Нейронные сети, перцептрон

Сфера применения

Нейронные сети могут отслеживать действия пользователей для разработки персонализированных рекомендаций. Они также могут анализировать все действия пользователей и обнаруживать новые продукты или услуги, которые интересуют конкретного потребителя. Например, стартап из Филадельфии Curalate помогает брендам конвертировать сообщения в социальных сетях в продажи. Бренды используют службу интеллектуальной маркировки продуктов (IPT) Curalate для автоматизации сбора и обработки контента пользователей социальных сетей. IPT использует нейронные сети для автоматического поиска и рекомендации продуктов, соответствующих активности пользователя в социальных сетях. Потребителям не нужно рыться в онлайн-каталогах, чтобы найти конкретный продукт по изображению в социальных сетях. Вместо этого они могут использовать автоматическую маркировку Curalate, чтобы с легкостью приобрести продукт [4] .

В 1980-х годах, когда появились более мощные компьютеры для вычислений, исследователи смогли разработать нейросети с двумя и тремя уровнями обучения. Однако возрождение интереса к нейронным сетям и революция в глубоком обучении произошли лишь в последние годы благодаря индустрии компьютерных игр. Современные игры требуют сложных вычислений для обработки большого числа операций. В итоге производители начали выпускать графические процессоры (GPU), которые объединяют тысячи относительно простых вычислительных ядер на одном чипе. Исследователи вскоре поняли, что архитектура графического процессора очень похожа на архитектуру нейросети.

Хорошим примером биологической нейронной сети является человеческий мозг. Наш мозг — сложнейшая биологическая нейронная сеть, которая принимает информацию от органов чувств и каким-то образом ее обрабатывает (узнавание лиц, возникновение ощущений и т.д.). Мозг же, в свою очередь, состоит из нейронов, взаимодействующих между собой.

Просто так передавать взвешенную сумму [math]net[/math] на выход достаточно бессмысленно — нейрон должен ее как-то обработать и сформировать адекватный выходной сигнал. Для этих целей используют функцию активации, которая преобразует взвешенную сумму в какое-то число, которое и будет являться выходом нейрона. Функция активации обозначается [math]\phi(net)[/math] . Таким образом, выходов искусственного нейрона является [math]\phi(net)[/math] .

Помимо входного и выходного слоев эти нейронные сети содержат промежуточные, скрытые слои. Такие сети обладают гораздо большими возможностями, чем однослойные нейронные сети, однако методы обучения нейронов скрытого слоя были разработаны относительно недавно.

Это определение «обучения нейронной сети» соответствует и биологическим нейросетям. Наш мозг состоит из огромного количества связанных друг с другом нейросетей, каждая из которых в отдельности состоит из нейронов одного типа (с одинаковой функцией активации). Наш мозг обучается благодаря изменению синапсов — элементов, которые усиливают или ослабляют входной сигнал.

Само обучение нейронной сети можно разделить на два подхода: обучение с учителем [на 28.01.19 не создан] и обучение без учителя [на 28.01.19 не создан] . В первом случае веса меняются так, чтобы ответы сети минимально отличались от уже готовых правильных ответов, а во втором случае сеть самостоятельно классифицирует входные сигналы.

Однослойный персептрон (англ. Single-layer perceptron) — перцептрон, каждый S-элемент которого однозначно соответствует одному А-элементу, S-A связи всегда имеют вес 1, а порог любого А-элемента равен 1. Часть однослойного персептрона соответствует модели искусственного нейрона.

Структура нейронной сети

Основные принципы работы нейронных сетей были описаны еще в 1943 году Уорреном Мак-Каллоком и Уолтером Питтсом [1] . В 1957 году нейрофизиолог Фрэнк Розенблатт разработал первую нейронную сеть [2] , а в 2010 году большие объемы данных для обучения открыли возможность использовать нейронные сети для машинного обучения.

Идею перцептрона предложил нейрофизиолог Фрэнк Розенблатт. Он предложил схему устройства, моделирующего процесс человеческого восприятия, и назвал его «перцептроном» (от латинского perceptio — восприятие). В 1960 году Розенблатт представил первый нейрокомпьютер — «Марк-1», который был способен распознавать некоторые буквы английского алфавита.

