Пишем свою нейросеть: пошаговое руководство

Процесс тренировки

Когда мы узнаем дельту последнего слоя, мы сможем найти дельты и всех предыдущих слоев. Чтобы это сделать, нужно будет лишь перемножить для текущего слоя транспонированную матрицу с дельтой, а потом перемножить результат с вектором производных функции активации предыдущего слоя:

Сначала находится градиент погрешности на «1» по отношению к w. Градиент является уровнем наклона кривой в соответствующей точке. Он изображен на графике в виде черных стрелок. Градиент также дает некоторую информацию о направлении — если он положителен при увеличении w, то в этом направлении погрешность будет увеличиваться, если отрицательный — уменьшаться (см. График). Как вы уже поняли, мы пытаемся сделать, чтобы погрешность с каждым шагом уменьшалась. Величина градиента показывает, как быстро кривая погрешности или функция меняется в соответствующей точке. Чем больше значение, тем быстрее меняется погрешность в соответствующей точке в зависимости от w.

Говоря проще, ИНС можно назвать неким «черным ящиком», превращающим входные данные в выходные данные. Если же посмотреть на это с точки зрения математики, то речь идет о том, чтобы отобразить пространство входных X-признаков в пространство выходных Y-признаков: X → Y. Таким образом, нам надо найти некую F-функцию, которая сможет выполнить данное преобразование. На первом этапе этой информации достаточно в качестве основы.

Выражение является функцией оценки учебного экземпляра z_th, где h (nl) является выходом последнего слоя, то есть выход нейронной сети. h (nl) можно представить как yпyп, Что означает полученный результат, когда нам известен вход xz. Две вертикальные линии означают норму L 2 погрешности или сумму квадратов ошибок. Сумма квадратов погрешностей является довольно распространенным способом представления погрешностей в системе машинного обучения. Вместо того, чтобы брать абсолютную погрешность abs(ypred(x z )-y z ), мы берем квадрат погрешности. Мы не будем обсуждать причину этого в данной статье. 1/2 в начале просто константой, которая нормализует ответ после того, как мы продифференцируем функцию оценки во время обратного распространения.

Из графика выше видно, что смещение 1 связано со всеми узлами в соседнем слое. Смещение в Ш1 имеет связь со всеми узлами в Ш2. Так как смещение не является настоящим узлом с активационной функцией, оно не имеет и входов (его входное значение всегда равно константе). Вес связи между смещением и узлом будем обозначать через b_i (l) , где i- номер узла в слое l+1, так же, как в w _ij (l) . К примеру с w ₂₁ (l) вес между смещением в Ш1 и вторым узлом в Ш2 будет иметь обозначение b₂ (1) .

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?

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.

На этом графике изображено погрешность, зависящую от скалярного значения веса, w. Минимально возможная погрешность обозначена черным крестиком, но мы не знаем какое именно значение w дает нам это минимальное значение. Подсчет начинается с рандомного значения переменной w, которая дает погрешность, обозначенную красной точкой под номером «1» на кривой. Нам нужно изменить w таким образом, чтобы достичь минимальной погрешности, черного крестика. Одним из самых распространенных способов является градиентный спуск.

7 Векторизация обратного распространения

Выражение выше фактически аналогично представлению градиентного спуска:
w_new=w_old-α*∇error. Нет лишь некоторых обозначений, но достаточно понимать, что слева расположены новые значения, а справа — старые. Опять же задействован итерационный метод для расчета весов на каждой итерации, но на этот раз основываясь на функции оценки J(w,b).

Ну рисунке выше можно увидеть три слоя сети — Слой 1 является входным слоем, где сеть принимает внешние входные данные. Слой 2 называют скрытым слоем, этот слой не является частью ни входа, ни выхода. Примечание: нейронные сети могут иметь несколько скрытых слоев, в данном примере для примера был показан лишь один. И наконец, Слой 3 является исходным слоем. Вы можете заметить, что между Шаром 1 (Ш1) и Шаром 2 (Ш2) существует много связей. Каждый узел в Ш1 имеет связь со всеми узлами в Ш2, при этом от каждого узла в Ш2 идет по одной связи к единому выходному узлу в Ш3. Каждая из этих связей должна иметь соответствующий вес.

