Как сделать свою нейросеть за 10 минут на Python

Как можно улучшить нейронную сеть

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?

Хауди-хо, друзья! Недавно вы просили меня рассказать, как создать свою собственную нейронную сеть с нуля. Поэтому сегодня мы с вами этим и займемся. Создадим простейшую нейронную сеть, а именно Перцептрон. И на самом деле это не так сложно, как может показаться на первый взгляд. Дело в том, что нейронные сети как таковые базируются на определенных алгоритмах и математических функциях. Здесь можно встретить сигмоиду, линейную регрессию и угродительность. Но как мы знаем, чтобы пользоваться формулами, не обязательно понимать, как они работают.

И все это нужно будет повторить, например, 20 тысяч раз. В коде этот алгоритм у нас будет выглядеть следующим образом. Если вы хотите более подробно на математическом уровне узнать о том, как именно устроен данный алгоритм обучения нейросети, то я в описании оставлю ссылку на статью, которая на русском языке понятно объясняет, как это все работает. Ну а теперь мы запустим код, и как видите, после запуска мы получаем результат, больше похожий на правду. И по сути уже сейчас наша нейронная сеть обучена. Она сама научилась выявлять взаимосвязь между входными и выходными данными. Давайте проверим, как она справится в какой-то новой для себя ситуации.

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.

Иными словами, вес синопса не может быть меньше минус 1 и не может быть больше 1. На текущем этапе вам важно понимать то, что веса мы, грубо говоря, взяли с потолка. Это значит, что столь важные для нас веса синапса, выявляющие взаимосвязь между входными данными и результатом, сейчас непригодны к использованию. А значит, мы должны эту ситуацию как-то исправить. Я сейчас говорю о том, чтобы провести нашу нейронку через так называемый процесс обучения нейросети. Это позволит нам приблизить веса к более верным значениям, а значит, правильно выявлять взаимосвязь. В данное время существуется сразу несколько методов обучения нейросети. Например, это знаменитый метод обратного распространения, на английском Backpropagation. Еще есть метод упругого распространения, или же Resilient Propagation.

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.

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.

И позже я об этом еще покажу и расскажу в коде. Сам подход к обучению нейросети, то есть подразумевает старт с непрозрачностью, правильной позиции в поисках правильной. При этом довольно важен тот факт, что начальные веса не могут быть полностью одинаковыми, иначе они так одинаковыми в процессе обучения и останутся. Ну а раз мы все равно не знаем, какие должны быть веса, и нельзя делать их одинаковыми, то идея взять случайные веса в общем случае выглядит очень даже хорошо. И как я уже ранее сказал, именно благодаря весам нейрон будет определять результат.

Формула для расчета выхода нейрона

Конечно, после сигмоида мы никогда не получим такие значения, но и результат после обучения нашей нейронки сложно назвать хоть чем-то хотя бы близко похожим на то, что нам нужно. И происходит это потому, что метод обратного распространения подразумевает многократное обучение нейронной сети. В коде которого будет производиться регулирование в соответствии с уже известными алгоритмами выравнивания весов.

И, конечно же, не забудем про генетический алгоритм, или же Genetic Algorithm. Тем не менее, основу основ обучения всех нейронок сегодня составляет именно метод обратного распространения. Именно им мы сейчас и воспользуемся. В коде этот метод будет выглядеть следующим образом. Итак, мы помним, что верными решениями для нас являются значения 0110.

Допустим, передадим ей значение 1.1.0. Как вы помните, во входных тренировочных данных такого значения у нас не было. В коде задействовать нашу уже обученную нейросеть можно также очень просто. Запускаем получившийся код и видим результат. Наша нейронная сеть прекрасно справилась и поняла, что очень большая вероятность того, что на выходе должна быть цифра 1. И то, что мы сейчас с вами запрограммировали, это простейшая нейронная сеть, которая называется Перцептрон. Но даже с такой простой нейронкой уже можно решить решать какие-то более-менее реальные задачи.

Из него мы используем метод exp, который нужен для вычисления экспонента и всех элементов входного массива. Но нам это в принципе не важно. Как я ранее говорил, это просто формула, которую мы применяем. И не обязательно быть математиком, чтобы это делать. Затем нам нужно объявить тренировочные данные. С этой целью мы создадим две переменные. Первая это training inputs. Она будет хранить в себе массив 4 на 3 с соответствующими входными данными, которые я наглядно . показывал ранее на табличке.

Другие методы и формулы. Чтобы нейроны обучались, нужно задать формулу корректировки весов — мы говорили про это выше. Если нейронов много, то формулу нужно как-то распространить на все из них. Для этого используется метод градиентного спуска: рассчитывается градиент по весам, а потом от него делается шаг в меньшую сторону. Звучит сложно, но на самом деле для этого есть специальные формулы и функции.

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.

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.

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.