Пишем нейросеть прямого распространения с нуля | Как создать свою нейросеть

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.

Более простыми словами, это некий чёрный ящик, который превращает входные данные в выходные, или, говоря более математическим языком, является отображением пространства входных признаков X в пространство выходных признаков Y: X → Y. То есть мы хотим найти какую-то функцию F, которая сможет выполнять это преобразование. Для начала этой информации нам будет достаточно. Для более подробного ознакомления рекомендуем ознакомиться с этой статьёй на хабре.

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.

Для обратного распространения ошибки нам потребуется знать значения входов, выходов и значения производных функции активации сети на каждом из слоёв, поэтому создадим структуру LayerT, в которой будет 3 вектора: x — вход слоя, z — выход слоя, df — производная функции активации. Также для каждого слоя потребуются векторы дельт, поэтому добавим в наш класс ещё и их. С учётом вышесказанного наш класс станет выглядеть так:

Чаще всего в подобных статьях начинают расписывать про устройство биологического нейрона, связь с его искусственной моделью и прочую лирику. Мы же этого делать не будем, а сразу перейдём к сути. Искусственный нейрон — это всего лишь взвешенная сумма значений входного вектора элементов, которая передаётся на нелинейную функцию активации f: z = f(y), где y = w₀·x₀ + w₁·x₁ + . + w_{m — 1}·x_{m — 1} . Здесь w₀, . w_{m — 1} — коэффициенты, веса каждого элемента вектора, x₀, . x_{m — 1} — значения входного вектора X, y — взвешенная сумма элементов X, а z — результат применения функции активации. Мы вернёмся к функции активации немного позднее, а пока давайте придумаем, как вместо одного выходного значения получить n.

Но нейронные сети — все же не человеческий мозг. Мозг сложнее, объемнее, в нем намного больше нейронов, чем в любой компьютерной нейросети. Поэтому чрезмерное обучение может сделать хуже. Например, переобученная нейросеть может начать распознавать предметы там, где их нет — так люди иногда видят лица в фарах машин и принимают пакеты за котов. А в случае с искусственной нейронной сетью такой эффект еще явнее и заметнее. Если же учить нейросеть на нескольких разнородных данных, скажем, сначала обучить считать числа, а потом — распознавать лица, она просто сломается и начнет работать непредсказуемо. Для таких задач нужны разные нейросети, разные структуры и связи.

Почему функция XOR так интересна? Просто потому, что её невозможно получить одним нейроном: 0 ^ 0 = 0, 0 ^ 1 = 1, 1 ^ 0 = 1, 1 ^ 1 = 0. Однако она легко получается увеличением числа нейронов. Мы же попробуем выполнить обучение сети с 3 нейронами в скрытом слое и 1 выходным (так как выход у нас всего один). Для этого нам необходимо создать массив векторов X и Y с обучающими данными и саму нейросеть:

Если внимательно посмотреть, то оказывается, что написанная выше формула является определением умножения матрицы на вектор. И действительно, если взять матрицу W размера n на m и умножить её на вектор X размерности m, то получится другой вектор размерности n, то есть ровно то, что нам и нужно. Таким образом, получение выходного вектора по входному для n нейронов можно записать в более удобной матричной форме: Y = W·X , где W — матрица весовых коэффициентов, X — входной вектор и Y — выходной вектор. Однако полученный вектор является неактивированным состоянием (промежуточным, невыходным) всех нейронов, а чтобы получить выходное значение,, необходимо каждое неактивированное значение подать на вход функции активации. Результат её применения и будет выходным значением слоя.

Формула для расчета выхода нейрона

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.

Для того, чтобы уменьшить ошибку сети нужно изменить весовые коэффициенты каждого слоя. Как же именно нужно менять весовые коэффициенты матриц на каждом слое? Оказывается, всё довольно просто. Для этого используется метод градиентного спуска, а значит нам необходимо вычислить градиент по весам и сделать шаг в отрицательную сторону от этого градиента. На этапе прямого распространения мы зачем-то запоминали входные сигналы, а при обратном распространении ошибки мы вычисляли дельты в каждом слое. Именно их мы и будем сейчас использовать для нахождения градиента! Градиент по весам равен перемножению входного вектора и вектора дельт (не покомпонентно). Поэтому, чтобы обновить весовые коэффициенты и уменьшить тем самым ошибку сети нужно всего лишь вычесть из матрицы весов результат перемножения дельт и входных векторов, умноженный на скорость обучения. Это можно записать в таком виде: W_t+1 = W_t — η·δ·X , где W_t+1 — новая матрица весов, W_t — текущая матрица весов, X — входное значение слоя, δ — дельта этого слоя. Почему именно так с математической точки зрения хорошо описано в этой статье.

На данный момент мы имеем случайную (необученную) нейронную сеть, которая может по входному вектору input выдать случайный ответ, однако нам требуется ответы, удовлетворяющие конкретной задаче. Чтобы добиться этого нашу сеть необходимо обучить. Для этого нам необходима база тренировочных примеров, то есть множество пар векторов X — Y, на которых будет обучаться сеть. Обучать нейросеть мы будем с помощью алгоритма обратного распространения ошибки. Если кратко, то он работает следующим образом:

Мы написали с вами нейронную сеть прямого распространения и даже обучили её функции XOR. При этом мы позаботились об универсальности, благодаря чему нейросеть может быть обучена на любых данных, главное только подготовить два массива обучающих векторов X и Y, подобрать параметры обучения и запустить само обучение, после чего наблюдать за процессом. Важно помнить, что при использовании сигмоидальной функции активации, выходные значения сети не будут превышать 1, а значит, для обучения данным, которые значительно больше 1 необходимо отнормировать их, то есть привести к отрезку [0, 1].

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.

Нейросети кажутся людям чем-то очень сложным и запутанным, однако это вовсе не так. Простую нейросеть можно написать менее чем за час с нуля. В нашей статье мы создадим нейронную сеть прямого распространения (также называемую многослойным перцептроном), используя лишь массивы, циклы и условные операторы, а значит этот код легко можно будет перенести на любой язык программирования, предоставляющий эти возможности. А если язык предоставляет библиотеку для матричных и векторных вычислений (как, например, numpy в языке Python, то написание займёт ещё меньше времени).

Теперь нам достаточно знаний, чтобы написать код получения результата нейронной сети. Мы будем писать код на языке C#, однако, уверяем, код будет практически идентичным для других языков программирования. Давайте разберёмся, что нам потребуется для реализации сети прямого распространения:

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: