Методы классификации и прогнозирования. Нейронные сети

Самым важным свойством нейронных сетей является их способность обучаться на основе данных окружающей среды и в результате обучения повышать свою производительность. Повышение производительности происходит со временем в соответствии с определенными правилами. Обучение нейронной сети происходит посредством интерактивного процесса корректировки синаптических весов и порогов. В идеальном случае нейронная сеть получает знания об окружающей среде на каждой итерации процесса обучения.

С понятием обучения ассоциируется довольно много видов деятельности, поэтому сложно дать этому процессу однозначное определение. Более того, процесс обучения зависит от точки зрения на него. Именно это делает практически невозможным появление какого-либо точного определения этого понятия. Например, процесс обучения с точки зрения психолога в корне отличается от обучения с точки зрения школьного учителя. С позиций нейронной сети, вероятно, можно использовать следующее определение:

Обучение – это процесс, в котором свободные параметры нейронной сети настраиваются посредством моделирования среды, в которую эта сеть встроена. Тип обучения определяется способом подстройки этих параметров.

Это определение процесса обучения нейронной сети предполагает следующую последовательность событий:

1. В нейронную сеть поступают стимулы из внешней среды.
2. В результате первого пункта изменяются свободные параметры нейронной сети.
3. После изменения внутренней структуры нейронная сеть отвечает на возбуждения уже иным образом.

Вышеуказанный список четких правил решения проблемы обучения нейронной сети называется алгоритмом обучения. Несложно догадаться, что не существует универсального алгоритма обучения, подходящего для всех архитектур нейронных сетей. Существует лишь набор средств, представленный множеством алгоритмов обучения, каждый из которых имеет свои достоинства. Алгоритмы обучения отличаются друг от друга способом настройки синаптических весов нейронов. Еще одной отличительной характеристикой является способ связи обучаемой нейронной сети с внешним миром. В этом контексте говорят о парадигме обучения, связанной с моделью окружающей среды, в которой функционирует данная нейронная сеть.

Существуют два концептуальных подхода к обучению нейронных сетей: обучение с учителем и обучение без учителя.

Обучение нейронной сети с учителем предполагает, что для каждого входного вектора из обучающего множества существует требуемое значение выходного вектора, называемого целевым. Эти вектора образуют обучающую пару. Веса сети изменяют до тех пор, пока для каждого входного вектора не будет получен приемлемый уровень отклонения выходного вектора от целевого.

Обучение нейронной сети без учителя является намного более правдоподобной моделью обучения с точки зрения биологических корней искусственных нейронных сетей. Обучающее множество состоит лишь из входных векторов. Алгоритм обучения нейронной сети подстраивает веса сети так, чтобы получались согласованные выходные векторы, т.е. чтобы предъявление достаточно близких входных векторов давало одинаковые выходы.

Нейронная сеть — попытка с помощью математических моделей воспроизвести работу человеческого мозга для создания машин, обладающих .

Искусственная нейронная сеть обычно обучается с учителем. Это означает наличие обучающего набора (датасета), который содержит примеры с истинными значениями: тегами, классами, показателями.

Неразмеченные наборы также используют для обучения нейронных сетей, но мы не будем здесь это рассматривать.

Например, если вы хотите создать нейросеть для оценки тональности текста, датасетом будет список предложений с соответствующими каждому эмоциональными оценками. Тональность текста определяют признаки (слова, фразы, структура предложения), которые придают негативную или позитивную окраску. Веса признаков в итоговой оценке тональности текста (позитивный, негативный, нейтральный) зависят от математической функции, которая вычисляется во время обучения нейронной сети.

Раньше люди генерировали признаки вручную. Чем больше признаков и точнее подобраны веса, тем точнее ответ. Нейронная сеть автоматизировала этот процесс.

Искусственная нейронная сеть состоит из трех компонентов:

• Входной слой;
• Скрытые (вычислительные) слои;
• Выходной слой.

Происходит в два этапа:

• ошибки.

Во время прямого распространения ошибки делается предсказание ответа. При обратном распространении ошибка между фактическим ответом и предсказанным минимизируется.

Прямое распространение

Зададим начальные веса случайным образом:

Умножим входные данные на веса для формирования скрытого слоя:

• h1 = (x1 * w1) + (x2 * w1)
• h2 = (x1 * w2) + (x2 * w2)
• h3 = (x1 * w3) + (x2 * w3)

Выходные данные из скрытого слоя передается через нелинейную функцию (), для получения выхода сети:

• y_ = fn(h1 , h2, h3)

Обратное распространение

• Суммарная ошибка (total_error) вычисляется как разность между ожидаемым значением «y» (из обучающего набора) и полученным значением «y_» (посчитанное на этапе прямого распространения ошибки), проходящих через функцию потерь (cost function).
• Частная производная ошибки вычисляется по каждому весу (эти частные дифференциалы отражают вклад каждого веса в общую ошибку (total_loss)).
• Затем эти дифференциалы умножаются на число, называемое скорость обучения или learning rate (η).

Полученный результат затем вычитается из соответствующих весов.

В результате получатся следующие обновленные веса:

• w1 = w1 — (η * ∂(err) / ∂(w1))
• w2 = w2 — (η * ∂(err) / ∂(w2))
• w3 = w3 — (η * ∂(err) / ∂(w3))

То, что мы предполагаем и инициализируем веса случайным образом, и они будут давать точные ответы, звучит не вполне обоснованно, тем не менее, работает хорошо.

Популярный мем о том, как Карлсон стал Data Science разработчиком

Если вы знакомы с рядами Тейлора, обратное распространение ошибки имеет такой же конечный результат. Только вместо бесконечного ряда мы пытаемся оптимизировать только его первый член.

Смещения – это веса, добавленные к скрытым слоям. Они тоже случайным образом инициализируются и обновляются так же, как скрытый слой. Роль скрытого слоя заключается в том, чтобы определить форму базовой функции в данных, в то время как роль смещения – сдвинуть найденную функцию в сторону так, чтобы она частично совпала с исходной функцией.

Частные производные

Частные производные можно вычислить, поэтому известно, какой был вклад в ошибку по каждому весу. Необходимость производных очевидна. Представьте нейронную сеть, пытающуюся найти оптимальную скорость беспилотного автомобиля. Eсли машина обнаружит, что она едет быстрее или медленнее требуемой скорости, нейронная сеть будет менять скорость, ускоряя или замедляя автомобиль. Что при этом ускоряется/замедляется? Производные скорости.

Разберем необходимость частных производных на примере.

Предположим, детей попросили бросить дротик в мишень, целясь в центр. Вот результаты:

Теперь, если мы найдем общую ошибку и просто вычтем ее из всех весов, мы обобщим ошибки, допущенные каждым. Итак, скажем, ребенок попал слишком низко, но мы просим всех детей стремиться попадать в цель, тогда это приведет к следующей картине:

Ошибка нескольких детей может уменьшиться, но общая ошибка все еще увеличивается.

Найдя частные производные, мы узнаем ошибки, соответствующие каждому весу в отдельности. Если выборочно исправить веса, можно получить следующее:

Гиперпараметры

Нейронная сеть используется для автоматизации отбора признаков, но некоторые параметры настраиваются вручную.

Скорость обучения (learning rate)

Скорость обучения является очень важным гиперпараметром. Если скорость обучения слишком мала, то даже после обучения нейронной сети в течение длительного времени она будет далека от оптимальных результатов. Результаты будут выглядеть примерно так:

С другой стороны, если скорость обучения слишком высока, то сеть очень быстро выдаст ответы. Получится следующее:

Функция активации (activation function)

Функция активации — это один из самых мощных инструментов, который влияет на силу, приписываемую нейронным сетям. Отчасти, она определяет, какие нейроны будут активированы, другими словами и какая информация будет передаваться последующим слоям.

Без функций активации глубокие сети теряют значительную часть своей способности к обучению. Нелинейность этих функций отвечает за повышение степени свободы, что позволяет обобщать проблемы высокой размерности в более низких измерениях. Ниже приведены примеры распространенных функций активации:

Функция потери (loss function)

Функция потерь находится в центре нейронной сети. Она используется для расчета ошибки между реальными и полученными ответами. Наша глобальная цель — минимизировать эту ошибку. Таким образом, функция потерь эффективно приближает обучение нейронной сети к этой цели.

Функция потерь измеряет «насколько хороша» нейронная сеть в отношении данной обучающей выборки и ожидаемых ответов. Она также может зависеть от таких переменных, как веса и смещения.

Функция потерь одномерна и не является вектором, поскольку она оценивает, насколько хорошо нейронная сеть работает в целом.

Некоторые известные функции потерь:

• Квадратичная (среднеквадратичное отклонение);
• Кросс-энтропия;
• Экспоненциальная (AdaBoost);
• Расстояние Кульбака - Лейблера или прирост информации.

Cреднеквадратичное отклонение – самая простая фукция потерь и наиболее часто используемая. Она задается следующим образом:

Функция потерь в нейронной сети должна удовлетворять двум условиям:

• Функция потерь должна быть записана как среднее;
• Функция потерь не должна зависеть от каких-либо активационных значений нейронной сети, кроме значений, выдаваемых на выходе.

Глубокие нейронные сети

(deep learning) – это класс алгоритмов , которые учатся глубже (более абстрактно) понимать данные. Популярные алгоритмы нейронных сетей глубокого обучения представлены на схеме ниже.

Популярные алгоритмы нейронных сетей (http://www.asimovinstitute.org/neural-network-zoo)

Более формально в deep learning:

• Используется каскад (пайплайн, как последовательно передаваемый поток) из множества обрабатывающих слоев (нелинейных) для извлечения и преобразования признаков;
• Основывается на изучении признаков (представлении информации) в данных без обучения с учителем. Функции более высокого уровня (которые находятся в последних слоях) получаются из функций нижнего уровня (которые находятся в слоях начальных слоях);
• Изучает многоуровневые представления, которые соответствуют разным уровням абстракции; уровни образуют иерархию представления.

Пример

Рассмотрим однослойную нейронную сеть:

Здесь, обучается первый слой (зеленые нейроны), он просто передается на выход.

В то время как в случае двухслойной нейронной сети, независимо от того, как обучается зеленый скрытый слой, он затем передается на синий скрытый слой, где продолжает обучаться:

Следовательно, чем больше число скрытых слоев, тем больше возможности обучения сети.

Не следует путать с широкой нейронной сетью.

В этом случае большое число нейронов в одном слое не приводит к глубокому пониманию данных. Но это приводит к изучению большего числа признаков.

Пример:

Изучая английскую грамматику, требуется знать огромное число понятий. В этом случае однослойная широкая нейронная сеть работает намного лучше, чем глубокая нейронная сеть, которая значительно меньше.

В случае изучения преобразования Фурье, ученик (нейронная сеть) должен быть глубоким, потому что не так много понятий, которые нужно знать, но каждое из них достаточно сложное и требует глубокого понимания.

Главное — баланс

Очень заманчиво использовать глубокие и широкие нейронные сети для каждой задачи. Но это может быть плохой идеей, потому что:

• Обе требуют значительно большего количества данных для обучения, чтобы достичь минимальной желаемой точности;
• Обе имеют экспоненциальную сложность;
• Слишком глубокая нейронная сеть попытается сломать фундаментальные представления, но при этом она будет делать ошибочные предположения и пытаться найти псевдо-зависимости, которые не существуют;
• Слишком широкая нейронная сеть будет пытаться найти больше признаков, чем есть. Таким образом, подобно предыдущей, она начнет делать неправильные предположения о данных.

Проклятье размерности

Проклятие размерности относится к различным явлениям, возникающим при анализе и организации данных в многомерных пространствах (часто с сотнями или тысячами измерений), и не встречается в ситуациях с низкой размерностью.

Грамматика английского языка имеет огромное количество аттрибутов, влияющих на нее. В машинном обучении мы должны представить их признаками в виде массива/матрицы конечной и существенно меньшей длины (чем количество существующих признаков). Для этого сети обобщают эти признаки. Это порождает две проблемы:

• Из-за неправильных предположений появляется смещение. Высокое смещение может привести к тому, что алгоритм пропустит существенную взаимосвязь между признаками и целевыми переменными. Это явление называют недообучение.
• От небольших отклонений в обучающем множестве из-за недостаточного изучения признаков увеличивается дисперсия. Высокая дисперсия ведет к переобучению, ошибки воспринимаются в качестве надежной информации.

Компромисс

На ранней стадии обучения смещение велико, потому что выход из сети далек от желаемого. А дисперсия очень мала, поскольку данные имеет пока малое влияние.

В конце обучения смещение невелико, потому что сеть выявила основную функцию в данных. Однако, если обучение слишком продолжительное, сеть также изучит шум, характерный для этого набора данных. Это приводит к большому разбросу результатов при тестировании на разных множествах, поскольку шум меняется от одного набора данных к другому.

Действительно,

алгоритмы с большим смещением обычно в основе более простых моделей, которые не склонны к переобучению, но могут недообучиться и не выявить важные закономерности или свойства признаков. Модели с маленьким смещением и большой дисперсией обычно более сложны с точки зрения их структуры, что позволяет им более точно представлять обучающий набор. Однако они могут отображать много шума из обучающего набора, что делает их прогнозы менее точными, несмотря на их дополнительную сложность.

Следовательно, как правило, невозможно иметь маленькое смещение и маленькую дисперсию одновременно.

Сейчас есть множество инструментов, с помощью которых можно легко создать сложные модели машинного обучения, переобучение занимает центральное место. Поскольку смещение появляется, когда сеть не получает достаточно информации. Но чем больше примеров, тем больше появляется вариантов зависимостей и изменчивостей в этих корреляциях.

Требует обучения, в противном случае правильный результат вряд ли будет получен. Методов обучения нейросети существует несколько.

Тем не менее среди них выделяют три наиболее интересных способов, это методы обратного и упругого распространения, а также генетический анализ. О них и поговорим более подробно.

Этот метод является основным и имеет ещё одно название — Backpropagation, так как использует алгоритм градиентного спуска. То есть при помощи движения вдоль градиента рассчитывается локальный минимум и максимум функции. Понимание этого метода приведёт к тому, что следующий не вызовет затруднений.

Если представить функцию в виде графика, определяющего зависимость ошибки от веса синапса, то на этом графике необходимо найти точку с минимальным значением ошибки и с максимальным. При этом каждый вес должен иметь своё графическое представление и к каждому из них необходимо вычислить глобальный минимум.

Сам градиент представляет собой векторное значение определяющее направление и крутизну склона. Градиент находится с помощью производной от функции в нужной точке. Оказавшись в определённой точке со значением веса, который распределяется в случайном порядке, вычисляется градиент и определяется направление движения спуска, и так в каждой следующей точке, пока не достигается локальный минимум, не позволяющий дальнейшего спуска.

Чтобы справиться с этой неприятностью необходимо установить нужное значение момента, которое позволит преодолеть часть графика и достигнуть нужной точки. Если это значение будет недостаточным, то преодолеть выпуклость не получится, в случае с установкой более высокого значения, чем нужно есть шансы проскочить глобальный минимум.

Кроме момента ускорения, есть ещё понятие, определяющее общую скорость обучения сети. Это значение, как и предыдущее представляет собой гиперпараметр и подбирается методом проб и ошибок. Оптимальный вариант заранее никогда не известен, узнать его можно только проведя несколько обучений и корректируя каждый раз значение в нужном направлении.

Теперь можно перейти непосредственно к методу обучения и определить, что он из себя представляет. В процессе поступления информации нейронная сеть последовательно передаёт её от одного нейрона к другому посредством синапсов, до того момента, пока информация не окажется на выходном слое и не будет выдана как результат. Такой способ называется передачей вперёд.

После того как результат получен вычисляется ошибка и на её сновании выполняем обратную передачу. Суть которой — последовательно изменить вес синапсов начиная с выходного и продвигаясь к входному слою. При этом значение веса меняется в сторону лучшего результата.

Для использования такого метода обучения подойдут только те функции активации, которые можно дифференцировать. Так как обратное распространение вычисляется с помощью высчитывания разницы результатов и умножения его на производную функции от входного значения.

Для того чтобы успешно провести обучение, необходимо распространить полученную ошибку на весь вес сети. Высчитав ошибку на выходном уровне, а также там можно вычислить дельту, которая будет последовательно передаваться между нейронами.

Затем необходимо произвести расчёт градиента для каждой исходящей связи. Затем имея все необходимые данные необходимо выполнить обновление весов и рассчитать благодаря функции МОР значение, которое станет величиной изменения.

При этом не стоит забывать про момент и скорость обучения.

Одна итерация МОР даёт небольшой процент уменьшения ошибки, поэтому повторять их необходимо снова и снова пока показатель ошибки не будет приближен к 0.

Метод упругого распространения

Следующий метод обучения сети Resilient propagation или Rprop. Предыдущий способ обучения, представленный выше имеет недостаток в виде больших временных затрат на процесс обучения неуместных в случае необходимости получить быстрый результат.

Для ускорения процесса было предложено немало дополнительных алгоритмов, ускоряющих процесс. Одним из которых и является текущий метод.

Настоящий алгоритм использует в качестве основы обучение по эпохам и применяет только знаки производных частного случая для корректировки весовых коэффициентов. Используется определённое правило, по которому производится расчёт величины коррекции весового коэффициента.

Если на этом этапе расчётов производная меняет свой знак, значит, изменение было слишком большим и локальный минимум был упущен и нужно произвести откат, то есть вес вернуть в обратную позицию, а величину изменения уменьшить.

Если знак производной не изменился, то величина изменения веса, наоборот, увеличивается для большей сходимости.

Если основные параметры коррекции веса зафиксировать, то настройки глобальных параметров можно избежать. И это станет ещё одним преимуществом текущего метода над предыдущим. Для этих параметров есть рекомендуемые значения, однако, никаких ограничений на их выбор не накладывается.

Чтобы вес не принимал слишком большие или малые значения используются установленные ограничения величины коррекции. Значение коррекции также вычисляется по определённому правилу.

То есть если производная функции в конкретной точке меняет знак с плюса на минус, означает, что ошибка возрастает и вес требует коррекции и происходит его уменьшение, в противном случае — увеличение.

Последовательность действий в этом случае следующая: инициализируется величина коррекции, вычисляются частные производные, подсчитывается новое значение коррекции значений весов, корректируются веса, если условие остановки алгоритма не выполняются процесс переходит к вычислению производных и заново повторяет цикл. Такой подход позволяет добиться сходимости нейросети быстрее в несколько раз в отличие от предыдущего варианта обучения.

Генетический Алгоритм

Третий наиболее интересный алгоритм обучения искусственных нейронных сетей — Genetic Algorithm. Он представляет собой упрощённую интерпретацию природного алгоритма, основанного на скрещивании результатов. То есть, по сути, происходит скрещивание результатов, выбор наилучших и формирование на их основе нового поколения.

В случае если результат не устраивает алгоритм повторяется пока поколение не становиться идеальным. Алгоритм может завершиться без достижения нужного результата если количество попыток будет исчерпано или же будет исчерпан время на мутацию. Этот алгоритм применим к процессу оптимизации веса нейронной сети, при заданной по умолчанию топологии.

При этом вес кодируется двоичным кодом и каждый результат определяется полным набором веса. Оценка качества происходит методом вычисления ошибки на выходе.

Другие вариации обучения

Кроме вышеперечисленных методов, есть ещё разновидности с учителем и без него. Обучение с учителем чаще всего применимо к регрессиям и классификациям.

В этом случае тренер выступает в роли учителя, а созданная сеть — ученика. Тренер задаёт входные данные и требующийся результат, соответственно сеть понимает к какому именно результату необходимо стремиться при заданных параметрах.

Обучение без учителя носит несколько иной характер и встречается реже. При таком раскладе нейронная сеть не получает желаемого результата. Такая тренировка подходит сетям, задача которых кластеризация данных по заданным параметрам. То есть, проанализировав большой объем входных данных, сеть разделяет их на категории по определённым признакам.

Обучение с подкреплением применяется тогда, когда есть возможность оценить итоговый результат, выданный сетью.

То есть путём определённого поощрения нейронной сети каждый раз, когда полученный результат максимально приближен к желаемому мы дадим ей возможность искать любые пути решения проблемы, пока она будет давать нужные результаты.

Благодаря этому сеть будет искать наилучшие способы достижения цели без данных от тренера.

Есть ещё несколько методов обучения:

• стохастический метод вкратце можно описать так, нашлась величина обновления, значит, сразу же необходимо обновить соответствующий ей вес;
• пакетный метод суммирует значения всех величин в конкретном цикле и только по завершении проводит обновление, что значительно экономит время, однако, при этом страдает точность;
• мини-пакетный метод совмещает в себе плюсы вышеописанных методов, веса в свободном порядке распределяются по выбранным группам и меняются на сумму коэффициента коррекции всех весов группы.

В процессе любого обучения приходится применять гиперпараметры, подбор которых выполняется вручную, при этом они не являются переменными в определённом уравнении. Это уже упомянутые выше момент и скорость обучения.

Также к этим параметрам можно отнести количество скрытых слоёв, число нейронов в слое, присутствие нейронов смещения или, наоборот, их отсутствие. Наличие гиперпараметров в первую очередь определяется типом искусственной нейронной сети. Правильный подбор их значений напрямую влияет на сходимость сети.

В случае когда процесс обучения затягивается есть риск возникновения ситуации, в которой потребуется переобучение сети. Как правило, это происходит в момент, когда сеть перенасыщена данными и начинает не обучаться, а просто запоминать результаты для определённого набора входных параметров. И при подаче новых параметров возникают шумы, влияющие на результат.

Чтобы избежать такой необходимости, обучение необходимо проводить на разных входных данных имеющих значительные различия между собой.

Нейронные сети — очень перспективное направление разработки. Создав нейронную сеть можно обучить её многому, в частности тому, что человек привык делать бессознательно, а соответственно алгоритм чего ему неизвестен.

Считается, что нейросети являются аналогом человеческого мозга, возможно, это и так, но стоит помнить — это всего лишь копия, отдалённо напоминающая свой прототип.

В данной статье собраны материалы - в основном русскоязычные - для базового изучения искусственных нейронных сетей.

Искусственная нейронная сеть, или ИНС - математическая модель, а также ее программное или аппаратное воплощение, построенная по принципу организации и функционирования биологических нейронных сетей - сетей нервных клеток живого организма. Наука нейронных сетей существует достаточно давно, однако именно в связи с последними достижениями научно-технического прогресса данная область начинает обретать популярность.

Книги

Начнем подборку с классического способа изучения - с помощью книг. Мы подобрали русскоязычные книги с большим количеством примеров:

• Ф. Уоссермен, Нейрокомпьютерная техника: Теория и практика. 1992 г.
  В книге в общедоступной форме излагаются основы построения нейрокомпьютеров. Описана структура нейронных сетей и различные алгоритмы их настройки. Отдельные главы посвящены вопросам реализации нейронных сетей.
• С. Хайкин, Нейронные сети: Полный курс. 2006 г.
  Здесь рассматриваются основные парадигмы искусственных нейронных сетей. Представленный материал содержит строгое математическое обоснование всех нейросетевых парадигм, иллюстрируется примерами, описанием компьютерных экспериментов, содержит множество практических задач, а также обширную библиографию.

Д. Форсайт, Компьютерное зрение. Современный подход. 2004 г.
Компьютерное зрение – это одна из самых востребованных областей на данном этапе развития глобальных цифровых компьютерных технологий. Оно требуется на производстве, при управлении роботами, при автоматизации процессов, в медицинских и военных приложениях, при наблюдении со спутников и при работе с персональными компьютерами, в частности, поиске цифровых изображений.

Видео

Нет ничего доступнее и понятнее, чем визуальное обучение при помощи видео:

• Чтобы понять,что такое вообще машинное обучение, посмотрите вот эти две лекции от ШАДа Яндекса.
• Введение в основные принципы проектирования нейронных сетей - отлично подходит для продолжения знакомства с нейронными сетями.
• Курс лекций по теме «Компьютерное зрение» от ВМК МГУ. Компьютерное зрение - теория и технология создания искусственных систем, которые производят обнаружение и классификацию объектов в изображениях и видеозаписях. Эти лекции можно отнести к введению в эту интересную и сложную науку.

Образовательные ресурсы и полезные ссылки

• Портал искусственного интеллекта.
• Лаборатория «Я - интеллект».
• Нейронные сети в Matlab .
• Нейронные сети в Python (англ.):
  • Классификация текста с помощью ;
  • Простой .
• Нейронная сеть на .

Серия наших публикаций по теме

Ранее у нас публиковался уже курс #neuralnetwork@tproger по нейронным сетям. В этом списке публикации для вашего удобства расположены в порядке изучения.

Добро пожаловать во вторую часть руководства по нейронным сетям. Сразу хочу принести извинения всем кто ждал вторую часть намного раньше. По определенным причинам мне пришлось отложить ее написание. На самом деле я не ожидал, что у первой статьи будет такой спрос и что так много людей заинтересует данная тема. Взяв во внимание ваши комментарии, я постараюсь предоставить вам как можно больше информации и в то же время сохранить максимально понятный способ ее изложения. В данной статье, я буду рассказывать о способах обучения/тренировки нейросетей (в частности метод обратного распространения) и если вы, по каким-либо причинам, еще не прочитали , настоятельно рекомендую начать с нее. В процессе написания этой статьи, я хотел также рассказать о других видах нейросетей и методах тренировки, однако, начав писать про них, я понял что это пойдет вразрез с моим методом изложения. Я понимаю, что вам не терпится получить как можно больше информации, однако эти темы очень обширны и требуют детального анализа, а моей основной задачей является не написать очередную статью с поверхностным объяснением, а донести до вас каждый аспект затронутой темы и сделать статью максимально легкой в освоении. Спешу расстроить любителей “покодить”, так как я все еще не буду прибегать к использованию языка программирования и буду объяснять все “на пальцах”. Достаточно вступления, давайте теперь продолжим изучение нейросетей.

Что такое нейрон смещения?

Перед тем как начать нашу основную тему, мы должны ввести понятие еще одного вида нейронов - нейрон смещения. Нейрон смещения или bias нейрон - это третий вид нейронов, используемый в большинстве нейросетей. Особенность этого типа нейронов заключается в том, что его вход и выход всегда равняются 1 и они никогда не имеют входных синапсов. Нейроны смещения могут, либо присутствовать в нейронной сети по одному на слое, либо полностью отсутствовать, 50/50 быть не может (красным на схеме обозначены веса и нейроны которые размещать нельзя). Соединения у нейронов смещения такие же, как у обычных нейронов - со всеми нейронами следующего уровня, за исключением того, что синапсов между двумя bias нейронами быть не может. Следовательно, их можно размещать на входном слое и всех скрытых слоях, но никак не на выходном слое, так как им попросту не с чем будет формировать связь.

Для чего нужен нейрон смещения?

Нейрон смещения нужен для того, чтобы иметь возможность получать выходной результат, путем сдвига графика функции активации вправо или влево. Если это звучит запутанно, давайте рассмотрим простой пример, где есть один входной нейрон и один выходной нейрон. Тогда можно установить, что выход O2 будет равен входу H1, умноженному на его вес, и пропущенному через функцию активации (формула на фото слева). В нашем конкретном случае, будем использовать сигмоид.

Из школьного курса математики, мы знаем, что если взять функцию y = ax+b и менять у нее значения “а”, то будет изменяться наклон функции (цвета линий на графике слева), а если менять “b”, то мы будем смещать функцию вправо или влево (цвета линий на графике справа). Так вот “а” - это вес H1, а “b” - это вес нейрона смещения B1. Это грубый пример, но примерно так все и работает (если вы посмотрите на функцию активации справа на изображении, то заметите очень сильное сходство между формулами). То есть, когда в ходе обучения, мы регулируем веса скрытых и выходных нейронов, мы меняем наклон функции активации. Однако, регулирование веса нейронов смещения может дать нам возможность сдвинуть функцию активации по оси X и захватить новые участки. Иными словами, если точка, отвечающая за ваше решение, будет находиться, как показано на графике слева, то ваша НС никогда не сможет решить задачу без использования нейронов смещения. Поэтому, вы редко встретите нейронные сети без нейронов смещения.

Также нейроны смещения помогают в том случае, когда все входные нейроны получают на вход 0 и независимо от того какие у них веса, они все передадут на следующий слой 0, но не в случае присутствия нейрона смещения. Наличие или отсутствие нейронов смещения - это гиперпараметр (об этом чуть позже). Одним словом, вы сами должны решить, нужно ли вам использовать нейроны смещения или нет, прогнав НС с нейронами смешения и без них и сравнив результаты.

ВАЖНО знать, что иногда на схемах не обозначают нейроны смещения, а просто учитывают их веса при вычислении входного значения например:

Input = H1*w1+H2*w2+b3
b3 = bias*w3

Так как его выход всегда равен 1, то можно просто представить что у нас есть дополнительный синапс с весом и прибавить к сумме этот вес без упоминания самого нейрона.

Как сделать чтобы НС давала правильные ответы?

Ответ прост - нужно ее обучать. Однако, насколько бы прост не был ответ, его реализация в плане простоты, оставляет желать лучшего. Существует несколько методов обучения НС и я выделю 3, на мой взгляд, самых интересных:

• Метод обратного распространения (Backpropagation)
• Метод упругого распространения (Resilient propagation или Rprop)
• Генетический Алгоритм (Genetic Algorithm)

Об Rprop и ГА речь пойдет в других статьях, а сейчас мы с вами посмотрим на основу основ - метод обратного распространения, который использует алгоритм градиентного спуска.

Что такое градиентный спуск?

Это способ нахождения локального минимума или максимума функции с помощью движения вдоль градиента. Если вы поймете суть градиентного спуска, то у вас не должно возникнуть никаких вопросов во время использования метода обратного распространения. Для начала, давайте разберемся, что такое градиент и где он присутствует в нашей НС. Давайте построим график, где по оси х будут значения веса нейрона(w) а по оси у - ошибка соответствующая этому весу(e).

Посмотрев на этот график, мы поймем, что график функция f(w) является зависимостью ошибки от выбранного веса. На этом графике нас интересует глобальный минимум - точка (w2,e2) или, иными словами, то место где график подходит ближе всего к оси х. Эта точка будет означать, что выбрав вес w2 мы получим самую маленькую ошибку - e2 и как следствие, самый лучший результат из всех возможных. Найти же эту точку нам поможет метод градиентного спуска (желтым на графике обозначен градиент). Соответственно у каждого веса в нейросети будет свой график и градиент и у каждого надо найти глобальный минимум.

Так что же такое, этот градиент? Градиент - это вектор который определяет крутизну склона и указывает его направление относительно какой либо из точек на поверхности или графике. Чтобы найти градиент нужно взять производную от графика по данной точке (как это и показано на графике). Двигаясь по направлению этого градиента мы будем плавно скатываться в низину. Теперь представим что ошибка - это лыжник, а график функции - гора. Соответственно, если ошибка равна 100%, то лыжник находиться на самой вершине горы и если ошибка 0% то в низине. Как все лыжники, ошибка стремится как можно быстрее спуститься вниз и уменьшить свое значение. В конечном случае у нас должен получиться следующий результат:

Представьте что лыжника забрасывают, с помощью вертолета, на гору. На сколько высоко или низко зависит от случая (аналогично тому, как в нейронной сети при инициализации веса расставляются в случайном порядке). Допустим ошибка равна 90% и это наша точка отсчета. Теперь лыжнику нужно спуститься вниз, с помощью градиента. На пути вниз, в каждой точке мы будем вычислять градиент, что будет показывать нам направление спуска и при изменении наклона, корректировать его. Если склон будет прямым, то после n-ого количества таких действий мы доберемся до низины. Но в большинстве случаев склон (график функции) будет волнистый и наш лыжник столкнется с очень серьезной проблемой - локальный минимум. Я думаю все знают, что такое локальный и глобальный минимум функции, для освежения памяти вот пример. Попадание в локальный минимум чревато тем, что наш лыжник навсегда останется в этой низине и никогда не скатиться с горы, следовательно мы никогда не сможем получить правильный ответ. Но мы можем избежать этого, снарядив нашего лыжника реактивным ранцем под названием момент (momentum). Вот краткая иллюстрация момента:

Как вы уже наверное догадались, этот ранец придаст лыжнику необходимое ускорение чтобы преодолеть холм, удерживающий нас в локальном минимуме, однако здесь есть одно НО. Представим что мы установили определенное значение параметру момент и без труда смогли преодолеть все локальные минимумы, и добраться до глобального минимума. Так как мы не можем просто отключить реактивный ранец, то мы можем проскочить глобальный минимум, если рядом с ним есть еще низины. В конечном случае это не так важно, так как рано или поздно мы все равно вернемся обратно в глобальный минимум, но стоит помнить, что чем больше момент, тем больше будет размах с которым лыжник будет кататься по низинам. Вместе с моментом в методе обратного распространения также используется такой параметр как скорость обучения (learning rate). Как наверняка многие подумают, чем больше скорость обучения, тем быстрее мы обучим нейросеть. Нет. Скорость обучения, также как и момент, является гиперпараметром - величина которая подбирается путем проб и ошибок. Скорость обучения можно напрямую связать со скоростью лыжника и можно с уверенностью сказать - тише едешь дальше будешь. Однако здесь тоже есть определенные аспекты, так как если мы совсем не дадим лыжнику скорости то он вообще никуда не поедет, а если дадим маленькую скорость то время пути может растянуться на очень и очень большой период времени. Что же тогда произойдет если мы дадим слишком большую скорость?

Как видите, ничего хорошего. Лыжник начнет скатываться по неправильному пути и возможно даже в другом направлении, что как вы понимаете только отдалит нас от нахождения правильного ответа. Поэтому во всех этих параметрах нужно находить золотую середину чтобы избежать не сходимости НС (об этом чуть позже).

Что такое Метод Обратного Распространения (МОР)?

Вот мы и дошли до того момента, когда мы можем обсудить, как же все таки сделать так, чтобы ваша НС могла правильно обучаться и давать верные решения. Очень хорошо МОР визуализирован на этой гифке:

А теперь давайте подробно разберем каждый этап. Если вы помните то в предыдущей статье мы считали выход НС. По другому это называется передача вперед (Forward pass), то есть мы последовательно передаем информацию от входных нейронов к выходным. После чего мы вычисляем ошибку и основываясь на ней делаем обратную передачу, которая заключается в том, чтобы последовательно менять веса нейронной сети, начиная с весов выходного нейрона. Значение весов будут меняться в ту сторону, которая даст нам наилучший результат. В моих вычисления я буду пользоваться методом нахождения дельты, так как это наиболее простой и понятный способ. Также я буду использовать стохастический метод обновления весов (об этом чуть позже).

Теперь давайте продолжим с того места, где мы закончили вычисления в предыдущей статье.

Данные задачи из предыдущей статьи

Данные: I1=1, I2=0, w1=0.45, w2=0.78 ,w3=-0.12 ,w4=0.13 ,w5=1.5 ,w6=-2.3.

H1input = 1*0.45+0*-0.12=0.45
H1output = sigmoid(0.45)=0.61

H2input = 1*0.78+0*0.13=0.78
H2output = sigmoid(0.78)=0.69

O1input = 0.61*1.5+0.69*-2.3=-0.672
O1output = sigmoid(-0.672)=0.33

O1ideal = 1 (0xor1=1)

Error = ((1-0.33)^2)/1=0.45

Результат - 0.33, ошибка - 45%.

Так как мы уже подсчитали результат НС и ее ошибку, то мы можем сразу приступить к МОРу. Как я уже упоминал ранее, алгоритм всегда начинается с выходного нейрона. В таком случае давайте посчитаем для него значение δ (дельта) по формуле 1.

Так как у выходного нейрона нет исходящих синапсов, то мы будем пользоваться первой формулой (δ output), следственно для скрытых нейронов мы уже будем брать вторую формулу (δ hidden). Тут все достаточно просто: считаем разницу между желаемым и полученным результатом и умножаем на производную функции активации от входного значения данного нейрона. Прежде чем приступить к вычислениям я хочу обратить ваше внимание на производную. Во первых как это уже наверное стало понятно, с МОР нужно использовать только те функции активации, которые могут быть дифференцированы. Во вторых чтобы не делать лишних вычислений, формулу производной можно заменить на более дружелюбную и простую формула вида:


Таким образом наши вычисления для точки O1 будут выглядеть следующим образом.

Решение

O1output = 0.33
O1ideal = 1
Error = 0.45

δO1 = (1 - 0.33) * ((1 - 0.33) * 0.33) = 0.148

На этом вычисления для нейрона O1 закончены. Запомните, что после подсчета дельты нейрона мы обязаны сразу обновить веса всех исходящих синапсов этого нейрона. Так как в случае с O1 их нет, мы переходим к нейронам скрытого уровня и делаем тоже самое за исключение того, что формула подсчета дельты у нас теперь вторая и ее суть заключается в том, чтобы умножить производную функции активации от входного значения на сумму произведений всех исходящих весов и дельты нейрона с которой этот синапс связан. Но почему формулы разные? Дело в том что вся суть МОР заключается в том чтобы распространить ошибку выходных нейронов на все веса НС. Ошибку можно вычислить только на выходном уровне, как мы это уже сделали, также мы вычислили дельту в которой уже есть эта ошибка. Следственно теперь мы будем вместо ошибки использовать дельту которая будет передаваться от нейрона к нейрону. В таком случае давайте найдем дельту для H1:

Решение

H1output = 0.61
w5 = 1.5
δO1 = 0.148

δH1 = ((1 - 0.61) * 0.61) * (1.5 * 0.148) = 0.053

Теперь нам нужно найти градиент для каждого исходящего синапса. Здесь обычно вставляют 3 этажную дробь с кучей производных и прочим математическим адом, но в этом и вся прелесть использования метода подсчета дельт, потому что в конечном счете ваша формула нахождения градиента будет выглядеть вот так:

Здесь точка A это точка в начале синапса, а точка B на конце синапса. Таким образом мы можем подсчитать градиент w5 следующим образом:

Решение

H1output = 0.61
δO1 = 0.148

GRADw5 = 0.61 * 0.148 = 0.09

Сейчас у нас есть все необходимые данные чтобы обновить вес w5 и мы сделаем это благодаря функции МОР которая рассчитывает величину на которую нужно изменить тот или иной вес и выглядит она следующим образом:


Настоятельно рекомендую вам не игнорировать вторую часть выражения и использовать момент так как это вам позволит избежать проблем с локальным минимумом.

Здесь мы видим 2 константы о которых мы уже говорили, когда рассматривали алгоритм градиентного спуска: E (эпсилон) - скорость обучения, α (альфа) - момент. Переводя формулу в слова получим: изменение веса синапса равно коэффициенту скорости обучения, умноженному на градиент этого веса, прибавить момент умноженный на предыдущее изменение этого веса (на 1-ой итерации равно 0). В таком случае давайте посчитаем изменение веса w5 и обновим его значение прибавив к нему Δw5.

Решение

E = 0.7
Α = 0.3
w5 = 1.5
GRADw5 = 0.09
Δw5(i-1) = 0

Δw5 = 0.7 * 0.09 + 0 * 0.3 = 0.063
w5 = w5 + Δw5 = 1.563

Таким образом после применения алгоритма наш вес увеличился на 0.063. Теперь предлагаю сделать вам тоже самое для H2.

Решение

H2output = 0.69
w6 = -2.3
δO1 = 0.148
E = 0.7
Α = 0.3
Δw6(i-1) = 0

δH2 = ((1 - 0.69) * 0.69) * (-2.3 * 0.148) = -0.07

GRADw6 = 0.69 * 0.148 = 0.1

Δw6 = 0.7 * 0.1 + 0 * 0.3 = 0.07

W6 = w6 + Δw6 = -2.2

И конечно не забываем про I1 и I2, ведь у них тоже есть синапсы веса которых нам тоже нужно обновить. Однако помним, что нам не нужно находить дельты для входных нейронов так как у них нет входных синапсов.

Решение

w1 = 0.45, Δw1(i-1) = 0
w2 = 0.78, Δw2(i-1) = 0
w3 = -0.12, Δw3(i-1) = 0
w4 = 0.13, Δw4(i-1) = 0
δH1 = 0.053
δH2 = -0.07
E = 0.7
Α = 0.3

GRADw1 = 1 * 0.053 = 0.053
GRADw2 = 1 * -0.07 = -0.07
GRADw3 = 0 * 0.053 = 0
GRADw4 = 0 * -0.07 = 0

Δw1 = 0.7 * 0.053 + 0 * 0.3 = 0.04
Δw2 = 0.7 * -0.07 + 0 * 0.3 = -0.05
Δw3 = 0.7 * 0 + 0 * 0.3 = 0
Δw4 = 0.7 * 0 + 0 * 0.3 = 0

W1 = w1 + Δw1 = 0.5
w2 = w2 + Δw2 = 0.73
w3 = w3 + Δw3 = -0.12
w4 = w4 + Δw4 = 0.13

Теперь давайте убедимся в том, что мы все сделали правильно и снова посчитаем выход НС только уже с обновленными весами.

Решение

I1 = 1
I2 = 0
w1 = 0.5
w2 = 0.73
w3 = -0.12
w4 = 0.13
w5 = 1.563
w6 = -2.2

H1input = 1 * 0.5 + 0 * -0.12 = 0.5
H1output = sigmoid(0.5) = 0.62

H2input = 1 * 0.73 + 0 * 0.124 = 0.73
H2output = sigmoid(0.73) = 0.675

O1input = 0.62* 1.563 + 0.675 * -2.2 = -0.51
O1output = sigmoid(-0.51) = 0.37

O1ideal = 1 (0xor1=1)

Error = ((1-0.37)^2)/1=0.39

Результат - 0.37, ошибка - 39%.

Как мы видим после одной итерации МОР, нам удалось уменьшить ошибку на 0.04 (6%). Теперь нужно повторять это снова и снова, пока ваша ошибка не станет достаточно мала.

Что еще нужно знать о процессе обучения?

Нейросеть можно обучать с учителем и без (supervised, unsupervised learning).

Обучение с учителем - это тип тренировок присущий таким проблемам как регрессия и классификация (им мы и воспользовались в примере приведенном выше). Иными словами здесь вы выступаете в роли учителя а НС в роли ученика. Вы предоставляете входные данные и желаемый результат, то есть ученик посмотрев на входные данные поймет, что нужно стремиться к тому результату который вы ему предоставили.

Обучение без учителя - этот тип обучения встречается не так часто. Здесь нет учителя, поэтому сеть не получает желаемый результат или же их количество очень мало. В основном такой вид тренировок присущ НС у которых задача состоит в группировке данных по определенным параметрам. Допустим вы подаете на вход 10000 статей на хабре и после анализа всех этих статей НС сможет распределить их по категориям основываясь, например, на часто встречающихся словах. Статьи в которых упоминаются языки программирования, к программированию, а где такие слова как Photoshop, к дизайну.

Существует еще такой интересный метод, как обучение с подкреплением (reinforcement learning). Этот метод заслуживает отдельной статьи, но я попытаюсь вкратце описать его суть. Такой способ применим тогда, когда мы можем основываясь на результатах полученных от НС, дать ей оценку. Например мы хотим научить НС играть в PAC-MAN, тогда каждый раз когда НС будет набирать много очков мы будем ее поощрять. Иными словами мы предоставляем НС право найти любой способ достижения цели, до тех пор пока он будет давать хороший результат. Таким способом, сеть начнет понимать чего от нее хотят добиться и пытается найти наилучший способ достижения этой цели без постоянного предоставления данных “учителем”.

Также обучение можно производить тремя методами: стохастический метод (stochastic), пакетный метод (batch) и мини-пакетный метод (mini-batch). Существует очень много статей и исследований на тему того, какой из методов лучше и никто не может прийти к общему ответу. Я же сторонник стохастического метода, однако я не отрицаю тот факт, что каждый метод имеет свои плюсы и минусы.

Вкратце о каждом методе:

Стохастический (его еще иногда называют онлайн) метод работает по следующему принципу - нашел Δw, сразу обнови соответствующий вес.

Пакетный метод же работает по другому. Мы суммируем Δw всех весов на текущей итерации и только потом обновляем все веса используя эту сумму. Один из самых важных плюсов такого подхода - это значительная экономия времени на вычисление, точность же в таком случае может сильно пострадать.

Мини-пакетный метод является золотой серединой и пытается совместить в себе плюсы обоих методов. Здесь принцип таков: мы в свободном порядке распределяем веса по группам и меняем их веса на сумму Δw всех весов в той или иной группе.

Что такое гиперпараметры?

Гиперпараметры - это значения, которые нужно подбирать вручную и зачастую методом проб и ошибок. Среди таких значений можно выделить:

• Момент и скорость обучения
• Количество скрытых слоев
• Количество нейронов в каждом слое
• Наличие или отсутствие нейронов смещения

В других типах НС присутствуют дополнительные гиперпараметры, но о них мы говорить не будем. Подбор верных гиперпараметров очень важен и будет напрямую влиять на сходимость вашей НС. Понять стоит ли использовать нейроны смещения или нет достаточно просто. Количество скрытых слоев и нейронов в них можно вычислить перебором основываясь на одном простом правиле - чем больше нейронов, тем точнее результат и тем экспоненциально больше время, которое вы потратите на ее обучение. Однако стоит помнить, что не стоит делать НС с 1000 нейронов для решения простых задач. А вот с выбором момента и скорости обучения все чуточку сложнее. Эти гиперпараметры будут варьироваться, в зависимости от поставленной задачи и архитектуры НС. Например, для решения XOR скорость обучения может быть в пределах 0.3 - 0.7, но в НС которая анализирует и предсказывает цену акций, скорость обучения выше 0.00001 приводит к плохой сходимости НС. Не стоит сейчас заострять свое внимание на гиперпараметрах и пытаться досконально понять, как же их выбирать. Это придет с опытом, а пока что советую просто экспериментировать и искать примеры решения той или иной задачи в сети.

Что такое сходимость?

Сходимость говорит о том, правильная ли архитектура НС и правильно ли были подобраны гиперпараметры в соответствии с поставленной задачей. Допустим наша программа выводит ошибку НС на каждой итерации в лог. Если с каждой итерацией ошибка будет уменьшаться, то мы на верном пути и наша НС сходится. Если же ошибка будет прыгать вверх - вниз или застынет на определенном уровне, то НС не сходится. В 99% случаев это решается изменением гиперпараметров. Оставшийся 1% будет означать, что у вас ошибка в архитектуре НС. Также бывает, что на сходимость влияет переобучение НС.

Что такое переобучение?

Переобучение, как следует из названия, это состояние нейросети, когда она перенасыщена данными. Это проблема возникает, если слишком долго обучать сеть на одних и тех же данных. Иными словами, сеть начнет не учиться на данных, а запоминать и “зубрить” их. Соответственно, когда вы уже будете подавать на вход этой НС новые данные, то в полученных данных может появиться шум, который будет влиять на точность результата. Например, если мы будем показывать НС разные фотографии яблок (только красные) и говорить что это яблоко. Тогда, когда НС увидит желтое или зеленое яблоко, оно не сможет определить, что это яблоко, так как она запомнила, что все яблоки должны быть красными. И наоборот, когда НС увидит что-то красное и по форме совпадающее с яблоком, например персик, она скажет, что это яблоко. Это и есть шум. На графике шум будет выглядеть следующим образом.

Видно, что график функции сильно колеблется от точки к точке, которые являются выходными данными (результатом) нашей НС. В идеале, этот график должен быть менее волнистый и прямой. Чтобы избежать переобучения, не стоит долго тренировать НС на одних и тех же или очень похожих данных. Также, переобучение может быть вызвано большим количеством параметров, которые вы подаете на вход НС или слишком сложной архитектурой. Таким образом, когда вы замечаете ошибки (шум) в выходных данных после этапа обучения, то вам стоит использовать один из методов регуляризации, но в большинстве случаев это не понадобиться.

Заключение

Надеюсь эта статья смогла прояснить ключевые моменты такого нелегко предмета, как Нейронные сети. Однако я считаю, что сколько бы ты статей не прочел, без практики такую сложную тему освоить невозможно. Поэтому, если вы только в начале пути и хотите изучить эту перспективную и развивающуюся отрасль, то советую начать практиковаться с написания своей НС, а уже после прибегать к помощи различных фреймворков и библиотек. Также, если вам интересен мой метод изложения информации и вы хотите, чтобы я написал статьи на другие темы связанные с Машинным обучением, то проголосуйте в опросе ниже за ту тему которую вам интересна. До встречи в будущих статьях:)

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите , пожалуйста.