Как написать простую нейросеть на Python

Функция активации

Когда нейронная сеть получает на вход некоторые данные, она проходит через несколько слоев, состоящих из нейронов. Каждый нейрон обрабатывает данные и выдает некоторый результат, который передается следующему слою нейронов. Чтобы нейронная сеть могла правильно работать, ей необходимо научиться извлекать признаки из данных, то есть определять, какие входные значения наиболее важны для принятия решения.

Например, на вход поступает картинка. Чтобы нейросеть могла понять, что на ней изображено, она должна выделить разные элементы из картинки, распознать их и подумать, что означает сочетание этих элементов. Примерно так работает зрительная кора в головном мозге. Это несколько задач, их не смогут решить одинаковые нейроны. Поэтому нужно несколько слоев, где каждый делает что-то свое. Для распознавания часто используют так называемые сверточные нейросети. Они состоят из комбинации сверточных и субдискретизирующих слоев, каждый из которых решает свою задачу.

Python является одним из самых популярных языков программирования для создания нейронных сетей, благодаря своей простоте и богатой экосистеме библиотек машинного обучения. В этой статье мы рассмотрим пошаговую инструкцию по созданию простой нейросети на Python, начиная с основных концепций нейронных сетей и заканчивая практическим созданием и обучением модели.

Больше нейронов. В нашей тренировочной нейросети только один нейрон. Но если нейронов будет больше — каждый из них сможет по-своему реагировать на входные данные, соответственно, на следующие нейроны будут приходить данные с разных синапсов. Значит — больше вариативность, «подумать» и передать сигнал дальше может не один нейрон, а несколько. Можно менять и формулу передачи, и связи между нейронами — так получаются разные виды нейронных сетей.

Еще есть, например, метод обратного распространения ошибки — градиентный алгоритм для многослойных нейросетей. Сигналы ошибки, рассчитанные с помощью градиента, распространяются от выхода нейронной сети к входу, то есть идут не в прямом, а в обратном направлении.

При создании своей нейросети на Python необходимо выбрать подходящую функцию активации в зависимости от задачи, которую вы хотите решить. Кроме того, важно убедиться, что функция активации выбрана правильно, чтобы избежать проблем, таких как затухание градиента.

Как написать это на Python

Но нейронные сети — все же не человеческий мозг. Мозг сложнее, объемнее, в нем намного больше нейронов, чем в любой компьютерной нейросети. Поэтому чрезмерное обучение может сделать хуже. Например, переобученная нейросеть может начать распознавать предметы там, где их нет — так люди иногда видят лица в фарах машин и принимают пакеты за котов. А в случае с искусственной нейронной сетью такой эффект еще явнее и заметнее. Если же учить нейросеть на нескольких разнородных данных, скажем, сначала обучить считать числа, а потом — распознавать лица, она просто сломается и начнет работать непредсказуемо. Для таких задач нужны разные нейросети, разные структуры и связи.

Человеческий мозг состоит из ста миллиардов клеток, которые называются нейронами. Они соединены между собой синапсами. Если через синапсы к нейрону придет достаточное количество нервных импульсов, этот нейрон сработает и передаст нервный импульс дальше. Этот процесс лежит в основе нашего мышления. Мы можем смоделировать это явление, создав нейронную сеть с помощью компьютера. Нам не нужно воссоздавать все сложные биологические процессы, которые происходят в человеческом мозге на молекулярном уровне, нам достаточно знать, что происходит на более высоких уровнях. Для этого мы используем математический инструмент — матрицы, которые представляют собой таблицы чисел. Чтобы сделать все как можно проще, мы смоделируем только один нейрон, к которому поступает входная информация из трех источников и есть только один выход. 3 входных и 1 выходной сигнал Наша задача — научить нейронную сеть решать задачу, которая изображена в ниже. Первые четыре примера будут нашим тренировочным набором. Получилось ли у вас увидеть закономерность? Что должно быть на месте вопросительного знака — 0 или 1?

Больше мощностей. Нейронные сети работают с матрицами, так что если нейронов много, вычисления получаются очень ресурсоемкие. Известные нейросети вроде Midjourney или ChatGPT — это сложные и «тяжелые» системы, для их работы нужны сервера с мощным «железом». Так что написать собственный DALL-E на домашнем компьютере не получится. Но есть сервисы для аренды мощностей: ими как раз пользуются инженеры машинного обучения, чтобы создавать, обучать и тестировать модели.

Так часто происходит в реальных задачах, например, при распознавании предметов. Не у всех из них есть жесткие критерии: скажем, гипертрофированного мультяшного персонажа мы по-прежнему различаем как человека, хотя у него совсем другие пропорции. Нейронную сеть сложно научить похожему — но современные системы могут справиться и с этим.

В последние годы нейронные сети стали одним из наиболее популярных методов для решения различных задач, таких как классификация изображений, прогнозирование временных рядов, обработка естественного языка, генерация контента и т.д. Они «умеют» извлекать признаки из данных и на основе этих признаков принимать решения, что делает их особенно полезными в сфере искусственного интеллекта.

После выбора функции активации необходимо выбрать функцию потерь, которая будет измерять ошибку нейронной сети в процессе обучения. Функция потерь должна быть выбрана в зависимости от задачи, которую вы хотите решить. Например, для задачи классификации могут быть использованы функции потерь, такие как кросс-энтропия или среднеквадратичная ошибка.

Архитектура нейронных сетей описывает структуру нейронной сети и определяет, как она будет обрабатывать входные данные и выдавать выходные значения. Существует несколько типов архитектур нейронных сетей, каждый из которых предназначен для решения определенных задач.

Лучше обучение. Искусственные нейронные сети обучаются примерно по тому же принципу, что живые существа. Когда человек часто повторяет одни и те же действия, он учится: ездить на велосипеде, рисовать или набирать текст. Это происходит, потому что веса между нейронами в мозгу меняются: нервные клетки наращивают новые связи, по-новому начинают воспринимать сигналы и правильнее их передают. Нейронная сеть тоже изменяет веса при обучении — чем оно объемнее, тем сильнее она «запомнит» какую-то закономерность.