Как работает нейронная сеть: разбираемся с основами

Простые и глубокие нейронные сети: баланс между сложностью и производительностью

Для того чтобы обучение с подкреплением было результативно, важно пройти много предварительных тренировок. Долгий период развития навыков модели и необходимость большого количества примеров называют главными минусами этого формата. Если в будущей работе нейросеть столкнется с незнакомой ситуацией, то реакция будет непредсказуема.

Отсутствие контроля человека при тренировке моделей увеличивает вероятность ошибок. Самостоятельный анализ данных может привести к неверному объединению или группировке по тем признакам, которые не важны для человека. Кроме того, подобная подготовка требует большего количества времени и информации — ведь для того, чтобы без подсказок учителя сделать верные выводы, нужно проанализировать больший объем информации, чем с ними.

Есть множество методов «тренировки» нейронных сетей, но все они основываются на двух ключевых принципах: с помощью учителя и без него. Это происходит точно так же, как и у человека: можно приобретать новые знания под руководством наставника, который подскажет и скорректирует отдельные моменты, а можно заниматься самообразованием. В последнем случае человек опирается только на свой личный опыт и наблюдения.

Предоставление информации. Когда нейросеть обучают, ей «показывают» данные, по которым необходимо что-то предсказать, и эталонные правильные ответы для них — это называется обучающей выборкой. Информации должно быть много — считается, что минимум в десять раз больше, чем количество нейронов в сети. Во время обучения нейросети показывают какую-либо информацию и говорят, что это такое, т.е. дают ответ. Все данные представляются не посредством слов, а с помощью формул и числовых коэффициентов. Например, изображению женщины соответствует «1», а изображению мужчины — «0». Это простой пример; реальные сети устроены сложнее. Преобразования. Входные нейроны получают информацию, преобразуют ее и передают дальше. Содержание информации автоматически обрабатывается с помощью формул и превращается в математические коэффициенты. Примерно как то, что мы видим глазами, превращается в нервные импульсы и передается в мозг. Он их обрабатывает, и человек понимает, что находится вокруг него. Здесь принцип похож. Обработка и выводы. У каждого нейрона есть «вес» — число внутри него, рассчитанное по особым алгоритмам. Он показывает, насколько показания нейрона значимы для всей сети. Соответственно, во время обучения веса нейронов автоматически меняются и балансируются. В результате складывается ситуация, когда определенные нейроны реагируют, например, на силуэт человека — и выдают информацию, которая преобразуется в ответ: «Это человек». При этом человека не нужно описывать как набор математических фигур — во время обучения нейронная сеть сама задает значения весов, которые определяют его. Результат. Выводом нейронной сети становится набор формул и чисел, которые преобразуются в ответ. Например, если изображение мужчины — «0», а женщины — «1», то результат 0,67 будет означать что-то вроде «Скорее всего, это женщина». Нейросеть из-за своей структуры не может дать абсолютно точный ответ — только вероятность. И из-за закрытости и нестабильности нейронов ее показания могут различаться даже для одинаковых выборок.

Метод обучения с учителем ( supervised learning) аналогичен получению знаний в школе, где нейросеть выступает в качестве ученика, а человек — в роли преподавателя. Роль учителя заключается в том, чтобы подать на вход модели исходные данные и их «расшифровку » . По аналогии с математическими задачами это будет «вопрос » и «правильный «ответ » (метка). Например, при обучении задаче классификации изображений каждой отдельной картинке будет присвоена метка, означающая класс изображения (например, кошка или собака на фото). Так происходит настройка параметров для минимизации ошибок между собственными предположениями и « правильными ответами» (метками). Сопоставляя их из раза в раз, нейронная сеть б удет самос тоятельно обучаться отвечать и на последующие запросы правильно уже без помощи человека.

Не совсем. Нейронные сети относят к глубокому обучению (Deep Learning), которое является частью машинного, но от классического ML подход сильно отличается. В стандартном машинном обучении программе предварительно рассказывают, как выглядит то, что она должна сделать. Например, если нужно отличить мужчину от женщины, потребуется «объяснить» модели, в чем принципиальные различия между фигурами. Это делается с помощью математических формул и абстракций, которые будут описывать параметры. Выше мы говорили про понятие карты признаков — по сути, это она и есть. При обучении нейросети такой задачи не стоит. Признаки сеть находит сама, их не нужно описывать. Необходимо только задать коэффициенты и результаты, соответствующие каждому возможному исходу. Это и хорошо, и плохо. Плохо — потому что приводит к уже описанной выше непредсказуемости. Хорошо — потому что дает больше гибкости: два необученных исходника одной и той же сети можно обучить на выполнение двух разных задач. Не понадобится писать другой алгоритм и задавать новые параметры. Можно оставить ту же архитектуру, главное — чтобы она изначально была оптимальной для этого типа задач.

