Нейронные сети на Python: как всё устроено

Как можно улучшить нейронную сеть

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.

Такое возможно благодаря применению математических матриц. Они представляют собой таблицы, состоящие из строк и столбцов, на пересечении которых находятся числа – элементы матрицы. Для простоты создадим модель одного нейрона, имеющего три источника информации и один выход. Цель – обучить нейронную сеть решать задачу, представленную ниже на изображении. Тренировочным набором будут примеры с первого по четвертый.

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.

Для программирования нейронных сетей в настоящее время наиболее часто используется язык Python благодаря множеству библиотек с набором встроенных математических функций, таких как произведение векторов, транспонирование и тому подобное. Например, используя библиотеку Numpy, можно разработать простую нейронную сеть, решающую задачу прогнозирования. Библиотека Keras применяется при программировании сетей прямого распространения и решения задач распознавания речи. Для нейронных сетей, работающих с изображениями, необходимо подключение другого модуля, например TensorFlow [6].

Задача предсказания (прогноза), решаемая нейронной сетью, заключается в получении на выходном слое ожидаемого значения при подаче на входной слой соответствующих данных. В рассматриваемой задаче нет строгой математической функции, связывающей строку входных данных с выходными, поэтому и предлагается использовать нейронную сеть. Обученная нейронная сеть должна определить статистическое соответствие между входными и выходными данными — результат коррелирует с крайним левым столбцом входных данных. Обратное распространение ошибок заключается в подсчете подобной статистики при создании нейронной сети.

Поскольку все изображения для обучения нейронной сети должны иметь одинаковое разрешение, в переменной SIZE необходимо это указать, например 224*224. Затем проводится нормализация изображений — числовые значения пикселей переводятся в диапазон [0, 1] путем деления значения каждого пикселя на 255:

Человеческий мозг состоит из более ста миллиардов клеток-нейронов. Место контакта двух нейронов – синапс. Он служит для передачи нервных импульсов от одной клетки к другой. Когда через него к нейрону придет достаточное количество импульсов, тогда нейрон передаст их дальше. Так строится наше мышление.

Наиболее распространенным языком программирования для искусственных нейросетей является Python. Почему именно нейронные сети на Python получили такую популярность, несмотря на наличие множества других языков программирования? IT-специалисты часто сходятся во мнении, отвечая на этот вопрос, и выделают несколько причин.

Процесс тренировки

Используем сверточную нейронную сеть, которая, как известно, направлена на работу с изображениями. В отличие от персептрона, рассматривающего все изображение сразу, сверточная нейронная сеть сканирует изображение по частям. Сверточные нейронные сети работают на основе фильтров, распознающих определенные характеристики изображения [7]. Фильтр представляет собой коллекцию кернелов — матрицу чисел, называемых весами, которая является результатом обучения и получения карты признаков «кернел-изображение». Фильтр перемещается вдоль изображения и определяет, присутствует ли искомая характеристика (кернел) на сканируемом участке изображения (рис. 1). Для получения ответа выполняется операция свертки, которая является суммой произведений элементов фильтра и матрицы входных сигналов (пикселей изображения).

Очевидно, что изучение принципов функционирования нейронных сетей и их применения для решения тех или иных задач возможно только через практику. В статье дан анализ различных программных сред, которые могут быть использованы на лабораторных и практических занятиях по изучению и применению нейронных сетей.

Кроме того, активно развиваются Datascience и нейронные сети на Python. Изучить язык можно самостоятельно, однако на это уйдет много времени и скорее это будет введение в обучение (нейронные сети на Python вряд ли получится создать без помощи специалиста). Если вы хотите освоить язык программирования Python быстро и качественно, обратите внимание на курс от GeekBrains в онлайн-формате.

The paper describes the ways and methods of studying and constructing neural networks . It is shown that the study of the functioning guidelines of neural networks , their application for solving certain problems is possible only through practice. There is the analysis of various software environments that can be used in the laboratory and practical classes for the study and application of neural networks in the paper. Highlighted the modern cloud service Google Colaboratory, which is recommended for teaching the basics of neural networks due to the presence of a pre-installation of the Tensorflow library and a library for working in Python, free access to graphics processors, the ability to write and execute program code in a browser, and no need for special configuration of the service. Examples of designing neural networks in the Colaboratory are considered. In particular, solving recognition problems and image classification, predictive modeling. The authors show that a convolutional neural network can be used for image recognition and classification, a feature of which is obtaining the image features a map with subsequent convolution. There are chunks of code for the connecting phases the necessary libraries, loading data sets, normalizing images, assembling a neural network, and its training, in the paper. The solving of the forecasting problem is considered on the example of a feed-forward neural network with an algorithm for backpropagation of errors in the learning process, the essence of which is to obtain the expected value at the output layer when the corresponding data is fed to the input layer. Backpropagation of errors consists of adjusting the weights that give the greatest correlation between the input dataset and its corresponding result.

Можно привести аналогичный пример с другим языком программирования. Фортран – один из первых языков высокого уровня, на котором написано множество программ и библиотек подпрограмм. Но сегодня программистами он не используется, зато широко распространен у физиков.

но). Слой пулинга представляет собой нелинейное уплотнение карты признаков, при котором группа пикселей уплотняется до одного пикселя, проходя нелинейное преобразование. Полносвязный слой выполняет нелинейные преобразования извлеченных признаков и собственно реализует классификацию. Для решения проблемы переобучения используется метод Dropout(0.2), где 0.2 — доля нейронов, случайно выключаемых из процесса обучения.

В последние годы методы глубинного обучения — нейронные сети — позволили достичь впечатляющих успехов в таких областях, как компьютерное зрение, обработка естественного языка, обработка аудио [1, 2]. Нейронные сети используются для решения сложных задач, которые требуют аналитических вычислений, подобных выполняемым человеческим мозгом. Бытует мнение, что нет таких задач, с которыми не может справиться нейронная сеть, только было бы достаточно примеров для ее обучения [3].

Исследовательские проекты. Большое число готовых примеров нейронных сетей на Python – это исследовательские проекты. При этом ученые, работающие над ними, чаще всего программистами не являются. Этот язык имеет низкий порог входа: никто не занимается написанием нейронных сетей на Python с нуля, так как это занимает много времени. Существуют библиотеки для нейронных сетей Python, которые уже написали специалисты. Так вокруг Питон сложилось целое сообщество по нейросетям. Если вы занимаетесь исследовательской деятельностью, то следуйте в этом вопросе примеру других.

Текст научной работы на тему «Программные среды для изучения основ нейронных сетей»

TensorFlow — библиотека для машинного обучения от компании Google с открытым исходным кодом. Применяется для построения и тренировки нейронной сети, решающей задачи нахождения и классификации образов. Библиотека построена на парадигме программирования потоков данных, позволяющей оптимизировать математические вычисления. Вычисления в TensorFlow выполняются при помощи графа потоков данных, узлы которого отображают операции, а ребра — потоки данных между узлами.

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.

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:

Помимо Python, для написания программного кода, реализующего нейронную сеть, используются языки R, C Sharp, C++, Haskell, Java, Go и Swift. По-прежнему применяются такие пакеты прикладных программ, как MatLab и Deductor. Однако их использование ограничено отсутствием выбора видов и архитектур нейронных сетей.

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.

После подключения библиотеки Numpy для работы с массивами объявляется функция активации, например сигмоидальная (рис. 3). Кроме сигмоидальной функции, в нейронных сетях используются функции активации — линейная, нелинейная, ступенчатая, гиперболический тангенс и другие. Для задачи прогнози-

Сегодня IT-индустрия развивается небывалыми темпами, вместе с этим растет популярность машинного обучения. Оно оказывает огромное влияние на многие процессы в мире, поэтому все больше людей интересуется ее направлениями. Одно из них – нейронные сети. Они строятся по принципу организации и функционирования нашего мозга.

После обучения нейронная сеть будет выдавать числовые результаты, по значениям которых осуществляется классификация: если результат значительно больше 1, то высока уверенность в определении метки класса «собаки», если результат намного меньше 0, то изображению присваивается метка класса «кошки» (рис. 2).