Применение нейронных сетей для задач классификации. Априорные вероятности появления классов

В главе мы ознакомились с такими понятиями, как искусственный интеллект, машинное обучение и искусственные нейронные сети.

В этой главе я детально опишу модель искусственного нейрона, расскажу о подходах к обучению сети, а также опишу некоторые известные виды искусственных нейронных сетей, которые мы будем изучать в следующих главах.

Упрощение

В прошлой главе я постоянно говорил о каких-то серьезных упрощениях. Причина упрощений заключается в том, что никакие современные компьютеры не могут быстро моделировать такие сложные системы, как наш мозг. К тому же, как я уже говорил, наш мозг переполнен различными биологическими механизмами, не относящиеся к обработке информации.

Нам нужна модель преобразования входного сигнала в нужный нам выходной. Все остальное нас не волнует. Начинаем упрощать.

Биологическая структура → схема

В предыдущей главе вы поняли, насколько сложно устроены биологические нейронные сети и биологические нейроны. Вместо изображения нейронов в виде чудовищ с щупальцами давайте просто будем рисовать схемы.

Вообще говоря, есть несколько способов графического изображения нейронных сетей и нейронов. Здесь мы будем изображать искусственные нейроны в виде кружков.

Вместо сложного переплетения входов и выходов будем использовать стрелки, обозначающие направление движения сигнала.

Таким образом искусственная нейронная сеть может быть представлена в виде совокупности кружков (искусственных нейронов), связанных стрелками.

Электрические сигналы → числа

В реальной биологической нейронной сети от входов сети к выходам передается электрический сигнал. В процессе прохода по нейронной сети он может изменяться.

Электрический сигнал всегда будет электрическим сигналом. Концептуально ничего не изменяется. Но что же тогда меняется? Меняется величина этого электрического сигнала (сильнее/слабее). А любую величину всегда можно выразить числом (больше/меньше).

В нашей модели искусственной нейронной сети нам совершенно не нужно реализовывать поведение электрического сигнала, так как от его реализации все равно ничего зависеть не будет.

На входы сети мы будем подавать какие-то числа, символизирующие величины электрического сигнала, если бы он был. Эти числа будут продвигаться по сети и каким-то образом меняться. На выходе сети мы получим какое-то результирующее число, являющееся откликом сети.

Для удобства все равно будем называть наши числа, циркулирующие в сети, сигналами.

Синапсы → веса связей

Вспомним картинку из первой главы, на которой цветом были изображены связи между нейронами – синапсы. Синапсы могут усиливать или ослаблять проходящий по ним электрический сигнал.

Давайте характеризовать каждую такую связь определенным числом, называемым весом данной связи. Сигнал, прошедший через данную связь, умножается на вес соответствующей связи.

Это ключевой момент в концепции искусственных нейронных сетей, я объясню его подробнее. Посмотрите на картинку ниже. Теперь каждой черной стрелке (связи) на этой картинке соответствует некоторое число ​\(w_i \) ​ (вес связи). И когда сигнал проходит по этой связи, его величина умножается на вес этой связи.

На приведенном выше рисунке вес стоит не у каждой связи лишь потому, что там нет места для обозначений. В реальности у каждой ​\(i \) ​-ой связи свой собственный ​\(w_i \) ​-ый вес.

Искусственный нейрон

Теперь мы переходим к рассмотрению внутренней структуры искусственного нейрона и того, как он преобразует поступающий на его входы сигнал.

На рисунке ниже представлена полная модель искусственного нейрона.

Не пугайтесь, ничего сложного здесь нет. Давайте рассмотрим все подробно слева направо.

Входы, веса и сумматор

У каждого нейрона, в том числе и у искусственного, должны быть какие-то входы, через которые он принимает сигнал. Мы уже вводили понятие весов, на которые умножаются сигналы, проходящие по связи. На картинке выше веса изображены кружками.

Поступившие на входы сигналы умножаются на свои веса. Сигнал первого входа ​\(x_1 \) ​ умножается на соответствующий этому входу вес ​\(w_1 \) ​. В итоге получаем ​\(x_1w_1 \) ​. И так до ​\(n \) ​-ого входа. В итоге на последнем входе получаем ​\(x_nw_n \) ​.

Теперь все произведения передаются в сумматор. Уже исходя из его названия можно понять, что он делает. Он просто суммирует все входные сигналы, умноженные на соответствующие веса:

\[ x_1w_1+x_2w_2+\cdots+x_nw_n = \sum\limits^n_{i=1}x_iw_i \]

Математическая справка

Сигма – Википедия

Когда необходимо коротко записать большое выражение, состоящее из суммы повторяющихся/однотипных членов, то используют знак сигмы.

Рассмотрим простейший вариант записи:

\[ \sum\limits^5_{i=1}i=1+2+3+4+5 \]

Таким образом снизу сигмы мы присваиваем переменной-счетчику ​\(i \) ​ стартовое значение, которое будет увеличиваться, пока не дойдет до верхней границы (в примере выше это 5).

Верхняя граница может быть и переменной. Приведу пример такого случая.

Пусть у нас есть ​\(n \) магазинов. У каждого магазина есть свой номер: от 1 до ​\(n \) ​. Каждый магазин приносит прибыль. Возьмем какой-то (неважно, какой) ​\(i \) ​-ый магазин. Прибыль от него равна ​\(p_i \) ​.

\[ P = p_1+p_2+\cdots+p_i+\cdots+p_n \]

Как видно, все члены этой суммы однотипны. Тогда их можно коротко записать следующим образом:

\[ P=\sum\limits^n_{i=1}p_i \]

Словами: «Просуммируй прибыли всех магазинов, начиная с первого и заканчивая ​\(n \) ​-ым». В виде формулы это гораздо проще, удобнее и красивее.

Результатом работы сумматора является число, называемое взвешенной суммой.

Взвешенная сумма (Weighted sum ) (​\(net \) ​) - сумма входных сигналов, умноженных на соответствующие им веса.

\[ net=\sum\limits^n_{i=1}x_iw_i \]

Роль сумматора очевидна – он агрегирует все входные сигналы (которых может быть много) в какое-то одно число – взвешенную сумму, которая характеризует поступивший на нейрон сигнал в целом. Еще взвешенную сумму можно представить как степень общего возбуждения нейрона.

Пример

Для понимания роли последнего компонента искусственного нейрона – функции активации – я приведу аналогию.

Давайте рассмотрим один искусственный нейрон. Его задача – решить, ехать ли отдыхать на море. Для этого на его входы мы подаем различные данные. Пусть у нашего нейрона будет 4 входа:

1. Стоимость поездки
2. Какая на море погода
3. Текущая обстановка с работой
4. Будет ли на пляже закусочная

Все эти параметры будем характеризовать 0 или 1. Соответственно, если погода на море хорошая, то на этот вход подаем 1. И так со всеми остальными параметрами.

Если у нейрона есть четыре входа, то должно быть и четыре весовых коэффициента. В нашем примере весовые коэффициенты можно представить как показатели важности каждого входа, влияющие на общее решение нейрона. Веса входов распределим следующим образом:

Нетрудно заметить, что очень большую роль играют факторы стоимости и погоды на море (первые два входа). Они же и будут играть решающую роль при принятии нейроном решения.

Пусть на входы нашего нейрона мы подаем следующие сигналы:

Умножаем веса входов на сигналы соответствующих входов:

Взвешенная сумма для такого набора входных сигналов равна 6:

\[ net=\sum\limits^4_{i=1}x_iw_i = 5 + 0 + 0 + 1 =6 \]

Вот на сцену выходит функция активации.

Функция активации

Просто так подавать взвешенную сумму на выход достаточно бессмысленно. Нейрон должен как-то обработать ее и сформировать адекватный выходной сигнал. Именно для этих целей и используют функцию активации.

Она преобразует взвешенную сумму в какое-то число, которое и является выходом нейрона (выход нейрона обозначим переменной ​\(out \) ​).

Для разных типов искусственных нейронов используют самые разные функции активации. В общем случае их обозначают символом ​\(\phi(net) \) ​. Указание взвешенного сигнала в скобках означает, что функция активации принимает взвешенную сумму как параметр.

Функция активации (Activation function )(​\(\phi(net) \) ​) - функция, принимающая взвешенную сумму как аргумент. Значение этой функции и является выходом нейрона (​\(out \) ​).

Функция единичного скачка

Самый простой вид функции активации. Выход нейрона может быть равен только 0 или 1. Если взвешенная сумма больше определенного порога ​\(b \) ​, то выход нейрона равен 1. Если ниже, то 0.

Как ее можно использовать? Предположим, что мы поедем на море только тогда, когда взвешенная сумма больше или равна 5. Значит наш порог равен 5:

В нашем примере взвешенная сумма равнялась 6, а значит выходной сигнал нашего нейрона равен 1. Итак, мы едем на море.

Однако если бы погода на море была бы плохой, а также поездка была бы очень дорогой, но имелась бы закусочная и обстановка с работой нормальная (входы: 0011), то взвешенная сумма равнялась бы 2, а значит выход нейрона равнялся бы 0. Итак, мы никуда не едем.

В общем, нейрон смотрит на взвешенную сумму и если она получается больше его порога, то нейрон выдает выходной сигнал, равный 1.

Графически эту функцию активации можно изобразить следующим образом.

На горизонтальной оси расположены величины взвешенной суммы. На вертикальной оси - значения выходного сигнала. Как легко видеть, возможны только два значения выходного сигнала: 0 или 1. Причем 0 будет выдаваться всегда от минус бесконечности и вплоть до некоторого значения взвешенной суммы, называемого порогом. Если взвешенная сумма равна порогу или больше него, то функция выдает 1. Все предельно просто.

Теперь запишем эту функцию активации математически. Почти наверняка вы сталкивались с таким понятием, как составная функция. Это когда мы под одной функцией объединяем несколько правил, по которым рассчитывается ее значение. В виде составной функции функция единичного скачка будет выглядеть следующим образом:

\[ out(net) = \begin{cases} 0, net < b \\ 1, net \geq b \end{cases} \]

В этой записи нет ничего сложного. Выход нейрона (​\(out \) ​) зависит от взвешенной суммы (​\(net \) ​) следующим образом: если ​\(net \) ​ (взвешенная сумма) меньше какого-то порога (​\(b \) ​), то ​\(out \) ​ (выход нейрона) равен 0. А если ​\(net \) ​ больше или равен порогу ​\(b \) ​, то ​\(out \) ​ равен 1.

Сигмоидальная функция

На самом деле существует целое семейство сигмоидальных функций, некоторые из которых применяют в качестве функции активации в искусственных нейронах.

Все эти функции обладают некоторыми очень полезными свойствами, ради которых их и применяют в нейронных сетях. Эти свойства станут очевидными после того, как вы увидите графики этих функций.

Итак… самая часто используемая в нейронных сетях сигмоида - логистическая функция .

График этой функции выглядит достаточно просто. Если присмотреться, то можно увидеть некоторое подобие английской буквы ​\(S \) ​, откуда и пошло название семейства этих функций.

А вот так она записывается аналитически:

\[ out(net)=\frac{1}{1+\exp(-a \cdot net)} \]

Что за параметр ​\(a \) ​? Это какое-то число, которое характеризует степень крутизны функции. Ниже представлены логистические функции с разным параметром ​\(a \) ​.

Вспомним наш искусственный нейрон, определяющий, надо ли ехать на море. В случае с функцией единичного скачка все было очевидно. Мы либо едем на море (1), либо нет (0).

Здесь же случай более приближенный к реальности. Мы до конца полностью не уверены (в особенности, если вы параноик) – стоит ли ехать? Тогда использование логистической функции в качестве функции активации приведет к тому, что вы будете получать цифру между 0 и 1. Причем чем больше взвешенная сумма, тем ближе выход будет к 1 (но никогда не будет точно ей равен). И наоборот, чем меньше взвешенная сумма, тем ближе выход нейрона будет к 0.

Например, выход нашего нейрона равен 0.8. Это значит, что он считает, что поехать на море все-таки стоит. Если бы его выход был бы равен 0.2, то это означает, что он почти наверняка против поездки на море.

Какие же замечательные свойства имеет логистическая функция?

• она является «сжимающей» функцией, то есть вне зависимости от аргумента (взвешенной суммы), выходной сигнал всегда будет в пределах от 0 до 1
• она более гибкая, чем функция единичного скачка – ее результатом может быть не только 0 и 1, но и любое число между ними
• во всех точках она имеет производную, и эта производная может быть выражена через эту же функцию

Именно из-за этих свойств логистическая функция чаще всего используются в качестве функции активации в искусственных нейронах.

Гиперболический тангенс

Однако есть и еще одна сигмоида – гиперболический тангенс. Он применяется в качестве функции активации биологами для более реалистичной модели нервной клетки.

Такая функция позволяет получить на выходе значения разных знаков (например, от -1 до 1), что может быть полезным для ряда сетей.

Функция записывается следующим образом:

\[ out(net) = \tanh\left(\frac{net}{a}\right) \]

В данной выше формуле параметр ​\(a \) ​ также определяет степень крутизны графика этой функции.

А вот так выглядит график этой функции.

Как видите, он похож на график логистической функции. Гиперболический тангенс обладает всеми полезными свойствами, которые имеет и логистическая функция.

Что мы узнали?

Теперь вы получили полное представление о внутренней структуре искусственного нейрона. Я еще раз приведу краткое описание его работы.

У нейрона есть входы. На них подаются сигналы в виде чисел. Каждый вход имеет свой вес (тоже число). Сигналы на входе умножаются на соответствующие веса. Получаем набор «взвешенных» входных сигналов.

Затем взвешенная сумма преобразуется функцией активации и мы получаем выход нейрона .

Сформулируем теперь самое короткое описание работы нейрона – его математическую модель:

Математическая модель искусственного нейрона с ​\(n \) ​ входами:

где
​\(\phi \) ​ – функция активации
​\(\sum\limits^n_{i=1}x_iw_i \) ​ – взвешенная сумма, как сумма ​\(n \) ​ произведений входных сигналов на соответствующие веса.

Виды ИНС

Мы разобрались со структурой искусственного нейрона. Искусственные нейронные сети состоят из совокупности искусственных нейронов. Возникает логичный вопрос – а как располагать/соединять друг с другом эти самые искусственные нейроны?

Как правило, в большинстве нейронных сетей есть так называемый входной слой , который выполняет только одну задачу – распределение входных сигналов остальным нейронам. Нейроны этого слоя не производят никаких вычислений.

Однослойные нейронные сети

В однослойных нейронных сетях сигналы с входного слоя сразу подаются на выходной слой. Он производит необходимые вычисления, результаты которых сразу подаются на выходы.

Выглядит однослойная нейронная сеть следующим образом:

На этой картинке входной слой обозначен кружками (он не считается за слой нейронной сети), а справа расположен слой обычных нейронов.

Нейроны соединены друг с другом стрелками. Над стрелками расположены веса соответствующих связей (весовые коэффициенты).

Однослойная нейронная сеть (Single-layer neural network ) - сеть, в которой сигналы от входного слоя сразу подаются на выходной слой, который и преобразует сигнал и сразу же выдает ответ.

Многослойные нейронные сети

Такие сети, помимо входного и выходного слоев нейронов, характеризуются еще и скрытым слоем (слоями). Понять их расположение просто – эти слои находятся между входным и выходным слоями.

Такая структура нейронных сетей копирует многослойную структуру определенных отделов мозга.

Название скрытый слой получил неслучайно. Дело в том, что только относительно недавно были разработаны методы обучения нейронов скрытого слоя. До этого обходились только однослойными нейросетями.

Многослойные нейронные сети обладают гораздо большими возможностями, чем однослойные.

Работу скрытых слоев нейронов можно сравнить с работой большого завода. Продукт (выходной сигнал) на заводе собирается по стадиям. После каждого станка получается какой-то промежуточный результат. Скрытые слои тоже преобразуют входные сигналы в некоторые промежуточные результаты.

Многослойная нейронная сеть (Multilayer neural network ) - нейронная сеть, состоящая из входного, выходного и расположенного(ых) между ними одного (нескольких) скрытых слоев нейронов.

Сети прямого распространения

Можно заметить одну очень интересную деталь на картинках нейросетей в примерах выше.

Во всех примерах стрелки строго идут слева направо, то есть сигнал в таких сетях идет строго от входного слоя к выходному.

Сети прямого распространения (Feedforward neural network ) (feedforward сети) - искусственные нейронные сети, в которых сигнал распространяется строго от входного слоя к выходному. В обратном направлении сигнал не распространяется.

Такие сети широко используются и вполне успешно решают определенный класс задач: прогнозирование, кластеризация и распознавание.

Однако никто не запрещает сигналу идти и в обратную сторону.

Сети с обратными связями

В сетях такого типа сигнал может идти и в обратную сторону. В чем преимущество?

Дело в том, что в сетях прямого распространения выход сети определяется входным сигналом и весовыми коэффициентами при искусственных нейронах.

А в сетях с обратными связями выходы нейронов могут возвращаться на входы. Это означает, что выход какого-нибудь нейрона определяется не только его весами и входным сигналом, но еще и предыдущими выходами (так как они снова вернулись на входы).

Возможность сигналов циркулировать в сети открывает новые, удивительные возможности нейронных сетей. С помощью таких сетей можно создавать нейросети, восстанавливающие или дополняющие сигналы. Другими словами такие нейросети имеют свойства кратковременной памяти (как у человека).

Сети с обратными связями (Recurrent neural network ) - искусственные нейронные сети, в которых выход нейрона может вновь подаваться на его вход. В более общем случае это означает возможность распространения сигнала от выходов к входам.

Обучение нейронной сети

Теперь давайте чуть более подробно рассмотрим вопрос обучения нейронной сети. Что это такое? И каким образом это происходит?

Что такое обучение сети?

Искусственная нейронная сеть – это совокупность искусственных нейронов. Теперь давайте возьмем, например, 100 нейронов и соединим их друг с другом. Ясно, что при подаче сигнала на вход, мы получим что-то бессмысленное на выходе.

Значит нам надо менять какие-то параметры сети до тех пор, пока входной сигнал не преобразуется в нужный нам выходной.

Что мы можем менять в нейронной сети?

Изменять общее количество искусственных нейронов бессмысленно по двум причинам. Во-первых, увеличение количества вычислительных элементов в целом лишь делает систему тяжеловеснее и избыточнее. Во-вторых, если вы соберете 1000 дураков вместо 100, то они все-равно не смогут правильно ответить на вопрос.

Сумматор изменить не получится, так как он выполняет одну жестко заданную функцию – складывать. Если мы его заменим на что-то или вообще уберем, то это вообще уже не будет искусственным нейроном.

Если менять у каждого нейрона функцию активации, то мы получим слишком разношерстную и неконтролируемую нейронную сеть. К тому же, в большинстве случаев нейроны в нейронных сетях одного типа. То есть они все имеют одну и ту же функцию активации.

Остается только один вариант – менять веса связей .

Обучение нейронной сети (Training) - поиск такого набора весовых коэффициентов, при котором входной сигнал после прохода по сети преобразуется в нужный нам выходной.

Такой подход к термину «обучение нейронной сети» соответствует и биологическим нейросетям. Наш мозг состоит из огромного количества связанных друг с другом нейросетей. Каждая из них в отдельности состоит из нейронов одного типа (функция активации одинаковая). Мы обучаемся благодаря изменению синапсов – элементов, которые усиливают/ослабляют входной сигнал.

Однако есть еще один важный момент. Если обучать сеть, используя только один входной сигнал, то сеть просто «запомнит правильный ответ». Со стороны будет казаться, что она очень быстро «обучилась». И как только вы подадите немного измененный сигнал, ожидая увидеть правильный ответ, то сеть выдаст бессмыслицу.

В самом деле, зачем нам сеть, определяющая лицо только на одном фото. Мы ждем от сети способности обобщать какие-то признаки и узнавать лица и на других фотографиях тоже.

Именно с этой целью и создаются обучающие выборки .

Обучающая выборка (Training set ) - конечный набор входных сигналов (иногда вместе с правильными выходными сигналами), по которым происходит обучение сети.

После обучения сети, то есть когда сеть выдает корректные результаты для всех входных сигналов из обучающей выборки, ее можно использовать на практике.

Однако прежде чем пускать свежеиспеченную нейросеть в бой, часто производят оценку качества ее работы на так называемой тестовой выборке .

Тестовая выборка (Testing set ) - конечный набор входных сигналов (иногда вместе с правильными выходными сигналами), по которым происходит оценка качества работы сети.

Мы поняли, что такое «обучение сети» – подбор правильного набора весов. Теперь возникает вопрос – а как можно обучать сеть? В самом общем случае есть два подхода, приводящие к разным результатам: обучение с учителем и обучение без учителя.

Обучение с учителем

Суть данного подхода заключается в том, что вы даете на вход сигнал, смотрите на ответ сети, а затем сравниваете его с уже готовым, правильным ответом.

Важный момент. Не путайте правильные ответы и известный алгоритм решения! Вы можете обвести пальцем лицо на фото (правильный ответ), но не сможете сказать, как это сделали (известный алгоритм). Тут такая же ситуация.

Затем, с помощью специальных алгоритмов, вы меняете веса связей нейронной сети и снова даете ей входной сигнал. Сравниваете ее ответ с правильным и повторяете этот процесс до тех пор, пока сеть не начнет отвечать с приемлемой точностью (как я говорил в 1 главе, однозначно точных ответов сеть давать не может).

Обучение с учителем (Supervised learning ) - вид обучения сети, при котором ее веса меняются так, чтобы ответы сети минимально отличались от уже готовых правильных ответов.

Где взять правильные ответы?

Если мы хотим, чтобы сеть узнавала лица, мы можем создать обучающую выборку на 1000 фотографий (входные сигналы) и самостоятельно выделить на ней лица (правильные ответы).

Если мы хотим, чтобы сеть прогнозировала рост/падение цен, то обучающую выборку надо делать, основываясь на прошлых данных. В качестве входных сигналов можно брать определенные дни, общее состояние рынка и другие параметры. А в качестве правильных ответов – рост и падение цены в те дни.

Стоит отметить, что учитель, конечно же, не обязательно человек. Дело в том, что порой сеть приходится тренировать часами и днями, совершая тысячи и десятки тысяч попыток. В 99% случаев эту роль выполняет компьютер, а точнее, специальная компьютерная программа.

Обучение без учителя

Обучение без учителя применяют тогда, когда у нас нет правильных ответов на входные сигналы. В этом случае вся обучающая выборка состоит из набора входных сигналов.

Что же происходит при таком обучении сети? Оказывается, что при таком «обучении» сеть начинает выделять классы подаваемых на вход сигналов. Короче говоря – сеть начинает кластеризацию.

Например, вы демонстрируете сети конфеты, пирожные и торты. Вы никак не регулируете работу сети. Вы просто подаете на ее входы данные о данном объекте. Со временем сеть начнет выдавать сигналы трех разных типов, которые и отвечают за объекты на входе.

Обучение без учителя (Unsupervised learning ) - вид обучения сети, при котором сеть самостоятельно классифицирует входные сигналы. Правильные (эталонные) выходные сигналы не демонстрируются.

Выводы

В этой главе вы узнали все о структуре искусственного нейрона, а также получили полное представление о том, как он работает (и о его математической модели).

Более того, вы теперь знаете о различных видах искусственных нейронных сетей: однослойные, многослойные, а также feedforward сети и сети с обратными связями.

Вы также ознакомились с тем, что представляет собой обучение сети с учителем и без учителя.

Вы уже знаете необходимую теорию. Последующие главы – рассмотрение конкретных видов нейронных сетей, конкретные алгоритмы их обучения и практика программирования.

Вопросы и задачи

Материал этой главы надо знать очень хорошо, так как в ней содержатся основные теоретические сведения по искусственным нейронным сетям. Обязательно добейтесь уверенных и правильных ответов на все нижеприведенные вопросы и задачи.

Опишите упрощения ИНС по сравнению с биологическими нейросетями.

1. Сложную и запутанную структуру биологических нейронных сетей упрощают и представляют в виде схем. Оставляют только модель обработки сигнала.

2. Природа электрических сигналов в нейронных сетях одна и та же. Разница только в их величине. Убираем электрические сигналы, а вместо них используем числа, обозначающие величину проходящего сигнала.

Функцию активации часто обозначают за ​\(\phi(net) \) ​.

Запишите математическую модель искусственного нейрона.

Искусственный нейрон c ​\(n \) ​ входами преобразовывает входной сигнал (число) в выходной сигнал (число) следующим образом:

\[ out=\phi\left(\sum\limits^n_{i=1}x_iw_i\right) \]

Чем отличаются однослойные и многослойные нейронные сети?

Однослойные нейронные сети состоят из одного вычислительного слоя нейронов. Входной слой подает сигналы сразу на выходной слой, который и преобразует сигнал, и сразу выдает результат.

Многослойные нейронные сети, помимо входного и выходного слоев, имеют еще и скрытые слои. Эти скрытые слои проводят какие-то внутренние промежуточные преобразования, наподобие этапов производства продуктов на заводе.

В чем отличие feedforward сетей от сетей с обратными связями?

Сети прямого распространения (feedforward сети) допускают прохождение сигнала только в одном направлении – от входов к выходам. Сети с обратными связями данных ограничений не имеют, и выходы нейронов могут вновь подаваться на входы.

Что такое обучающая выборка? В чем ее смысл?

Перед тем, как использовать сеть на практике (например, для решения текущих задач, ответов на которые у вас нет), необходимо собрать коллекцию задач с готовыми ответами, на которой и тренировать сеть. Это коллекция и называется обучающей выборкой.

Если собрать слишком маленький набор входных и выходных сигналов, то сеть просто запомнит ответы и цель обучения не будет достигнута.

Что понимают под обучением сети?

Под обучением сети понимают процесс изменения весовых коэффициентов искусственных нейронов сети с целью подобрать такую их комбинацию, которая преобразует входной сигнал в корректный выходной.

Что такое обучение с учителем и без него?

При обучении сети с учителем ей на входы подают сигналы, а затем сравнивают ее выход с заранее известным правильным выходом. Этот процесс повторяют до тех пор, пока не будет достигнута необходимая точность ответов.

Если сети только подают входные сигналы, без сравнения их с готовыми выходами, то сеть начинает самостоятельную классификацию этих входных сигналов. Другими словами она выполняет кластеризацию входных сигналов. Такое обучение называют обучением без учителя.

НЕЙРО́ННЫЕ СЕ́ТИ искусственные, многослойные высокопараллельные (т. е. с большим числом независимо параллельно работающих элементов) логические структуры, составленные из формальных нейронов. Начало теории нейронных сетей и нейрокомпьютеров положила работа американских нейрофизиологов У. Мак-Каллока и У. Питтса «Логическое исчисление идей, относящихся к нервной деятельности» (1943), в которой они предложили математическую модель биологического нейрона. Среди основополагающих работ следует выделить модель Д. Хэбба, который в 1949 г. предложил закон обучения, явившийся стартовой точкой для алгоритмов обучения искусственных нейронных сетей. На дальнейшее развитие теории нейронной сети существенное влияние оказала монография американского нейрофизиолога Ф. Розенблатта «Принципы нейродинамики», в которой он подробно описал схему перцептрона (устройства, моделирующего процесс восприятия информации человеческим мозгом). Его идеи получили развитие в научных работах многих авторов. В 1985–86 гг. теория нейронных сетей получила «технологический импульс», вызванный возможностью моделирования нейронных сетей на появившихся в то время доступных и высокопроизводительных персональных компьютерах . Теория нейронной сети продолжает достаточно активно развиваться в начале 21 века. По оценкам специалистов, в ближайшее время ожидается значительный технологический рост в области проектирования нейронных сетей и нейрокомпьютеров. За последние годы уже открыто немало новых возможностей нейронных сетей, а работы в данной области вносят существенный вклад в промышленность, науку и технологии, имеют большое экономическое значение.

