Как создать и обучить нейросеть

Сеть есть, но её ответы случайны. Как обучать?

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:

Забегая вперёд скажем о том, что нередко используют последовательность нейронных слоёв для более глубокого обучения сети и большей формализации данных. Поэтому для получения итогового выходного вектора необходимо проделать описанную выше операцию несколько раз подряд от одного слоя к другому. Тогда для первого слоя входным вектором будет X, а для всех последующих входом будет являться выход предыдущего слоя. К примеру, сеть с 3 скрытыми слоями может выглядеть так:

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.

Один нейрон способен входной вектор превратить в одну точку, однако по условию мы хотим получить несколько точек, так как выходной вектор Y может иметь произвольную размерность, определяемую лишь конкретной ситуацией (один выход для XOR, 10 выходов для определения принадлежности к одному из 10 классов и т.д.). Как же нам получить n точек, преобразуя элементы входного вектора X? Оказывается, всё довольно просто: для того, чтобы получить n выходных значений, необходимо использовать не один нейрон, а n. Тогда для каждого из элементов выходного вектора Y будет использовано ровно n различных взвешенных сумм от вектора X. То есть мы получаем, что z_i = f(y_i) = f(w_i0·x₀ + w_i1·x₁ + . + w_{im — 1}·x_{m — 1})

Только ленивый не слышал сегодня о существовании и разработке нейронных сетей и такой сфере, как машинное обучение. Для некоторых создание нейросети кажется чем-то очень запутанным, однако на самом деле они создаются не так уж и сложно. Как же их делают? Давайте попробуем самостоятельно создать нейросеть прямого распространения, которую еще называют многослойным перцептроном. В процессе работы будем использовать лишь циклы, массивы и условные операторы. Что означает этот набор данных? Только то, что нам подойдет любой язык программирования, поддерживающий вышеперечисленные возможности. Если же у языка есть библиотеки для векторных и матричных вычислений (вспоминаем NumPy в Python), то реализация с их помощью займет совсем немного времени. Но мы не ищем легких путей и воспользуемся C#, причем полученный код по своей сути будет почти аналогичным и для прочих языков программирования.

Под искусственной нейронной сетью (ИНС) понимают математическую модель (включая ее программное либо аппаратное воплощение), которая построена и работает по принципу функционирования биологических нейросетей — речь идет о нейронных сетях нервных клеток живых организмов.

Нейронный слой

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 полученный вектор представляет собой неактивированное состояние (промежуточное, невыходное) всех нейронов, а для того, чтобы нам получить выходное значение, нужно каждое неактивированное значение подать на вход вышеупомянутой функции активации. Итогом ее применения и станет выходное значение слоя.

Последовательность нейрослоев часто применяют для более глубокого обучения нейронной сети и большей формализации имеющихся данных. Именно поэтому, чтобы получить итоговый выходной вектор, нужно проделать вышеописанную операцию пару раз подряд по направлению от одного слоя к другому. В результате для 1-го слоя входным вектором будет являться X, а для последующих входом будет выход предыдущего слоя. То есть нейронная сеть может выглядеть следующим образом:

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:

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:

Давайте внимательно посмотрим на него. Вышенаписанная формула — это не что иное, как определение умножения матрицы на вектор. И в самом деле, если мы возьмем матрицу W размера n на m и выполним ее умножение на X размерности m, то мы получим другое векторное значение n-размерности, то есть как раз то, что надо.

В разделе представлены примеры задач, в которых нейросеть используется для автоматической генерации кода на основе описания задачи или комментариев, поиска и исправления ошибок в программном коде, перевода кода на одном языке программирования в код на другом языке.
Выполненые задачи

Но ее легко получить путем увеличения количества нейронов. Давайте попробуем реализовать обучение с тремя нейронами в скрытом слое и одним выходным (выход ведь у нас только один). Чтобы все получилось, создадим массив X и Y, имеющий обучающие данные и саму нейронную сеть:

Переходим к обучению

Дабы найти значение ошибки E, надо найти сумму квадратов разности векторных значений, которые были выданы нейронной сетью в виде ответа, а также вектора, который ожидается увидеть при обучении. Еще надо будет найти дельту каждого слоя и учесть, что для последнего слоя дельта будет равняться векторной разности фактического и ожидаемого результатов, покомпонентно умноженной на векторное значение производных последнего слоя:

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.

Проверять результаты на тренировочной же выборке довольно скучно, ведь как никак на ней мы сеть обучали, но, увы, для XOR проблемы ничего другого не остаётся. В качестве более серьёзного примера рекомендуем выполнить задачу распознавания картинок с рукописными цифрами MNIST. Это база содержит 60000 картинок написанных от руки цифр размером 28 на 28 пикселей и используется как один из основных датасетов для начала изучения машинного обучения. Не смотря на простоту нашей сети, при грамотном выборе параметров (число нейронов, число слоёв, скорость обучения, число эпох. ) можно получить точность распознавания до 98%! Проверить свою сеть вы можете, поучаствовав в соревновании на сайте Kaggle. Нашей команде удалось достичь точности в 98.171%! А вы сможете больше? 🙂

Теперь, зная дельту последнего слоя, мы можем найти дельты всех предыдущих слоёв. Для этого нужно умножить транспонированную матрицы текущего слоя на дельту текущего слоя и затем умножить полученный вектор на вектор производных функции активации предыдущего слоя: δ_k-1 = W T _k·δ_k·f’_k .

Говоря проще, ИНС можно назвать неким «черным ящиком», превращающим входные данные в выходные данные. Если же посмотреть на это с точки зрения математики, то речь идет о том, чтобы отобразить пространство входных X-признаков в пространство выходных Y-признаков: X → Y. Таким образом, нам надо найти некую F-функцию, которая сможет выполнить данное преобразование. На первом этапе этой информации достаточно в качестве основы.

Когда мы узнаем дельту последнего слоя, мы сможем найти дельты и всех предыдущих слоев. Чтобы это сделать, нужно будет лишь перемножить для текущего слоя транспонированную матрицу с дельтой, а потом перемножить результат с вектором производных функции активации предыдущего слоя: