Алгоритмы обучения нейронной сети: наиболее распространенные варианты

3 наиболее распространенных алгоритма обучения нейронных сетей

Сам метод обучения представляет собой процесс, при котором поступающие данные распространяются между нейронами с помощью синапсов. Передача осуществляется до тех пор, пока данные не достигнут слоя «выхода», трансформировавшись в ответ. Эта операция носит название «передача вперед».

Алгоритм обратного распространения вносит решающий вклад в обучение глубоких нейросетей с несколькими слоями. Он позволяет эффективно оптимизировать веса узлов нейронной сети, в том числе в сложных архитектурах с большим количеством параметров. Помимо стандартного варианта такого алгоритма существуют его расширенные и продвинутые версии, способные адаптивно регулировать скорость обучения (например, Adam или RMSprop).

В основе функционирования искусственного интеллекта лежит машинное обучение. Оно позволяет совершенствовать производительность ИИ без перепрограммирования системы. Говоря простым языком, этот процесс похож на обучение ребенка – он учится классифицировать и распознавать объекты, определять взаимосвязь между ними, и день за днем у него это получается все лучше.

Отдельно стоит рассмотреть такой метод, как обучение с подкреплением. Это разновидность обучения без учителя, поскольку здесь также не используются помеченные данные. Суть метода заключается во взаимодействии сети с окружающей средой и получении сигналов обратной связи в виде поощрений и наказаний. Нейросеть учится выполнять такие действия, которые со временем приведут к максимальному вознаграждению.

У нейросетей другая логика работы. Им дают большой массив правильно решенных задач. В нашем примере — это, скажем, тысяча чертежей домов с уже прописанными площадями. После этого нейронной сети дают возможность самой решить подобную задачу. Она начинает угадывать, какой ответ от нее хотят получить. Отдельный алгоритм подсказывает ей, правильно она справилась с решением или нет. Со временем нейросеть учится угадывать все лучше и лучше, формирует некие связи внутри своей структуры, которые обеспечивают полезный результат.

Для лучшего понимания процесса необходимо перевести функцию в график, который будет отображать зависимость значений ошибки от веса синапса. На полученной кривой нужно определить точку с наименьшим и наибольшим показателем. В то же время необходимо графически отобразить все веса, и рассчитать для каждого из них глобальный минимум.

Архитектура нейронных сетей

Только что мы рассмотрели архитектуру базовой нейросети. Глубокие нейронные сети (сети глубокого обучения) обычно имеют много скрытых слоев, состоящих из миллионов связанных между собой искусственных нейронов. Количество связей одного нейрона с другими называют весом. Вес является положительным, если данный узел возбуждает другой, или отрицательным, если, наоборот, происходит подавление узла. Узлы с большим весом оказывают более сильное влияние на другие. Веса нейросети настраиваются в процессе обучения. Они определяют, какие данные будут учитываться при получении итогового результата, и какой вклад внесет тот или иной узел на выводы.

Машинное обучение (Machine Learning или сокращенно ML) — одно из самых сложных и перспективных направлений развития искусственного интеллекта (ИИ). Фактически оно представляет собой набор приемов, алгоритмов и методов, позволяющих ИИ учиться и решать задачи не в строгих рамках, заданных программой, а на базе постоянного совершенствования знаний и накопления опыта. Именно таким образом в течение жизни учимся и мы с вами.

Данные, которые поступают на «вход», после обработки нейросетью сложатся в тот или иной ответ. Однако до обучения нельзя предугадать, в какой форме этот ответ поступит. Соответственно, сам процесс обучения должен обуславливать трансформацию результата в понятную форму. Это не представляет сложностей. Как правило, можно легко отследить, какую взаимосвязь задала данным нейросеть в процессе их обработки.

Он предполагает наличие лишь вводных данных. Алгоритмы обучения нейронных сетей без учителя корректируют весовые коэффициенты таким образом, чтобы НС могла из схожих по некоему принципу данных на «входе» выдать результат, обнаруживающий другие взаимосвязи и закономерности между этими данными. В процессе обучения происходит выделение параметров, характерных для моделей обучающего материала, и дальнейшее объединение этих моделей в группировки по схожим признакам.

Как видно из названия, в алгоритме используются приемы, характерные для поведения генов живых организмов. В начале процесса создается случайная популяция нейросетей, каждая из которых имеет случайно заданные параметры. Далее она подвергается естественному отбору, успешность которого определяется поставленной задачей (например, классификацией изображений).

Значение градиента будет иметь векторную величину, которая даст представление о направлении и крутизне склона. Поиск значения градиента осуществляется путем вычисления производной от функции в требуемой точке. Такая точка будет иметь значение веса, распределенное случайным образом. В ней следует проводить расчет градиента и определять направленность движения спуска. Вычисления необходимо производить последовательно во всех точках, пока не будет достигнут локальный минимум, останавливающий дальнейший спуск.

Если закрепить ключевые показатели подстройки весов, то можно не настраивать глобальные параметры – это является дополнительным плюсом использования метода. Причем существуют готовые значения таких показателей. Их применение рекомендовано, но жестких рамок по выбору значений нет.

Существует достаточно много способов обучения нейронных сетей. Однако все они сводятся к двум основным концепциям: с помощью учителя и без него. В этой связи снова можно провести аналогию с мозгом человека. Люди также способны приобретать опыт или с наставником, способным прочитать курс лекций, направлять и указывать верный путь к решению задачи, или самостоятельно, ориентируясь лишь на собственные наблюдения и полученный опыт. Рассмотрим оба этих принципа более подробно.