Введение в анализ данных¶

Вычисления на GPU

Входной слой состоит из 28 х 28 = 784 пикселей с оттенками серого, которые составляют входные данные в датасете MNIST. Входные данные далее проходят через два скрытых слоя, каждый из которых содержит 200 узлов, использующих линейную выпрямительную функцию активации (ReLU). Наконец, мы имеем выходной слой с десятью узлами, соответствующими десяти рукописным цифрам от 0 до 9. Для такой задачи классификации будем использовать выходной softmax-слой.

В таком определении можно видеть наследование базового класса nn.Module. В первой строке инициализации класса def __init__(self) мы имеем требуемую super() функцию языка Python, которая создает объект базового класса. В следующих трех строках создаем полностью соединенные слои как показано на диаграмме архитектуры. Полностью соединенный слой нейронной сети представлен объектом nn.Linear, в котором первый аргумент — определение количества узлов в i-том слое, а второй — количество узлов в i+1 слое. Из кода видно, первый слой принимает на входе 28×28 пикселей и соединяется с первым скрытым слоем с 200 узлами. Далее идет соединение с другим скрытым слоем с 200 узлами. И, наконец, соединение последнего скрытого слоя с выходным слоем с 10 узлами.

Преимущества использования вычислительного графа в том, что каждый узел является независимым функционирующим куском кода, если получит все необходимые входные данные. Это позволяет оптимизировать производительность при выполнении расчетов, используя многоканальную обработку, параллельные вычисления. Все основные фреймворки для глубокого обучения (TensorFlow, Theano, PyTorch и так далее) включают в себя конструкции вычислительных графов, с помощью которых выполняются операции внутри нейронных сетей и происходит обратное распространение градиента ошибки.

Первый вопрос для рассмотрения — действительно ли PyTorch лучше TensorFlow? Это субъективно, так как с точки зрения производительности нет больших различий. В любом случае, PyTorch стал серьезным соперником в соревновании между библиотеками глубокого обучения. Давайте начнем изучать библиотеку, оставив для размышлений вопрос о том, что же лучше.

Слой Linear делает линейное преобразование входного тензора формы (N, nX), где N — число примеров. На выходе слоя получается тензор формы (N, nH), который пропускается через сигмоид (новые nH признаков). Второй слой даёт тензор (N, nY) от которого также берётся через сигмоид. Если его значение меньше 0.5 — это первый класс, если больше 0.5 — второй.

Вызов nn.Line(in_features, out_features) создаёт два экземпляра линейного полносвязного слоя fc1, fc2 (fully connected). Одновременно с этим задаются случайные значения их весов и смещений. Скобочный оператор fc1(x) в методе forward запускает вычисления внутри слоя и на выходе выдаёт результирующий тензор.

После определения скелета архитектуры сети, необходимо задать принципы, по которым данные будут перемещаться по ней. Это делается с помощью определяемого метода forward(), который переписывает фиктивный метод в базовом классе и требует определения для каждой сети:

В следующей строке запускаем optimizer.zero_grad(), который обнуляет или перезапускает градиенты в модели так, что они готовы для дальнейшего обратного распространения. В других библиотеках это реализовано неявно, но нужно помнить, что в PyTorch это делается явно. Давайте рассмотрим следующий код:

Вычислительные графы

Внешний тренировочный цикл проходит по количеству эпох, а внутренний тренировочный цикл проходит через все тренировочные данные в партиях, размер которых задается в коде как batch_size. На следующей линии конвертируем данные и целевую переменную в переменные PyTorch. Входной датасет MNIST, который находится в пакете torchvision (который вам необходимо установить при помощи pip), имеет размер (batch_size, 1, 28, 28) при извлечении из загрузчика данных. Такой четырехмерный тензор больше подходит для архитектуры сверточной нейронной сети, чем для нашей полностью соединенной сети. Тем не менее, необходимо уменьшить размерность данных с (1,28,28) до одномерного случая для 28 х 28 = 784 входных узла.

Далее устанавливается метрика контроля качества — функция потерь отрицательного логарифмического правдоподобия. Такой вид функции в комбинации с логарифмической softmax-функцией на выходе нейронной сети дает эквивалентную кросс-энтропийную потерю для 10 классов задачи классификации.

Простые нейронные сети с последовательной архитектурой можно создавать при помощи стопочного интерфейса. Например, двухслойная полносвязная сеть с двумя входами (nX=2 признака), одним (nY=1) сигмоидным выходом (2 класса) и пятью нейронами (nH=5) в скрытом слое имеет вид:

Теперь у нас есть предсказание нейронной сети для каждого примера в определенной партии входных данных, и можно сравнить его с настоящей меткой класса из тренировочного датасета. Это используется для подсчета количества правильных ответов. Чтобы сделать это в PyTorch, необходимо воспользоваться функцией .eq(), которая сравнивает значения в двух тензорах и при совпадении возвращает единицу. В противном случае, функция возвращает 0:

При проектировании сложных нейронных сетей, их архитектуру удобнее задавать в функциональном виде.
Для этого создаётся наследник класса nn.Module. В нём переопределяется конструктор и метод forward. В конструкторе задаются необходимые слои и инициализируются их параметры. Обратим внимание на вызов конструктора предка которому необходимо передать имя нашего класса. В методе forward (прямое распространение) строится архитектура сети (слои связываются в вычислительный граф):

На каждой итерации из обучающих примеров формируется массив батчей, запускается прямое распространение
y = model(bx) и вычисляется ошибка loss (из сравнения выхода y модели с «правильными» значениями yb).
На вычислительном графе ошибки метод loss.backward() даёт градиенты параметров модели, при помощи которых оптимизатор optimizer в методе step() получает новые значения параметров:

В объявлении переменной используется двойной тензор размера 2х2 и дополнительно указывается, что переменной необходим градиент. При использовании этой переменной в нейронных сетях, она становится способна к обучению. Если последний параметр будет равен False, то переменная не может использоваться для обучения. В этом простом примере мы ничего не будем тренировать, но хотим запросить градиент для этой переменной, как будет показано ниже.

Первое, что необходимо понять о любой библиотеке глубокого обучения — идея вычислительных графов. Вычислительный граф — набор вычислений, которые называются узлами (nodes), и которые соединены в прямом порядке вычислений. Другими словами, выбранный узел зависит от узлов на входе, который в свою очередь производит вычисления для других узлов. Ниже представлен простой пример вычислительного графа для вычисления выражения a = (b + c) * (c + 2). Можно разбить вычисление на следующие шаги:

Функциональная архитектура

Если вы уже пробовали создавать собственные глубокие нейронные сети с помощью TensorFlow и Keras, то, вероятно, знакомы с чувством разочарования при отлаживании этих библиотек. Хотя они имеют API на Python, всё еще трудно выяснить, что именно пошло не так при ошибке. Они также плохо работают вместе с библиотеками numpy, scipy, scikit-learn, Cython и другими. Библиотека глубокого обучения PyTorch имеет заявленное преимущество — хорошо работает с Python и создана для апологетов Python. Кроме того, приятное свойство PyTorch — построение вычислительного динамического графа, в противовес статическим вычислительным графам, представленным в TensorFlow и Keras. PyTorch сейчас находится на подъеме и используется в разработке Facebook, Twitter, NVIDIA и другими компаниями. Давайте обратимся к туториалу по использованию PyTorch.

Этот раздел — основной в туториале. Полный код туториала лежит в этом репозитории на GitHub. Здесь мы создадим простую нейронную сеть с 4 слоями, включая входной и два скрытых слоя, для классификации рукописных символов в датасете MNIST. Архитектура, которую мы будем использовать, показана на картинке:

Этот цикл совпадает с тренировочным циклом до строки test_loss. Здесь мы извлекаем потери сети используя свойство .data[0] как и раньше, но только все в одной строке. Далее в строке pred используется метод data.max(1), который возвращает индекс наибольшего значения в определенном измерении тензора. Теперь выход нашей нейронной сети будет иметь размер (batch_size, 10), где каждое значение из второго измерения длины 10 — логарифмическая вероятность, которую нейросеть приписывает каждому выходному классу (то есть это логарифмическая вероятность принадлежности картинки к символу от 0 до 9). Поэтому для каждого входного образца в партии net_out.data будет выглядеть следующим образом:

В данном ноутбуке мы будем пользоваться фреймворком PyTorch, который предназначен для работы с нейронными сетями. Как установить pytorch можно прочитать на официальном сайте PyTorch. Для этого выберите свою OS и вам будет показана нужная команда для ввода в терминале. Больше подробностей о том, как pytorch работает будет рассказно на 3 курсе.

Тензоры — подобные матрице структуры данных, которые являются неотъемлемыми компонентами в библиотеках глубокого обучения и используются для эффективных вычислений. Графические процессоры (GPU) эффективны при вычислении операций между тензорами, что стимулировало волну возможностей в глубоком обучении. В PyTorch тензоры могут определяться несколькими способами:

Функция fit делает проход по всем данным. Это называется эпохой обучения. Если параметр leran=True, то происходит обучение модели (изменение её параметров). Значение leran=False используется при оценке качества модели без её изменения. В качестве метрик качества используется средняя ошибка по всем примерам и средняя точность (доля правильно предсказанных классов). Обычно требуется достаточно много эпох обучения: