Как сделать свою нейросеть за 10 минут на Python

Что такое нейросеть

Все, что сейчас произошло у вас в мозгу, мы называем мышлением. Мозг принял входные данные, увидел выходные, вычислил взаимосвязь и впоследствии научился контролировать как их распознавать? Причем уже без необходимости в повторном вычислении взаимосвязи входных и выходных данных. Ну а нам осталось только воспроизвести этот же процесс в коде, чем мы сейчас и займемся. Но сначала давайте наглядно увидим, как будет выглядеть наш перцептрон. У нас будут входные данные, будет сам нейрон, конечно же результат и синапсы. Как уже понятно, синапсы это некая связь между . входными данными и тем, что попадет в нейрон. Соответственно, у нас есть какие-то входные данные, это будут нолики и единицы, своего рода аналог true и false в булевом типе данных.

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.

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.

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?

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.

Затем нам понадобится веса для синапсов. Именно они будут выявлять взаимосвязь между входными данными и результатом. Сейчас просто запомните, что именно веса будут оказывать наибольшую роль в определении результата и чуть позже в коде мы воспользуемся популярным решением для инициализации весов. В частности, веса будут инициализироваться генератором случайных чисел. Это довольно важно, потому что если бы был способ найти идеальные начальные веса, то дальнейшее обучение сети просто не требовалось бы.

И теперь, когда мы понимаем общий принцип действия, давайте перейдем к написанию кода, чтобы более наглядно увидеть реализацию всего, что я только что рассказывал. Но сначала в Python нам нужно установить модуль numpy. Он нам понадобится для легкой и высокопроизводительной работы с многомерными массивами. В описании я оставлю ссылку на репозиторий numpy в PyPy. Устанавливается он, как и любой другой модуль в Python, без каких-либо проблем. Теперь в коде начнем с импорта numpy, а затем объявим функцию sigmoid для реализации нашей функции активатора. Уже здесь нам пригождается numpy.

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.

Как можно улучшить нейронную сеть

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.

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.

Давайте поймем почему формула имеет такой вид. Сначала нам нужно учесть то, что мы хотим скорректировать вес пропорционально размеру ошибки. Далее ошибка умножается на значение, поданное на вход нейрона, что, в нашем случае, 0 или 1. Если на вход был подан 0, то вес не корректируется. И в конце выражение умножается на градиент сигмоиды. Разберемся в последнем шаге по порядку:

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.

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.

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.

А начнем из простого и распространенного примера. Допустим, у нас есть какая-то проблема, которую наша нейронка должна уметь решать. Во всех учебниках и уроках по нейронкам обычно можно встретить вот эту таблицу. Здесь вы видите набор входных и выходных данных. Можете попробовать поставить видео на паузу и вычислить самостоятельно связь между этими данными. Хотя здесь нет ничего сложного, я думаю, уже видно, что в выходном столбце оказываются значения из первого столбца входного массива. На данном этапе ваш мозг, при помощи своих нейронных связей, синапсов и кое-чего еще, уже смог решить данную проблему и научиться, как ее решать впоследствии.