Нейронные сети на Python: как всё устроено

Copilot

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].

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:

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.

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.

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).

Помимо того, что в Colaboratory можно писать и выполнять код Python в браузере, не требуется настройка сервиса, имеется бесплатный доступ к графическим процессорам и документам других пользователей. Все это делает облачный сервис Colaboratory доступным решением для обучения студентов основам нейронных сетей.

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].

Лаконичность и интероперабельность. Язык позволяет разрабатывать сложные алгоритмы за короткое время. Его отличают простота, лаконичность и выразительность. Помимо этого он обладает мощным механизмом интероперабельности с C\C++, что позволяет производить быстрые вычисления. Можно создавать простые и сложные нейронные сети на Python.

Fig

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-

Что умеет: писать код по текстовому описанию на всех популярных языках программирования, переводить код с одного языка программирования на другой, предлагать автодополнение больших фрагментов кода: генерировать готовые методы и тому подобное.

Tabnine — альтернатива Copilot. Эта сеть умеет подстраиваться под стиль и частые задачи конкретного программиста, чтобы в дальнейшем писать код, похожий на то, что человек написал бы сам. Для этого нейросеть постоянно анализирует, как вы объявляете переменные, описываете методы и тому подобное.

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.

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.

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).

нейронные сети / программные среды / нейронные сети для начинающих / библиотеки и языки программирования / задача классификации / задача прогнозирования. / neural networks / software environments / learning how neural networks work for beginners / libraries and programming languages / classification problem / forecasting problem

Нейросети становятся всё более крутыми и мощными, а значит, игнорировать их — всё равно что стать луддитом и выступать против внедрения станков в производство. Конечно, можно провозгласить нейронки изобретением сатаны и таким образом отмахнуться от них. Однако факт остаётся фактом: кто не использует их в работе, теряет карьерные возможности.

Нейронная сеть как подотрасль машинного обучения

Рассмотрим пример создания спам-детектора. Вы можете создать его, основываясь на интуиции и вручную подбирая правила его работы. Например, «содержит слово подарок» или «имеет слово деньги». Такая система может функционировать. Однако подобрать верные шаблоны и создать успешно работающий детектор, основываясь лишь на интуиции, очень сложно.

Проведен анализ различных программных сред, которые могут быть использованы на лабораторных и практических занятиях по изучению и применению нейронных сетей. Выделен современный облачный сервис Google Colaboratory, рекомендуемый для обучения основам нейронных сетей благодаря наличию в нем предустановки библиотеки Tensorflow и библиотеки для работы на языке Python, бесплатного доступа к графическим процессорам, возможности написания и выполнения програм -много кода в браузере, а также отсутствию необходимости специальной настройки сервиса.

Производительность в определенной задаче улучшается не средствами программирования, а за счет данных. Например то, как успешно удается почтовому сервису отсеивать спам или как продвинулись системы распознавания речи с появлением голосовых помощников Алиса, Siri, Alexa и других.

Распространенными задачами, для решения которых привлекаются нейронные сети, являются: классификация — разделение данных по значимым признакам, прогнозирование — предсказывание следующего шага, распознавание -анализ изображения (объекта) с дальнейшей классификацией [4, 5].

ChatGPT — это один из самых полезных инструментов для программистов. Нейросеть представляет собой чат-бота на основе ИИ. Она умеет писать код и объяснять, как работают его отдельные части. А ещё ChatGPT помогает находить ошибки в коде и, например, генерировать документацию.

Поскольку нейронная сеть работает с изображениями, необходимо загрузить датасет для ее обучения. Представим пример загрузки Microsoft датасет с разными изображениями кошек и собак, объем датасета — 25 000 изображений, в описании датасета указано, что 1 700 картинок из 25 000 поврежденные, но TensorFlow умеет их фильтровать: