Как написать простую нейросеть на Python

7 Векторизация обратного распространения

В данных MNIST нужны результаты от изображений записаны как отдельное число. Нам нужно конвертировать это единственное число в вектор, чтобы его можно было сравнивать с исходным слоем с 10 узлами. Иными словами, если результат в MNIST обозначается как «1», то нам нужно его конвертировать в вектор: [0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]. Такую конвертацию осуществляет следующий код:

Здесь мы можем видеть, что при изменении веса изменяется также уровень наклона графика активационной функции. Это полезно, если мы моделируем различные плотности взаимосвязей между входами и выходами. Но что делать, если мы хотим, чтобы выход изменялся только при х более 1? Для этого нам нужно смещение. Рассмотрим такую сеть со смещением на входе:

В данном случае процесс прямого распространения с циклами занимает около 40 микросекунд. Это довольно быстро, но не для больших нейронных сетей с > 100 узлами на каждом слое, особенно при их обучении. Если мы запустим этот алгоритм на нейронной сети с четырьмя слоями, то получим результат 70 микросекунд. Эта разница является достаточно значительной.

Что представляет собой h (l) ? Все просто, вектор (s_l×1), где s_l является количеством узлов в слое l. Как тогда выглядит произведение h (l) δ (l+1) ? Мы знаем, что α×∂J/∂W (l) должно быть того же размера, что и матрица весов W(l), Мы также знаем, что результат h_(l)δ (l+1) должен быть того же размера, что и матрица весов для слоя l. Иными словами, произведение должно быть размера (s_{l + 1}× s_l).

Нейроны группируются в слои. Входной слой получает входные данные, скрытые слои обрабатывают информацию, а выходной слой отдает результат. Слои обычно соединяются последовательно, иногда могут встречаться и другие типы архитектур, например сверточные нейронные сети.

Искусственные нейроны образуют различные слои, каждый слой выполняет определенную функцию. Внешний источник передает информацию в первый, входной слой. Полученные данные проходят через скрытые слои нейронов и обрабатываются. Выходной слой нейронов возвращает готовый результат работы сети.

Из графика можно увидеть, что функция «активационная» — она растет с 0 до 1 с каждым увеличением значения х. Сигмоидальная функция является гладкой и непрерывной. Это означает, что функция имеет производную, что в свою очередь является очень важным фактором для обучения алгоритма.

Выше было объяснено, как работает соответствующий узел / нейрон / перцептрон. Но, как вы знаете, в полной нейронной сети находится много таких взаимосвязанных между собой узлов. Структуры таких сетей могут принимать мириады различных форм, но самая распространенная состоит из входного слоя, скрытого слоя и выходного слоя. Пример такой структуры приведены ниже:

4 Векторизация в нейронных сетях

Рассмотрим пример простой имплементации градиентного спуска для нахождения минимума функции f(x)=x 4 -3x 3 +2 на языке Python . Градиент этой функции можно найти аналитически через производную f»(x)=4x 3 -9x 2 . Это означает, что для любого xx мы можем найти градиент по этой простой формуле. Мы можем найти минимум через производную — x=2.25.

, где w_н означает новое значение w, w_ст— текущее или «старое» значение w, ∇error является градиентом погрешности на w_ст и α является шагом. Шаг α также будет означать, как быстро ответ приближается к минимальной погрешности. При каждой итерации в таком алгоритме градиент должен уменьшаться. Из графика выше можно заметить, что с каждым шагом градиент «стихает». Как только ответ достигнет минимального значения, мы уходим из итеративного процесса. Выход можно реализовать способом условия «если погрешность меньше некоторого числа». Это число называют точностью.

Для тех, кто не знает или забыл, как перемножаются матрицы. Когда матрица весов умножается на вектор, каждый элемент в строке матрицы весов умножается на каждый элемент в столбце вектора, после этого все произведения суммируются и создается новый вектор (3х1). После перемножения матрицы на вектор, добавляются элементы из вектора смещения и получается конечный результат.

В нейронных сетях не существует простой полной функции оценки, с которой можно легко посчитать градиент, похожей на функцию, которую мы ранее рассматривали f(x)=x 4 -3x 3 +2). Мы можем сравнить выход нейронной сети с нашим ожидаемым значением y (z) , После чего функция оценки будет меняться из-за изменения в значениях веса, но как мы это сделаем со всеми скрытыми слоями в сети?

Функция активации определяет, как нейрон будет реагировать на входные данные. Она может быть линейной или нелинейной, и ее выбор зависит от конкретной задачи, которую решает нейронная сеть. Эта функция помогает сети обучаться более сложным взаимодействиям между данными.

Последняя строка рассчитывает выход единого узла в последнем третьем слое, он является конечной исходной точкой в нейронной сети. В нем вместо взвешенных входных переменных (x₁,x₂,x₃)берутся взвешенные выходы узлов с другой слоя (h₁ (2) ,h₂ (2) ,h₃ (2) )и смещения. Такая система уравнений также хорошо показывает иерархическую структуру нейронной сети.

01. Зададим ΔW и Δb начальное значение ноль.
02. Для экземпляров от 1 до m: а. Запустите процесс прямого распространения через все n_l слоев. Храните вывод активационной функции в h (l) б. Найдите значение δ ( nl) выходного слоя. Обновите ΔW (l) и Δb ( l ) для каждого слоя.
03. Запустите процесс градиентного спуска, используя:

В предыдущем разделе мы рассмотрели теорию по обучению нейронной сети через градиентный спуск и метод обратного распространения. В этом разделе мы используем полученные знания на практике — напишем код, который прогнозирует, основываясь на данных MNIST. База данных MNIST — это набор примеров в нейронных сетях и глубинном обучении. Она включает в себя изображения цифр, написанных от руки, с соответствующими ярлыками, которые объясняют, что это за число. Каждое изображение размером 8х8 пикселей. В этом примере мы используем сети данных MNIST для библиотеки машинного обучения scikit learn в языке программирования Python . Пример такого изображения можно увидеть под кодом: