Пишем свою нейросеть: пошаговое руководство

Data Scientist или Python-разработчик? А может, третий неочевидный вариант? Узнайте, какая IT-специальность подходит вам идеально на бесплатной онлайн-профориентации «IT-рентген».

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.

Функция сверху должна быть немного объяснена. Во-первых, мы не задаем лимит работы градиентного спуска, основываясь на изменениях или точности функции оценки. Вместо этого, мы просто запускаем её с фиксированным числом итераций (3000 в нашем случае), а затем наблюдаем, как меняется общая функция оценки с прогрессом в обучении. В каждой итерации градиентного спуска, мы перебираем каждый учебный экземпляр (range (len (y)) и запускаем процесс прямого распространения, а после него и обратное распространение. Этап обратного распространения является итерацией через слои, начиная с выходного слоя к началу — range (len (nn_structure), 0, 1). Мы находим среднюю оценку на исходном слое (l == len (nn_structure)). Мы также обновляем значение ΔW и Δb с пометкой tri_W и tri_b, для каждого слоя, кроме исходного (исходный слой не имеет никакого связи, который связывает его со следующим слоем).

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.

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:

И, наконец, мы пришли к определению метода обратного распространения через градиентный спуск для обучения наших нейронных сетей. Финальный алгоритм обратного распространения выглядит следующим образом:
Рандомная инициализация веса для каждого слоя W (l) . Когда итерация < границы итерации:

Смысл контролируемого обучения в том, что предоставляется много пар вход-выход уже известных данных и нужно менять значения весов, основываясь на этих примерах, чтобы значение ошибки стало минимальным. Эти пары входа-выхода обозначаются как (x (1) ,y (1) ). (x (m) ,y (m) ), где m является количеством экземпляров для обучения. Каждое значение входа или выхода может представлять собой вектор значений, например x (1) не обязательно только одно значение, оно может содержать N-размерный набор значений. Предположим, что мы обучаем нейронную сеть выявлению спам-сообщений — в таком случае x (1) может представлять собой количество соответствующих слов, которые встречаются в сообщении:

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.

Следующим шагом является создание структуры нейронной сети. Для входного слоя, мы знаем, что нам нужно 64 узла, чтобы покрыть 64 пикселей изображения. Как было сказано ранее, нам нужен выходной слой с 10 узлами. Нам также потребуется скрытый слой в нашей сети. Обычно, количество узлов в скрытых слоях не менее и не больше количества узлов во входном и выходном слоях. Объявим простой список на языке Python , который определяет структуру нашей сети:

1 Простой пример на коде

Для тех, кто не знает или забыл, как перемножаются матрицы. Когда матрица весов умножается на вектор, каждый элемент в строке матрицы весов умножается на каждый элемент в столбце вектора, после этого все произведения суммируются и создается новый вектор (3х1). После перемножения матрицы на вектор, добавляются элементы из вектора смещения и получается конечный результат.

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).

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?

Так выглядит общая форма процесса прямого распространения, выход слоя l становится входом в слой l+1. Мы знаем, что h (1) является входным слоем x, а h (nl) (где nl- номер слоя в сети) является исходным слоем. Мы также не стали использовать индексы i и j-за того, что можно просто перемножить матрицы — это даст нам тот же результат. Поэтому данный процесс и называется «векторизацией». Этот метод имеет ряд плюсов. Во-первых, код его реализации выглядит менее запутанным. Во-вторых, используются свойства по линейной алгебре вместо циклов, что делает работу программы быстрее. С numpy можно легко сделать такие подсчеты. В следующей части быстро повторим операции над матрицами, для тех, кто их немного подзабыл.

Последовательность нейрослоев часто применяют для более глубокого обучения нейронной сети и большей формализации имеющихся данных. Именно поэтому, чтобы получить итоговый выходной вектор, нужно проделать вышеописанную операцию пару раз подряд по направлению от одного слоя к другому. В результате для 1-го слоя входным вектором будет являться X, а для последующих входом будет выход предыдущего слоя. То есть нейронная сеть может выглядеть следующим образом:

Расчеты значений весов, которые соединяют слои в сети, это как раз то, что мы называем обучением системы. В контролируемом обучении идея заключается в том, чтобы уменьшить погрешность между входом и нужным выходом. Если у нас есть нейросеть с одним выходным слоем и некоторой вход xx и мы хотим, чтобы на выходе было число 2, но сеть выдает 5, то нахождение погрешности выглядит как abs(2-5)=3. Говоря языком математики, мы нашли норму ошибки L 1 (Это будет рассмотрено позже).

1 Масштабирование данных

Частичная производная z₁ (2) по w₁₂ (2) зависит только от одного произведения в скобках, w12(1)h2(2), Так как все элементы в скобках, кроме w₁₂ (2) , не изменяются. Производная от константы всегда равна 1, а ∂/∂w₁₂ (2) )сокращается до просто h₂ (2) , Что является обычным выходом второго узла из слоя 2.

На рисунке показано, что каждое значение δ из исходного слоя суммируется для нахождения δ₁ (2) , Но каждый выход δ должен быть взвешенным соответствующими значению w_i1 (2) . Другими словами, узел 1 в слое 2 способствует изменениям погрешностей в трех выходных узлах, при этом полученная погрешность (или значение функции оценки) в каждом из этих узлов должна быть «передана назад» значению δ этого узла. Сформируем общее выражение значение δ для узлов в скрытом слое:
, где j является номером узла в слое l, i- номер узла в слое l+1(что аналогично обозначениям, которое мы использовали ранее). s_(l+1)— это количество узлов в слое l+1.
Теперь мы знаем, как находить:
Но что делать с весами смещения? Принцип работы с ними аналогичный обычным весам, используя правила дифференцирования сложных функций:

Здесь мы можем видеть, что при изменении веса изменяется также уровень наклона графика активационной функции. Это полезно, если мы моделируем различные плотности взаимосвязей между входами и выходами. Но что делать, если мы хотим, чтобы выход изменялся только при х более 1? Для этого нам нужно смещение. Рассмотрим такую сеть со смещением на входе:

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?

Но полученный вектор представляет собой неактивированное состояние (промежуточное, невыходное) всех нейронов, а для того, чтобы нам получить выходное значение, нужно каждое неактивированное значение подать на вход вышеупомянутой функции активации. Итогом ее применения и станет выходное значение слоя.

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.