Основные направления применения нейронных сетей

Потенциальными областями применения искусственных нейронных сетей являются те, где человеческий интеллект малоэффективен, а традиционные вычисления трудоёмки или физически неадекватны (т. е. не отражают или плохо отражают реальные физические процессы и объекты). Актуальность применения нейронных сетей (т. е. нейрокомпьютеров) многократно возрастает, когда появляется необходимость решения плохо формализованных зада ч. Основные области применения нейронных сетей: автоматизация процесса классификации, автоматизация прогнозирования, автоматизация процесса распознавания, автоматизация процесса принятия решений; управление, кодирование и декодирование информации; аппроксимация зависимостей и др.

С помощью нейронных сетей успешно решается важная задача в области телекоммуникаций – проектирование и оптимизация сетей связи (нахождение оптимального пути трафика между узлами). Кроме управления маршрутизацией потоков, нейронные сети используются для получения эффективных решений в области проектирования новых телекоммуникационных сетей.

Распознавание речи – одна из наиболее популярных областей применения нейронных сетей.

Ещё одна область – управление ценами и производством (потери от неоптимального планирования производства часто недооцениваются). Поскольку спрос и условия реализации продукции зависят от времени, сезона, курсов валют и многих других факторов, то и объём производства должен гибко варьироваться с целью оптимального использования ресурсов (нейросетевая система обнаруживает сложные зависимости между затратами на рекламу, объёмами продаж, ценой, ценами конкурентов, днём недели, сезоном и т. д.). В результате использования системы осуществляется выбор оптимальной стратегии производства с точки зрения максимизации объёма продаж или прибыли.

При анализе потребительского рынка (маркетинг), когда обычные (классические) методы прогнозирования отклика потребителей могут быть недостаточно точны, используется прогнозирующая нейросетевая система с адаптивной архитектурой нейросимулятора.

Исследование спроса позволяет сохранить бизнес компании в условиях конкуренции, т. е. поддерживать постоянный контакт с потребителями через «обратную связь». Крупные компании проводят опросы потребителей, позволяющие выяснить, какие факторы являются для них решающими при покупке данного товара или услуги, почему в некоторых случаях предпочтение отдаётся конкурентам и какие товары потребитель хотел бы увидеть в будущем. Анализ результатов такого опроса – достаточно сложная задача, так как существует большое число коррелированных параметров. Нейросетевая система позволяет выявлять сложные зависимости между факторами спроса, прогнозировать поведение потребителей при изменении маркетинговой политики, находить наиболее значимые факторы и оптимальные стратегии рекламы, а также очерчивать сегмент потребителей, наиболее перспективный для данного товара.

В медицинской диагностике нейронные сети применяются, например, для диагностики слуха у грудных детей. Система объективной диагностики обрабатывает зарегистрированные «вызванные потенциалы» (отклики мозга), проявляющиеся в виде всплесков на электроэнцефалограмме, в ответ на звуковой раздражитель, синтезируемый в процессе обследования. Обычно для уверенной диагностики слуха ребёнка опытному эксперту-аудиологу необходимо провести до 2000 тестов, что занимает около часа. Система на основе нейронной сети способна с той же достоверностью определить уровень слуха уже по 200 наблюдениям в течение всего нескольких минут, причём без участия квалифицированного персонала.

Нейронные сети применяются также для прогнозирования краткосрочных и долгосрочных тенденций в различных областях (финансовой, экономической, банковской и др.).

Структура нейронных сетей

Нервная система и мозг человека состоят из нейронов, соединённых между собой нервными волокнами. Нервные волокна способны передавать электрические импульсы между нейронами. Все процессы передачи раздражений от нашей кожи, ушей и глаз к мозгу, процессы мышления и управления действиями – всё это реализовано в живом организме как передача электрических импульсов между нейронами.

Биологический нейрон (Cell) имеет ядро (Nucleus), а также отростки нервных волокон двух типов (рис. 1) – дендриты (Dendrites), по которым принимаются импульсы (Carries signals in), и единственный аксон (Axon), по которому нейрон может передавать импульс (Carries signals away). Аксон контактирует с дендритами других нейронов через специальные образования – синапсы (Synapses), которые влияют на силу передаваемого импульса. Структура, состоящая из совокупности большого количества таких нейронов, получила название биологической (или естественной) нейронной сети.

Появление формального нейрона во многом обусловлено изучением биологических нейронов. Формальный нейрон (далее – нейрон) является основой любой искусственной нейронной сети. Нейроны представляют собой относительно простые, однотипные элементы, имитирующие работу нейронов мозга. Каждый нейрон характеризуется своим текущим состоянием по аналогии с нервными клетками головного мозга, которые могут быть возбуждены и заторможены. Искусственный нейрон, так же как и его естественный прототип, имеет группу синапсов (входов ), которые соединены с выходами других нейронов, а также аксон – выходную связь данного нейрона, откуда сигнал возбуждения или торможения поступает на синапсы других нейронов.

Фор­маль­ный ней­рон пред­став­ля­ет со­бой ло­гический эле­мент с $N$ вхо­да­ми, ($N+1$ ) ве­со­вы­ми ко­эф­фи­ци­ен­та­ми, сум­ма­то­ром и не­ли­ней­ным пре­об­ра­зо­ва­те­лем. Про­стей­ший фор­маль­ный ней­рон, осу­ще­ст­в­ляю­щий ло­гическое пре­обра­зо­ва­ние $y = \text{sign}\sum_{i=0}^{N}a_ix_i$ вход­ных сигна­лов (ко­то­ры­ми, напр., яв­ля­ют­ся вы­ход­ные сиг­на­лы др. фор­маль­ных ней­ро­нов Н. с.) в вы­ход­ной сигнал, пред­став­лен на рис. 1.

Здесь $y$ – зна­че­ние вы­хо­да фор­маль­но­го ней­ро­на; $a_i$ – ве­со­вые ко­эф­фи­ци­ен­ты; $x_i$ – вход­ные зна­че­ния фор­маль­но­го ней­ро­на ($x_i∈\left \{0,1\right \},\; x_0=1$ ). Про­цесс вы­чис­ле­ния вы­ход­но­го зна­че­ния фор­маль­но­го ней­ро­на пред­став­ля­ет со­бой дви­же­ние по­то­ка дан­ных и их пре­об­ра­зо­ва­ние. Сна­ча­ла дан­ные по­сту­па­ют на блок вхо­да фор­маль­но­го ней­ро­на, где про­ис­хо­дит ум­но­же­ние ис­ход­ных дан­ных на со­от­вет­ст­вую­щие ве­со­вые ко­эф­фи­ци­ен­ты, т. н. синоптические веса (в соответствии с синапсами биологических нейронов). Ве­со­вой ко­эф­фи­ци­ент яв­ля­ет­ся ме­рой, ко­то­рая оп­ре­де­ля­ет, на­сколь­ко со­от­вет­ст­вую­щее вход­ное зна­че­ние влия­ет на со­стоя­ние фор­маль­но­го ней­ро­на. Ве­со­вые ко­эф­фи­ци­ен­ты мо­гут из­ме­нять­ся в со­от­вет­ст­вии с обу­чаю­щи­ми при­мера­ми, ар­хи­тек­ту­рой Н. с., пра­ви­ла­ми обу­че­ния и др. По­лу­чен­ные (при ум­но­же­нии) зна­че­ния пре­об­ра­зу­ют­ся в сум­ма­то­ре в од­но чи­сло­вое зна­че­ние $g$ (по­сред­ст­вом сум­ми­ро­ва­ния). За­тем для оп­ре­де­ле­ния выхо­да фор­маль­но­го ней­ро­на в бло­ке не­ли­ней­но­го пре­об­ра­зо­ва­ния (реа­ли­зую­ще­го пе­ре­да­точ­ную функ­цию) $g$ срав­ни­ва­ет­ся с не­ко­то­рым чис­лом (по­ро­гом). Ес­ли сум­ма боль­ше зна­че­ния по­ро­га, фор­маль­ный ней­рон ге­не­ри­ру­ет сиг­нал, в про­тив­ном слу­чае сиг­нал бу­дет ну­ле­вым или тор­мо­зя­щим. В дан­ном фор­маль­ном ней­ро­не при­ме­ня­ет­ся не­ли­ней­ное пре­об­ра­зо­ва­ние$$\text{sign}(g)= \begin{cases} 0,\; g < 0 \\ 1,\; g ⩾ 0 \end{cases},\quad \text{где}\,\,g = \sum_{i=0}^N a_i x_i.$$

Выбор структуры нейронной сети осуществляется в соответствии с особенностями и сложностью задачи. Теоретически число слоёв и число нейронов в каждом слое нейронной сети может быть произвольным, однако фактически оно ограничено ресурсами компьютера или специализированной микросхемы, на которых обычно реализуется нейронная сеть. При этом если в качестве активационной функции для всех нейронов сети используется функция единичного скачка, нейронная сеть называется многослойным персептроно м.

На рис. 3 показана общая схема многослойной нейронной сети с последовательными связями. Высокий параллелизм обработки достигается путём объединения большого числа формальных нейронов в слои и соединения определённым образом различных нейронов между собой.

В общем случае в эту структуру могут быть введены перекрёстные и обратные связи с настраиваемыми весовыми коэффициентами (рис. 4).

Нейронные сети являются сложными нелинейными системами с огромным числом степеней свободы. Принцип, по которому они обрабатывают информацию, отличается от принципа, используемого в компьютерах на основе процессоров с фон-неймановской архитектурой – с логическим базисом И, ИЛИ, НЕ (см. Дж. фон Нейман , Вычислительная машина ). Вместо классического программирования (как в традиционных вычислительных системах) применяется обучение нейронной сети, которое сводится, как правило, к настройке весовых коэффициентов с целью оптимизации заданного критерия качества функционирования нейронной сети.

Нейросетевые алгоритмы

Нейросетевым алгоритмом решения задач называется вычислительная процедура, полностью или по большей части реализованная в виде нейронной сети той или иной структуры (например, многослойная нейронная сеть с последовательными или перекрёстными связями между слоями формальных нейронов) с соответствующим алгоритмом настройки весовых коэффициентов. Основой разработки нейросетевого алгоритма является системный подход, при котором процесс решения задачи представляется как функционирование во времени некоторой динамической системы. Для её построения необходимо определить: объект, выступающий в роли входного сигнала нейронной сети; объект, выступающий в роли выходного сигнала нейронной сети (например, непосредственно решение или некоторая его характеристика); желаемый (требуемый) выходной сигнал нейронной сети; структуру нейронной сети (число слоёв, связи между слоями, объекты, служащие весовыми коэффициентами); функцию ошибки системы (характеризующую отклонение желаемого выходного сигнала нейронной сети от реального выходного сигнала); критерий качества системы и функционал её оптимизации, зависящий от ошибки; значение весовых коэффициентов (например, определяемых аналитически непосредственно из постановки задачи, с помощью некоторых численных методов или процедуры настройки весовых коэффициентов нейронной сети).

Количество и тип формальных нейронов в слоях, а также число слоёв нейронов выбираются исходя из специфики решаемых задач и требуемого качества решения. Нейронная сеть в процессе настройки на решение конкретной задачи рассматривается как многомерная нелинейная система, которая в итерационном режиме целенаправленно ищет оптимум некоторого функционала, количественно определяющего качество решения поставленной задачи. Для нейронных сетей, как многомерных нелинейных объектов управления, формируются алгоритмы настройки множества весовых коэффициентов. Основные этапы исследования нейронной сети и построения алгоритмов настройки (адаптации) их весовых коэффициентов включают: исследование характеристик входного сигнала для различных режимов работы нейронной сети (входным сигналом нейронной сети является, как правило, входная обрабатываемая информация и указание так называемого «учител я» нейронной сети); выбор критериев оптимизации (при вероятностной модели внешнего мира такими критериями могут быть минимум средней функции риска, максимум апостериорной вероятности, в частности при наличии ограничений на отдельные составляющие средней функции риска); разработку алгоритма поиска экстремумов функционалов оптимизации (например, для реализации алгоритмов поиска локальных и глобального экстремумов); построение алгоритмов адаптации коэффициентов нейронной сети; анализ надёжности и методов диагностики нейронной сети и др.

Необходимо отметить, что введение обратных связей и, как следствие, разработка алгоритмов настройки их коэффициентов в 1960–80 годы имели чисто теоретический смысл, т. к. не было практических задач, адекватных таким структурам. Лишь в конце 1980-х – начале 1990-х годов стали появляться такие задачи и простейшие структуры с настраиваемыми обратными связями для их решения (так называемые рекуррентные нейронные сети). Разработчики в области нейросетевых технологий занимались не только созданием алгоритмов настройки многослойных нейронных сетей и нейросетевыми алгоритмами решения различных задач, но и наиболее эффективными (на текущий момент развития технологии электроники) аппаратными эмуляторами (особые программы, которые предназначены для запуска одной системы в оболочке другой) нейросетевых алгоритмов. В 1960-е годы, до появления микропроцессора, наиболее эффективными эмуляторами нейронных сетей были аналоговые реализации разомкнутых нейронных сетей с разработанными алгоритмами настройки на универсальных ЭВМ (иногда системы на адаптивных элементах с аналоговой памятью). Такой уровень развития электроники делал актуальным введение перекрёстных связей в структуры нейронных сетей. Это приводило к значительному уменьшению числа нейронов в нейронной сети при сохранении качества решения задачи (например, дискриминантной способности при решении задач распознавания образов). Исследования 1960–70-х годов в области оптимизации структур нейронных сетей с перекрёстными связями наверняка найдут развитие при реализации мемристорных нейронных систем [мемристор (memristor, от memory – память, и resistor – электрическое сопротивление), пассивный элемент в микроэлектронике, способный изменять своё сопротивление в зависимости от протекавшего через него заряда], с учётом их специфики в части аналого-цифровой обработки информации и весьма значительного количества настраиваемых коэффициентов. Специфические требования прикладных задач определяли некоторые особенности структур нейронных сетей с помощью алгоритмов настройки: континуум (от лат. continuum – непрерывное, сплошное) числа классов, когда указание «учителя» системы формируется в виде непрерывного значения функции в некотором диапазоне изменения; континуум решений многослойной нейронной сети, формируемый выбором континуальной функции активации нейрона последнего слоя; континуум числа признаков, формируемый переходом в пространстве признаков от представления выходного сигнала в виде $N$ -мерного вектора вещественных чисел к вещественной функции в некотором диапазоне изменения аргумента; континуум числа признаков, как следствие, требует специфической программной и аппаратной реализации нейронной сети; вариант континуума признаков входного пространства был реализован в задаче распознавания периодических сигналов без преобразования их с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) на входе системы, и реализацией аналого-цифровой многослойной нейронной сети; континуум числа нейронов в слое; реализация многослойных нейронных сетей с континуумом классов и решений проводится выбором соответствующих видов функций активации нейронов последнего слоя.

