразительных результатов в обучении. Некоторые даже проходят тест Тьюринга, но с оговоркой: сознания у них нет, просто они хорошо научились имитировать его наличие. Иногда даже человек не всегда способен распознать в своем собеседнике нейронную сеть.

Это опять же свойство, взятое из человеческого мозга. Нейронные связи в нашей нервной системе укрепляются, когда мы что-то выучиваем, — в итоге мы помним и делаем это лучше. Так появляются знания и навыки. У искусственных нейронных сетей так же: просто вместо физического изменения нервной ткани здесь происходит изменение числовых значений.

Синапсы. Синапс — это связь между нейронами. У каждого синапса есть веса — числовые коэффициенты, от которых как раз и зависит поведение нейронной сети. В самом начале, при инициализации сети, эти коэффициенты расставляются случайным образом. Но в ходе обучения они меняются и подстраиваются так, чтобы сеть эффективнее решала задачу.