Если обучать сеть, используя только один входной сигнал, то сеть просто «запомнит правильный ответ», а как только мы подадим немного измененный сигнал, вместо правильного ответа получим бессмыслицу. Мы ждем от сети способности обобщать какие-то признаки и решать задачу на различных входных данных. Именно с этой целью и создаются обучающие выборки.

Например, логистической компании нужно построить самые быстрые маршруты. Если в качестве исходных данных будет использована информация о маршрутах, которые строили сами водители, нет смысла подключать нейросеть. При выборе они будут опираться на другие факторы. Если использование нейросетей всё же уместно, то для решения основной задачи может использоваться не одна нейросеть, а сразу несколько. В этом случае большая задача разбивается на много мелких.

Чтобы обучать эту функцию, сначала надо выбрать функцию ошибки, которую потом можно оптимизировать градиентным спуском. Число неверно классифицированных примеров не подходит на эту кандидатуру, потому что эта функция кусочно-гладкая, с массой разрывов: она будет принимать только целые значения и резко меняться при переходе от одного числа неверно классифицированных примеров к другому. Поэтому использовать будем другую функцию, так называемый критерий перцептрона: [math]E_P(w) = -\sum_ y(x)(\sigma(w^T \cdot x))[/math] , где [math]M[/math] — множество примеров, которые перцептрон с весами [math]w[/math] классифицирует неправильно.

В сетях прямого распространения выход сети определяется входным сигналом и весовыми коэффициентами при искусственных нейронах. В сетях с обратными связями выходы нейронов могут возвращаться на входы. Это означает, что выход какого-нибудь нейрона определяется не только его весами и входным сигналом, но еще и предыдущими выходами (так как они снова вернулись на входы).

Применение

Иначе говоря, мы минимизируем суммарное отклонение наших ответов от правильных, но только в неправильную сторону; верный ответ ничего не вносит в функцию ошибки. Умножение на [math]y(x)[/math] здесь нужно для того, чтобы знак произведения всегда получался отрицательным: если правильный ответ −1, значит, перцептрон выдал положительное число (иначе бы ответ был верным), и наоборот. В результате у нас получилась кусочно-линейная функция, дифференцируемая почти везде, а этого вполне достаточно.

С появлением больших объемов данных, мощных вычислительных ресурсов и улучшенных алгоритмов, нейронные сети особенно быстро стали развиваться в последнее десятилетие. Из ученых, кто придумывает нейросеть в 2023 году, можно выделить следующие имена: Джеффри Хинтон, Андрю Янг, Джейф Дин, Илья Суцкевер. Ученые активно занимаются исследованием искусственных нейронных сетей и вносят весомый вклад в развитие высоких технологий будущего.

Ошибка на примере [math]x_n[/math] при этом, очевидно, уменьшается, но, конечно, совершенно никто не гарантирует, что вместе с тем не увеличится ошибка от других примеров. Это правило обновления весов так и называется — правило обучения перцептрона, и это было основной математической идеей работы Розенблатта.

Следующим важным этапом стало создание перцептрона Фрэнком Розенблаттом в 1957 году. Это была первая искусственная нейросеть, способная обучаться. Она стала предшественником многих современных алгоритмов машинного обучения. Однако в те времена не хватало мощности компьютеров, чтобы проводить полноценные исследования, и проект по разработке ИИ был отложен на несколько десятилетий.

Сегодня мы бросим взгляд на историю создания нейросетей и проследим их путь к современному состоянию. Это важно не только для специалистов в области искусственного интеллекта и компьютерных наук, но и для всех интересующихся, кто придумал нейросеть и какие выдающиеся умы лежат в основе технологий, ставших частью нашей жизни.

Как видно из схемы однослойной нейронной сети, представленной справа, сигналы [math]x_1, x_2, \ldots x_n[/math] поступают на входной слой (который не считается за слой нейронной сети), а затем сигналы распределяются на выходной слой обычных нейронов. На каждом ребре от нейрона входного слоя к нейрону выходного слоя написано число — вес соответствующей связи.