В машинном обучении появляется такой феномен, который называется «переобучением». Это происходит, когда модели, во время учебы, становятся слишком запутанными — они достаточно хорошо обучены, но когда им передаются новые данные, которые они никогда на «видели», то результат, который они выдают, становится плохим. Иными словами, модели генерируются не очень хорошо. Чтобы убедиться, что мы не создаем слишком сложные модели, обычно набор данных разбивают на учебные наборы и тестовые наборы. Учебный набором данных, на которых модель будет учиться, а тестовый набор — это данные, на которых модель будет тестироваться после завершения обучения. Количество учебных данных должно быть всегда больше тестовых данных. Обычно они занимают 60-80% от набора данных.

Если математика вам не очень хорошо дается, то вы можете пропустить этот раздел. В следующем разделе вы узнаете, как реализовать обратное распространение языке программирования. Но если вы не против немного больше поговорить о математике, то продолжайте читать, вы получите более глубокие знания по обучению нейронных сетей.

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.

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).

Какую роль играет искусственный нейрон?

Заметили ли вы, что входные данные меняются в интервале от 0 до 15? Достаточно распространенной практикой является масштабирование входных данных так, чтобы они были только в интервале от [0, 1], или [1, 1]. Это делается для более легкого сравнения различных типов данных в нейронной сети. Масштабирование данных можно легко сделать через библиотеку машинного обучения scikit learn:

Использование циклов — не самый эффективный способ расчета прямого распространения на языке Python , потому что циклы в этом языке программирования работают довольно медленно. Мы кратко рассмотрим лучшие решения. Также можно будет сравнить работу алгоритмов, используя функцию в IPython:

Если сравнить время работы этой функции с предыдущей на простой сети с четырьмя слоями, то мы получим результат лишь на 24 микросекунды меньше. Но если увеличить количество узлов в каждом слое до 100-100-50-10, то мы получим гораздо большую разницу. Функция с циклами в этом случае дает результат 41 миллисекунду, когда у функции с векторизацией это занимает лишь 84 микросекунды. Также существуют еще более эффективные реализации операций над матрицами, которые используют пакеты глубинного обучения, такие как TensorFlow и Theano.

Искусственные нейронные сети имитируют поведение мозга в простом виде. Они могут быть обучены контролируемым и неконтролируемым путями. В контролируемой ИНС, сеть обучается путем передачи соответствующей входной информации и примеров исходной информации. Например, спам-фильтр в электронном почтовом ящике: входной информацией может быть список слов, которые обычно содержатся в спам-сообщениях, а исходной информацией — классификация для уведомления (спам, не спам). Такой вид обучения добавляет веса связям ИНС, но это будет рассмотрено позже.

Существует более общий способ изобразить выражения, которые дают нам возможность уменьшить погрешность. Такое общее представление называется функция оценки. Например, функция оценки для пары вход-выход (x z , y z ) в нейронной сети будет выглядеть следующим образом:

Для того, чтобы получать результат — числа от 0 до 9, нам нужен выходной слой. Более-менее точная нейросеть, как правило, имеет выходной слой с 10 узлами, каждый из которых выдает число от 0 до 9. Мы хотим научить сеть так, чтобы, например, при цифре 5 на изображении, узел с цифрой 5 в исходном слое имел наибольшее значение. В идеале, мы бы хотели иметь следующий вывод: [0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0]. Но на самом деле мы можем получить что-то похожее на это: [0.01, 0.1, 0.2, 0.05, 0.3, 0.8, 0.4, 0.03, 0.25, 0.02]. В таком случае мы можем взять крупнейших индекс в исходном массиве и считать это нашим полученным числом.

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.

Мы уже сделали тяжелую работу по правилу дифференцирования сложных функций, теперь рассмотрим все более графически. Значение, которое будет обратно распространяться, — δ_i (nl) , т.к. оно в ближайшей связи с функцией оценки. А что с узлом j во втором слое (скрытом слое)? Как он влияет на δ_i (nl) в нашей сети? Он меняет другие значения из-за веса w_ij (2) (см. диаграмму ниже, где j=1 i=1).