Существует три основных проблемы работы с сетями — это явления забывчивости и переобучения, а также непредсказуемость. В биологических нейронных сетях они тоже есть, но мы их корректируем. В искусственных нейросетях аналогично применяются методы корректировки, но это сложнее и не всегда может быть эффективно. Забывчивость. Представьте, что вы попали сразу в несколько незнакомых ситуаций, опыта для которых ранее не было. Скорее всего, вам будет тяжело эффективно работать. Даже простые, но отличающиеся действия будут вызывать стресс, вы будете допускать больше ошибок. В теории нейронных сетей это называется забывчивостью: программы плохо реагируют на большое разнообразие ситуаций. Если обстоятельства все время меняются, нейросеть будет пытаться подстроиться под каждое из них, и в результате точность решений упадет. Но если человек еще может сориентироваться в незнакомой обстановке, то программе это сделать сложнее, ведь она — «вещь в себе», лишенная нейропластичности. Переобучение. Это явление, когда модель хорошо объясняет только примеры из обучающей выборки, адаптируясь к примерам оттуда, вместо того, чтобы учиться классифицировать что-то другое, не участвующее в обучении. Если вы когда-нибудь смотрели на автомобиль и видели, что фары похожи на глаза, а решетка радиатора — на рот, вы понимаете, как это работает. Нейросеть точно так же начинает путаться. Но ресурсов человеческого мозга хватает, чтобы понять, что машина — не настоящее лицо. Программа понять это не может и в подобной ситуации способна действительно выдать результат, что на картинке изображен человек. Еще один пример переобучения можно привести для сетей, которые создают что-то новое, например стиль. Вы, наверное, замечали, что у реальных художников и писателей есть свои характерные приемы, а их произведения со временем становятся все более похожими друг на друга. Это тоже пример переобучения — и генерирующие контент нейросети также ему подвержены. Непредсказуемость. Это прямое следствие закрытости и автономности нейронов. Сложно предугадать результат работы нейросети, будет ли она корректно работать в решении той или иной задачи. И если с предыдущими ошибками можно бороться благодаря правильным алгоритмам обучения, то непредсказуемость не пропадает. Это не стандартная программа, которая выдает известный результат для каждой ситуации. С непредсказуемостью тоже борются: точность можно повысить, если использовать подходящую архитектуру. Не обязательно более сложную — с некоторыми задачами хорошо справляются, наоборот, более простые сети. Но это дополнительно усложняет работу над нейросетями, особенно когда результат работы критичен.

Биологические нейронные сети. Нервная система живого существа состоит из нейронов — клеток, которые накапливают и передают информацию в виде электрических и химических импульсов. У нейронов есть аксон — основная часть клетки, и дендрит — длинный отросток на ее конце, который может достигать сантиметра в длину. Дендриты передают информацию с одной клетки на другую и работают как «провода» для нервных импульсов. С помощью специальных шипов они цепляются за другие нейроны, и так сигналы передаются по всей нервной системе. В качестве примера можно привести любое осознанное действие. Например, человек решает поднять руку: импульс сначала появляется в его мозгу, потом через сеть нейронов информация передается от одной клетки к другой. По пути она преобразуется и в конечном итоге достигает клеток в руке. Рука поднимается. Так работает большинство процессов в организме — тех, которые управляются мозгом. Но главная особенность нейронных сетей — способность обучаться. И именно она легла в основу машинных нейросетей. Первые машинные нейросети. В сороковых годах прошлого века люди впервые попытались описать сеть нейронов математически. Затем, в пятидесятых, — воссоздать ее модель с помощью кода. Получилась та самая структура, которую назвали перцептрон. На графиках и иллюстрациях ее обычно рисуют как набор кругов и прямых, их соединяющих — это и есть нейроны, образующие сетку. Перцептрон был проще современных нейросетей. Он имел всего один слой и три типа элементов: первый тип принимал информацию, второй обрабатывал и создавал ассоциативные связи, третий выдавал результат. Но даже элементарная структура уже могла обучаться и более-менее точно решать простые задачи. Например, перцептрон мог ответить, есть ли на картинке предмет, который его научили распознавать. Он был способен отвечать только на вопросы, где есть два варианта ответов: «да» и «нет». После этого развитие нейросетей замедлилось. Существующих на тот момент технологий было недостаточно, чтобы создать мощную систему. Наработки шли неторопливо, но чем больше развивалась компьютерная отрасль, тем больше интереса вызывал концепт.

Особенности нейронных сетей

При этом нередки ситуации, в которых модели необходима хотя бы частичная «разметка» данных для результативной работы. В этом случае потребуется частичное привлечение учителя: он заранее размечает часть данных самостоятельно , а остальные подаются модели в неразмеченном виде. Этот вариант не только повышает эффективность «тренировок» модели, но и значительно ускоряет их.

Нейросети действительно используются для решения задач, похожих на те, которые решает человеческий мозг. Но даже мощная нейросеть может ошибиться. И в некоторых случаях цена этой ошибки может быть крайне велика, а ее вероятность намного больше, чем если задачу решает человек. Поэтому сейчас нейронные сети используются скорее для ассистирования, чем для полномасштабной самостоятельной работы. Существуют проблемы, в решении которых машины действительно могут заменить человека. Это некоторые аналитические задачи, а также те, которые связаны с более-менее однообразными действиями. Например, с помощью нейросети может работать робот-почтальон. Но далеко не все задачи можно решить вот так. Например, робот может ответить на более менее стандартные вопросы в банковском приложении, но не поймет, что делать, если человек задаст что-то неочевидное.

При этом обучение с подкреплением рассчитано не только на успешное прохождение игр. Нейросети , подготовленные к самостоятельной работе таким способом, могут в дальнейшем управлять транспортом в качестве автопилота или выступать техподдержкой, получая положительную обратную связь за каждый верно решенный запрос.

В эпоху информационных технологий и научных открытий для решения сложных задач все чаще применяется искусственный интеллект. Среди множества его инструментов и методов особое место занимают нейронные сети — интеллектуальные роботы, имитирующие работу человеческого мозга. Однако для того чтобы нейросети смогли решать сложные задачи, их сначала необходимо обучить.

Машинное обучение и нейронные сети связаны между собой, однако это все же разные области искусственного интеллекта. В первом случае речь идет о широком термине, который означает использование алгоритмов для анализа данных, обучения на их основе и прогнозирования или принятия решений. Здесь могут использоваться разные способы: статистические методы, деревья решений и т. д.

Обучение с учителем (Supervised Learning) — это наиболее распространенный подход, при котором нейросеть обучается на основе предварительно размеченных данных. Эти данные включают в себя входные значения и соответствующие им целевые (ответы). Нейросеть обучается предсказывать последние на основе входных данных.

Прохождение игр — часто встречающаяся задача, которую решает обучение с подкреплением. Так, например, алгоритм Q-обучения (Q-learning) часто используется в играх — например, для тренировки агента прохождению знакомой всем «Змейки » . Другой пример — нейросетевая модель AlphaGo, которая обучена играть в го на уровне мировых чемпионов.

Современные нейросети с легкостью и за считанные секунды анализируют художественный текст, создают изображения, поддерживают живой диалог, пишут программный код и многое другое по запросу пользователя. Однако для того, чтобы эти действия правильно и быстро выполнялись, нейронная сеть проходит трудоемкое обучение, вне зависимости от размера входной задачи и количества нейронов в сети. Для результативной работы модели в будущем необходимо заранее подготовить наборы обучающих данных, рассчитать возможные отклонения от точных решений и подобрать весовые коэффициенты для каждого из нейронов.

Что такое нейросети?

Сейчас на слуху «творчество нейросетей»: сгенерированные машиной тексты и стихи, несуществующие картины и фотографии людей, почти похожие на настоящие. Для человека вне IT это выглядит как чудо. Но на самом деле нейронные сети хорошо объясняются математически, хотя результат их работы действительно невозможно предсказать.

Нейросеть не осознает свои действия. Даже если она генерирует контент — она делает это машинально, на основе предыдущих данных, а не благодаря собственному мышлению. Вряд ли нейронная сеть, даже сложная, сможет догадаться, что созданное ей предложение абсурдно и не имеет смысла. Для нее нет такого понятия, как «смысл». Творчество нейросетей — примерно как «речь» говорящего попугая или «китайская комната». Поэтому есть мнение, что книга или картина, написанные нейросетью, не смогут заменить человеческие, даже если алгоритмы будут очень хорошо имитировать наше творчество. Вряд ли много кто захочет читать книгу, если точно известно, что автор не вкладывал туда никаких мыслей. Правда, пока создавать с нуля контент, похожий на настоящий, могут немногие системы. Но вы можете внести свой вклад в их развитие — если освоите, как они работают. Сейчас это направление востребовано как никогда. Тест: нейросеть или человек — сможете определить?

Тренировочный набор данных для этого типа обучения важно разметить, то есть каждому примеру сопоставить результат, который модель должна получить. Для этого над входным датасетом следует предварительно поработать: учитель собирает его заранее, просматривает и размечает в понятном для обработки виде.

Нейросети — математические модели и их программное воплощение, основанные на строении человеческой нервной системы. Самую простую нейронную сеть, перцептрон (модель восприятия информации мозгом), вы сможете легко самостоятельно написать и запустить на своем компьютере, не используя сторонние мощности и дополнительные устройства. Пройдите наш тест и узнайте, какой контент подготовил искусственный интеллект, а какой — реальный человек. Чтобы лучше понять, что это такое, попробуем сначала разобраться, как работают биологические нейронные сети — те, что находятся внутри нашего организма. Именно они стали прообразом для машинных нейронных сетей.

Нейронные сети — это подмножество машинного обучения, которое использует архитектуру, вдохновленную биологическими нейросетями. Это означает, что они состоят из слоев «нейронов», которые передают и преобразуют информацию. Они хорошо подходят для обработки сложных данных (изображения, звук).

Обучать нейронные сети выполнению задач можно по-разному: процесс развития навыков возможен с учителем или без него, а также с подкреплением. Каждый формат предназначен для решения конкретных задач: классификации, прогнозирования, распознавания изображения и так далее. Как выбрать оптимальный формат и чем между ними разница?