Что такое нейросеть и как она работает. Объясняем простыми словами

Человеческий мозг как модель искусственной нейросети

Однако первые успехи нейросетей привели к завышенным ожиданиям, которые они не смогли оправдать. В конце 1960-х правительство США, где проводились основные исследования нейросетей, резко урезало финансирование подобных разработок, посчитав их не оправдывающими себя.

Но зачастую, нейросеть в смартфоне — это просто математическая модель, оформленная в виде программы, в которую на входе поступают некоторые числа, далее они по связям передаются на «нейроны», изменяясь в зависимости от веса каждой связи. Другими словами, цифры перемножаются, суммируются множество раз. И когда все числа пройдут по всем нейронам, на выходе мы получим вероятность какого-то результата.

И здесь есть одна проблемка. Оранжевый нейрон насчитал слишком большое число и это не хорошо. Вот посудите сами. Представьте, что ваш смартфон с искусственным интеллектом будет сам принимать решение, когда вас нужно показать врачу. На входе его нейросеть получает информацию о температуре тела и, скажем, количестве эритроцитов в крови.

Все! На этом сложная часть закончилась. Теперь вы знаете общий принцип работы нейросети. Это просто набор чисел, весов (еще числа) и простой математики (умножение, сложение, различные математические функции). Естественно, никаких кружочков, стрелочек и прочих визуальных спецэффектов в нейросетях нет. Все организовано в виде матриц — набора чисел в столбиках и строчках. Эти матрицы перемножаются, суммируются и так далее.

Для этого нейрон должен иметь кое-что еще — функцию активации. Такой функцией чаще всего выступает сигмоида (сигмоидальная функция). Я обещал, что математики здесь не будет, так что просто знайте, что сигмоида возьмет любое число, получившееся после суммирования всех сигналов в нейроне и сделает из него другое число от нуля до единицы.

Что важно, одни нейромедиаторы могут оказывать возбуждающее (активирующее) действие, а другие — тормозящие. Для того, чтобы нейрон отправил импульс дальше, нужно, чтобы на его дендритах набралось определенное количество активирующих нейромедиаторов. Чем их больше — тем сильнее сигнал.

Как работают нейросети

Пять? Что за глупость! Хотя, с другой стороны, а чего мы ожидали? Что какой-то сигнал пройдет по нейронам и мы магическим образом получим правильный ответ? Так это не работает. Для того, чтобы нейросеть выдала правильный ответ, мы должны ей сказать, как ребенку: «Нет, 5 — это неверно! Верный ответ — 4».

Тут вот какое дело. Мы только что говорили об устройстве нейросети, но всё, что было сказано, относится лишь к самому базовому типу нейросетей под названием перцептрон. В принципе, с помощью перцептрона мы можем легко сделать нейросеть, которая будет очень точно распознавать рукописный ввод. И, учитывая размер статьи, я расскажу об этом во второй части (которая выйдет на днях).

Как и люди, нейросети могут правильно решать новые задачи, опираясь на предшествующий опыт. Эти умные программы анализируют новую информацию, обобщают её и применяют выученные шаблоны к новым задачам. Если дать нейросети примеры «правильной» работы для решения задачи, то она может совершенствовать свою работу дальше.

Нейрон — это клетка, получающая, обрабатывающая и передающая электрический сигнал. Из таких клеток и состоит наш мозг. В рамках этой статьи можно сильно упростить модель нейрона, убрав всё, что не относится непосредственно к работе с сигналами. Схематически он будет выглядеть следующим образом:

Чем больше мы будем давать таких примеров, тем лучше наша сеть начнет понимать, что от нее требуется. Благодаря самостоятельной подстройке весов, нейросеть научится решать простенькие примеры. Заметьте, мы ей не указывали, как это делать, то есть, какие веса и как подстраивать. Она сама научилась, основываясь на наших правильных ответах.

Так и в компьютерной нейросети каждый сигнал, проходя по определенному каналу связи, будет изменяться в заданном порядке. Соответственно, если мы на входные нейроны отправим какой-то сигнал, он пройдет по всем нейронам и в конце (на последнем слое) каждый нейрон будет содержать определенные цифры.

Почему же от нейрона a ушла цифра 0.4, а к нейрону d пришла 0.8? Она просто увеличилась вдвое. То есть, так сложилось, что эта связь a->d будет всегда увеличивать число (усиливать сигнал) в 2 раза. Какой бы сигнал мы не отправляли по этой связи, он всегда будет умножаться на 2. Это называется весом связи. Что значит «так сложилось» — пока не важно. Просто сложилось и все — родился человек с такими начальными весами, а при создании нашей нейросети все веса были выбраны случайным образом.

Здесь мы видим 3 слоя нейронов, где первый — a, b, c, второй — d, e, f и третий g, h, i. На первый слой (a, b, c) мы подаем сигнал. Это может быть что угодно — картинка, звук или текст. Естественно, предварительно нужно перевести сигнал в цифры, так как нейроны не способны работать ни с чем, кроме чисел (как это делается — я расскажу чуть позже). Ведь наш мозг тоже не получает никаких звуков или картинок. Все переводится в электрические импульсы. Так и здесь. Все переводится в числа (чем больше число — тем, как бы, сильнее электрический импульс).