Пишем нейросеть прямого распространения с нуля | Как создать свою нейросеть

Тренируем нейросеть на функции XOR

Мы написали с вами нейронную сеть прямого распространения и даже обучили её функции XOR. При этом мы позаботились об универсальности, благодаря чему нейросеть может быть обучена на любых данных, главное только подготовить два массива обучающих векторов X и Y, подобрать параметры обучения и запустить само обучение, после чего наблюдать за процессом. Важно помнить, что при использовании сигмоидальной функции активации, выходные значения сети не будут превышать 1, а значит, для обучения данным, которые значительно больше 1 необходимо отнормировать их, то есть привести к отрезку [0, 1].

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.

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.

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.

Почему функция XOR так интересна? Просто потому, что её невозможно получить одним нейроном: 0 ^ 0 = 0, 0 ^ 1 = 1, 1 ^ 0 = 1, 1 ^ 1 = 0. Однако она легко получается увеличением числа нейронов. Мы же попробуем выполнить обучение сети с 3 нейронами в скрытом слое и 1 выходным (так как выход у нас всего один). Для этого нам необходимо создать массив векторов X и Y с обучающими данными и саму нейросеть:

Чаще всего в подобных статьях начинают расписывать про устройство биологического нейрона, связь с его искусственной моделью и прочую лирику. Мы же этого делать не будем, а сразу перейдём к сути. Искусственный нейрон — это всего лишь взвешенная сумма значений входного вектора элементов, которая передаётся на нелинейную функцию активации f: z = f(y), где y = w₀·x₀ + w₁·x₁ + . + w_{m — 1}·x_{m — 1} . Здесь w₀, . w_{m — 1} — коэффициенты, веса каждого элемента вектора, x₀, . x_{m — 1} — значения входного вектора X, y — взвешенная сумма элементов X, а z — результат применения функции активации. Мы вернёмся к функции активации немного позднее, а пока давайте придумаем, как вместо одного выходного значения получить n.

Теперь нам достаточно знаний, чтобы написать код получения результата нейронной сети. Мы будем писать код на языке C#, однако, уверяем, код будет практически идентичным для других языков программирования. Давайте разберёмся, что нам потребуется для реализации сети прямого распространения:

Перейдём к обратному распространению ошибки. В качестве функции оценки сети E(W) возьмём среднее квадратичное отклонение: E = 0.5 · Σ(y_1i — y_2i) 2 . Чтобы найти значение ошибки E, нам нужно найти сумму квадратов разности значений вектора, который выдала сеть в качестве ответа, и вектора, который мы ожидаем увидеть при обучении. Также нам потребуется найти дельту для каждого слоя, причём для последнего слоя она будет равна вектору разности полученного и ожидаемого векторов, умноженному (покомпонентно) на вектор значений производных последнего слоя: δ_last = (z_last — d)·f’_last , где z_last — выход последнего слоя сети, d — ожидаемый вектор сети, f’_last — вектор значений производной функции активации последнего слоя.

Нейронный слой

Один нейрон способен входной вектор превратить в одну точку, однако по условию мы хотим получить несколько точек, так как выходной вектор Y может иметь произвольную размерность, определяемую лишь конкретной ситуацией (один выход для XOR, 10 выходов для определения принадлежности к одному из 10 классов и т.д.). Как же нам получить n точек, преобразуя элементы входного вектора X? Оказывается, всё довольно просто: для того, чтобы получить n выходных значений, необходимо использовать не один нейрон, а n. Тогда для каждого из элементов выходного вектора Y будет использовано ровно n различных взвешенных сумм от вектора X. То есть мы получаем, что z_i = f(y_i) = f(w_i0·x₀ + w_i1·x₁ + . + w_{im — 1}·x_{m — 1})

Проверять результаты на тренировочной же выборке довольно скучно, ведь как никак на ней мы сеть обучали, но, увы, для XOR проблемы ничего другого не остаётся. В качестве более серьёзного примера рекомендуем выполнить задачу распознавания картинок с рукописными цифрами MNIST. Это база содержит 60000 картинок написанных от руки цифр размером 28 на 28 пикселей и используется как один из основных датасетов для начала изучения машинного обучения. Не смотря на простоту нашей сети, при грамотном выборе параметров (число нейронов, число слоёв, скорость обучения, число эпох. ) можно получить точность распознавания до 98%! Проверить свою сеть вы можете, поучаствовав в соревновании на сайте Kaggle. Нашей команде удалось достичь точности в 98.171%! А вы сможете больше? 🙂

Давайте поймем почему формула имеет такой вид. Сначала нам нужно учесть то, что мы хотим скорректировать вес пропорционально размеру ошибки. Далее ошибка умножается на значение, поданное на вход нейрона, что, в нашем случае, 0 или 1. Если на вход был подан 0, то вес не корректируется. И в конце выражение умножается на градиент сигмоиды. Разберемся в последнем шаге по порядку:

Нейросети кажутся людям чем-то очень сложным и запутанным, однако это вовсе не так. Простую нейросеть можно написать менее чем за час с нуля. В нашей статье мы создадим нейронную сеть прямого распространения (также называемую многослойным перцептроном), используя лишь массивы, циклы и условные операторы, а значит этот код легко можно будет перенести на любой язык программирования, предоставляющий эти возможности. А если язык предоставляет библиотеку для матричных и векторных вычислений (как, например, numpy в языке Python, то написание займёт ещё меньше времени).

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.

Забегая вперёд скажем о том, что нередко используют последовательность нейронных слоёв для более глубокого обучения сети и большей формализации данных. Поэтому для получения итогового выходного вектора необходимо проделать описанную выше операцию несколько раз подряд от одного слоя к другому. Тогда для первого слоя входным вектором будет X, а для всех последующих входом будет являться выход предыдущего слоя. К примеру, сеть с 3 скрытыми слоями может выглядеть так: