Нейросеть с нуля своими руками. Часть 1. Теория

Нейрослой

В качестве активационной функции нейрона может выступать любая функция, существующая на всем отрезке значений, получающихся на выходе нейрона и входных данных. Для нашего примера мы возьмем сигмоиду. Она существует на отрезке от минус бесконечности до бесконечности, плавно меняется от 0 до 1 и имеет значение 0,5 в точке 0. Идеальный кандидат. Выглядит она следующим образом:

Здравствуйте. Меня зовут Андрей, я frontend-разработчик и я хочу поговорить с вами на такую тему как нейросети. Дело в том, что ML технологии все глубже проникают в нашу жизнь, и о нейросетях сказано и написано уже очень много, но когда я захотел разобраться в этом вопросе, я понял что в интернете есть множество гайдов о том как создать нейросеть и выглядят они примерно следующим образом:

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:

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.

На выходе этой сети находятся мышцы, отвечающие за расширение или сужение зрачка, и приводят эти механизмы в действие в зависимости от сигнала, полученного из нейросети. И таких механизмов огромное количество в теле любого живого существа, обладающего нервной системой.

Более подробная информация разбросана кусками по всему интернету. Поэтому я постарался собрать ее воедино и изложить в этой статье. Сразу оговорюсь, что я не являюсь специалистом в области ML или биологии, поэтому местами могу быть не точным. В таком случае буду рад вашим комментариям.

Что же такое нейронная сеть?

То есть мы подаем на вход нейросети определенные данные, для которых мы знаем, каким должен быть результат. Далее мы сравниваем результат, который нам выдала нейросеть с ожидаемым результатом, вычисляем ошибку, и корректируем веса нейронов таким образом, чтобы эту ошибку минимизировать. И повторяем это действие большое количество раз для большого количества наборов входных и выходных данных, чтобы сеть поняла какие сигналы на каком нейроне ей важны больше, а какие меньше. Чем больше и разнообразнее будет набор данных для обучения, тем лучше нейросеть сможет обучиться и впоследствии давать правильный результат. Этот процесс называется обучением с учителем.

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.

Для уменьшения ошибки нейронной сети надо поменять весовые коэффициенты, причем послойно. Каким же образом это осуществить? Ничего сложного в этом нет: надо воспользоваться методом градиентного спуска. То есть нам надо рассчитать градиент по весам и сделать шаг от полученного градиента в отрицательную сторону. Давайте вспомним, что на этапе прямого распространения мы запоминали входные сигналы, а во время обратного распространения ошибки вычисляли дельты, причем послойно. Как раз ими и надо воспользоваться в целях нахождения градиента. Градиент по весам будет равняться не по компонентному перемножению дельт и входного вектора. Дабы обновить весовые коэффициенты, снизив таким образом ошибку нейросети, нужно просто вычесть из матрицы весов итог перемножения входных векторов и дельт, помноженный на скорость обучения. Все вышеперечисленное можно записать в следующем виде:

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.

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:

В нашем глазу есть сенсоры, которые улавливают количество света попадающего через зрачок на заднюю поверхность глаза. Они преобразуют эту информацию в электрические импульсы и передают на прикрепленные к ним нервные окончания. Далее это сигнал проходит по всей нейронной сети, которая принимает решение о том, не опасно ли такое количество света для глаза, достаточно ли оно для того, чтобы четко распознавать визуальную информацию, и нужно ли, исходя из этих факторов, уменьшить или увеличить количество света.

Переходим к обучению

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.

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:

Где weight — текущий вес, output — значение на выходе предыдущего нейрона, delta — дельта весов, которую мы рассчитали ранее и learning rate — значение, подбираемое экспериментально, от которого зависит скорость обучения нейросети. Если оно будет слишком маленьким — нейросеть будет более чувствительна к деталям, но будет обучаться слишком медленно и наоборот. Для примера возьмем learning rate равным 0,3. Итак новый вес для первого входа выходного нейрона будет равен:

Пока я писал эту статью я понял, что у меня получается довольно объемный лонгрид, поэтому решил разбить ее на несколько частей. В первой части мы поговорим о теории, во второй напишем собственную нейросеть с нуля без использования каких-либо библиотек, в третьей попробуем применить ее на практике.

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:

Таким образом наш нейрон сможет принимать любую сумму значений всех входящих сигналов и на выходе будет выдавать значение от 0 до 1. Это хорошо подходит для принятия бинарных решений, и мы условимся, что если число на выходе нейросети > 0.5, мы будем расценивать его как истину, иначе — как ложь.