В таблице показан систематизированный набор вариантов алгоритмов настройки многослойных нейронных сетей в пространстве «Входной сигнал – пространство решений». Представлено множество вариантов характеристик входных и выходных сигналов нейронных сетей, для которых справедливы алгоритмы настройки коэффициентов, разработанных российской научной школой в 1960–70 годах. Сигнал на вход нейронной сети описывается количеством классов (градаций) образов, представляющих указания «учителя». Выходной сигнал нейронной сети представляет собой количественное описание пространства решений. В таблице дана классификация вариантов функционирования нейронных сетей для различных видов входного сигнала (2 класса, $K$ классов, континуум классов) и различных вариантов количественного описания пространства решений (2 решения, $K_p$ решений, континуум решений). Цифрами 1, 7, 8 представлены конкретные варианты функционирования нейронных сетей.

Таблица. Набор вариантов алгоритмов настройки

Пространство(число) решений	Входной сигнал
	2 класса		$K$ классов		Континуум классов
2	1		7		8
$K_p$	$K_p=3$	3а	$K\lt K_p$	9	10
			$K = K_p$	2
	$K_p =\text{const}$	3б	$K\gt K_p$	4
Континуум	5		6		11

Основными преимуществами нейронных сетей как логического базиса алгоритмов решения сложных задач являются: инвариантность (неизменность, независимость) методов синтеза нейронных сетей от размерности пространства признаков; возможность выбора структуры нейронных сетей в значительном диапазоне параметров в зависимости от сложности и специфики решаемой задачи с целью достижения требуемого качества решения; адекватность текущим и перспективным технологиям микроэлектроники; отказоустойчивость в смысле его небольшого, а не катастрофического изменения качества решения задачи в зависимости от числа вышедших из строя элементов.

Нейронные сети – частный вид объекта управления в адаптивной системе

Нейронные сети явились в теории управления одним из первых примеров перехода от управления простейшими линейными стационарными системами к управлению сложными нелинейными, нестационарными, многомерными, многосвязными системами. Во второй половине 1960-х годов родилась методика синтеза нейронных сетей, которая развивалась и успешно применялась в течение последующих почти пятидесяти лет. Общая структура этой методики представлена на рис. 5.

Входные сигналы нейронных сетей

Вероятностная модель окружающего мира является основой нейросетевых технологий. Подобная модель – основа математической статистики. Нейронные сети возникли как раз в то время, когда экспериментаторы, использующие методы математической статистики, задали себе вопрос: «А почему мы обязаны описывать функции распределения входных случайных сигналов в виде конкретных аналитических выражений (нормальное распределение, распределение Пуассона и т. д.)? Если это правильно и на это есть какая-то физическая причина, то задача обработки случайных сигналов становится достаточно простой».

Специалисты по нейросетевым технологиям сказали: «Мы ничего не знаем о функции распределения входных сигналов, мы отказываемся от необходимости формального описания функции распределения входных сигналов, даже если сузим класс решаемых задач. Мы считаем функции распределения входных сигналов сложными, неизвестными и будем решать частные конкретные задачи в условиях подобной априорной неопределённости (т. е. неполноты описания; нет информации и о возможных результатах)». Именно поэтому нейронные сети в начале 1960-х годов эффективно применялись при решении задач распознавания образов. Причём задача распознавания образов трактовалась как задача аппроксимации многомерной случайной функции, принимающей $K$ значений, где $K$ – число классов образов.

Ниже отмечены некоторые режимы работы многослойных нейронных сетей, определяемые характеристиками случайных входных сигналов, для которых ещё в конце 1960-х годов были разработаны алгоритмы настройки коэффициентов.

Обучение нейронных сетей

Очевидно, что функционирование нейронной сети, т. е. действия, которые она способна выполнять, зависит от величин синоптических связей. Поэтому, задавшись структурой нейронной сети, отвечающей определённой задаче, разработчик должен найти оптимальные значения для всех весовых коэффициентов $w$ . Этот этап называется обучением нейронной сети, и от того, насколько качественно он будет выполнен, зависит способность сети решать во время эксплуатации поставленные перед ней проблемы. Важнейшими параметрами обучения являются: качество подбора весовых коэффициентов и время, которое необходимо затратить на обучение. Как правило, два этих параметра связаны между собой обратной зависимостью и их приходится выбирать на основе компромисса. В настоящее время все алгоритмы обучения нейронных сетей можно разделить на два больших класса: «с учителем» и «без учителя».

Априорные вероятности появления классов

При всей недостаточности априорной информации о функциях распределения входных сигналов игнорирование некоторой полезной информации может привести к потере качества решения задачи. Это в первую очередь касается априорных вероятностей появления классов. Были разработаны алгоритмы настройки многослойных нейронных сетей с учётом имеющейся информации об априорных вероятностях появления классов. Это имеет место в таких задачах, как распознавание букв в тексте, когда для данного языка вероятность появления каждой буквы известна и эту информацию необходимо использовать при построении алгоритма настройки коэффициентов многослойной нейронной сети.

Квалификация «учителя»

Нейронной сети предъявляются значения как входных, так и выходных параметров, и она по некоторому внутреннему алгоритму подстраивает веса своих синаптических связей. Обучение «с учителем» предполагает, что для каждого входного вектора существует целевой вектор, представляющий собой требуемый выход. В общем случае квалификация «учителя» может быть различной для различных классов образов. Вместе они называются представительской или обучающей выборко й. Обычно нейронная сеть обучается на некотором числе таких выборок. Предъявляется выходной вектор, вычисляется выход нейронной сети и сравнивается с соответствующим целевым вектором, разность (ошибка) с помощью обратной связи подаётся в нейронную сеть, и веса изменяются в соответствии с алгоритмом, стремящимся минимизировать ошибку. Векторы обучающего множества предъявляются последовательно, вычисляются ошибки и веса подстраиваются для каждого вектора до тех пор, пока ошибка по всему обучающему массиву не достигнет приемлемо низкого уровня.

В задачах распознавания образов, как правило, по умолчанию квалификация «учителя» является полной, т.е. вероятность правильного отнесения «учителем» образов к тому или иному классу равна единице. На практике при наличии косвенных измерений это зачастую не соответствует действительности, например в задачах медицинской диагностики, когда при верификации (проверке) архива медицинских данных, предназначенных для обучения, вероятность отнесения этих данных к тому или иному заболеванию не равна единице. Введение понятия квалификации «учителя» позволило разработать единые алгоритмы настройки коэффициентов многослойных нейронных сетей для режимов обучения, обучения «с учителем», обладающим конечной квалификацией, и самообучения (кластеризации), когда при наличии $K$ или двух классов образов квалификация «учителя» (вероятность отнесения образов к тому или иному классу) равна $\frac {1} {K}$ или 1 / 2 . Введение понятия квалификации «учителя» в системах распознавания образов позволило чисто теоретически рассмотреть режимы «вредительства» системе, когда ей сообщается заведомо ложное (с различной степенью ложности) отнесение образов к тому или иному классу. Данный режим настройки коэффициентов многослойной нейронной сети пока не нашёл практического применения.

Кластеризация

Кластеризация (самообучение, обучение «без учителя») – это частный режим работы многослойных нейронных сетей, когда системе не сообщается информация о принадлежности образцов к тому или иному классу. Нейронной сети предъявляются только входные сигналы, а выходы сети формируются самостоятельно с учётом только входных и производных от них сигналов. Несмотря на многочисленные прикладные достижения, обучение «с учителем» критиковалось за биологическую неправдоподобность. Трудно вообразить обучающий механизм в естественном человеческом интеллекте, который сравнивал бы желаемые и действительные значения выходов, выполняя коррекцию с помощью обратной связи. Если допустить подобный механизм в человеческом мозге, то откуда тогда возникают желаемые выходы? Обучение «без учителя» является более правдоподобной моделью обучения в биологической системе. Она не нуждается в целевом векторе для выходов и, следовательно, не требует сравнения с предопределёнными идеальными ответами. Обучающее множество состоит лишь из входных векторов. Обучающий алгоритм подстраивает веса нейронной сети так, чтобы получались согласованные выходные векторы, т. е. чтобы предъявление достаточно близких входных векторов давало одинаковые выходы. Процесс обучения, следовательно, выделяет статистические свойства обучающего множества и группирует сходные векторы в классы. Предъявление на вход вектора из данного класса даст определённый выходной вектор, но до обучения невозможно предсказать, какой выход будет производиться данным классом входных векторов. Следовательно, выходы подобной сети должны трансформироваться в некоторую понятную форму, обусловленную процессом обучения. Это не является серьёзной проблемой. Обычно не сложно идентифицировать связь между входом и выходом, установленную сетью.

Кластеризации посвящено множество научных работ. Основная задача кластеризации заключается в обработке множества векторов в многомерном пространстве признаков с выделением компактных подмножеств (подмножеств, близко расположенных друг к другу), их количества и свойств. Наиболее распространённым методом кластеризации является метод «$K$ -means», практически не связанный с методами обратного распространения и не обобщаемый на архитектуры типа многослойных нейронных сетей.

Введение понятия квалификации «учителя» и единого подхода к обучению и самообучению в 1960-е годы позволило фактически создать основу для реализации режима кластеризации в многослойных нейронных сетях широкого класса структур.

Нестационарные образы

Существующие разработки в области систем распознавания образов на базе многослойных нейронных сетей в основном относятся к стационарным образам, т.е. к случайным входным сигналам, имеющим сложные неизвестные, но стационарные во времени функции распределения. В некоторых работах была сделана попытка распространить предлагаемую методику настройки многослойных нейронных сетей на нестационарные образы, когда предполагаемая неизвестная функции распределения входного сигнала зависит от времени или входной случайный сигнал является суперпозицией регулярной составляющей и случайной составляющей с неизвестной сложной функцией распределения, не зависящей от времени.

О критериях первичной оптимизации в многослойных нейронных сетях

Вероятностная модель мира, взятая за основу при построении алгоритмов адаптации в многослойных нейронных сетях, позволила формировать критерий первичной оптимизации в рассматриваемых системах в виде требований минимума средней функции риска и его модификаций: максимум апостериорной вероятности (условная вероятность случайного события при условии того, что известны апостериорные, т. е. основанные на опыте, данные); минимум средней функции риска; минимум средней функции риска при условии равенства условных функций риска для различных классов; минимум средней функции риска при условии заданного значения условной функции риска для одного из классов; другие критерии первичной оптимизации, вытекающие из требований конкретной практической задачи. В работах российских учёных были представлены модификации алгоритмов настройки многослойных нейронных сетей для указанных выше критериев первичной оптимизации. Отметим, что в подавляющем большинстве работ в области теории нейронных сетей и в алгоритмах обратного распространения рассматривается простейший критерий – минимум среднеквадратической ошибки, без каких бы то ни было ограничений на условные функции риска.

В режиме самообучения (кластеризации) предпосылкой формирования критерия и функционала первичной оптимизации нейронных сетей служит представление функции распределения входного сигнала в виде многомодальной функции в многомерном пространстве признаков, где каждой моде с некоторой вероятностью соответствует класс. В качестве критериев первичной оптимизации в режиме самообучения использовались модификации средней функции риска.

Представленные модификации критериев первичной оптимизации были обобщены на случаи континуума классов и решений; континуума признаков входного пространства; континуума числа нейронов в слое; при произвольной квалификации учителя. Важным разделом формирования критерия и функционала первичной оптимизации в многослойных нейронных сетях при вероятностной модели мира является выбор матрицы потерь, которая в теории статистических решений определяет коэффициент потерь $L_{12}$ при ошибочном отнесении образов 1-го класса ко 2-му и коэффициент потерь $L_{21}$ при отнесении образов 2-го класса к 1-му. Как правило, по умолчанию матрица $L$ этих коэффициентов при синтезе алгоритмов настройки многослойных нейронных сетей, в том числе и при применении метода обратного распространения, принимается симметричной. На практике это не соответствует действительности. Характерным примером является система обнаружения мин с применением геолокатора. В этом случае потери при ошибочном отнесении камня к мине равнозначны некоторой небольшой потере времени пользователем геолокатора. Потери, связанные с ошибочным отнесением мины к классу камней, связаны с жизнью или значительной потерей здоровья пользователями геолокатора.

Анализ разомкнутых нейронных сетей

Данный этап синтеза ставит своей целью определение в общем виде статистических характеристик выходных и промежуточных сигналов нейронных сетей как многомерных, нелинейных объектов управления с целью дальнейшего формирования критерия и функционала вторичной оптимизации, т. е. функционала, реально оптимизируемого алгоритмом адаптации в конкретной нейронной сети. В подавляющем большинстве работ в качестве такого функционала принимается среднеквадратическая ошибка, что ухудшает качество решения или вообще не соответствует задаче оптимизации, поставленной критерием первичной оптимизации.

Разработаны методика и алгоритмы формирования функционала вторичной оптимизации, соответствующего заданному функционалу первичной оптимизации.

Алгоритмы поиска экстремума функционалов вторичной оптимизации

Алгоритм поиска экстремума применительно к конкретному функционалу вторичной оптимизации определяет алгоритм настройки коэффициентов многослойной нейронной сети. В начале 21 века наибольший практический интерес представляют подобные алгоритмы, реализованные в системе MatLab (сокращение от англ. «Matrix Laboratory» – пакет прикладных программ для решения задач технических вычислений и одноимённый язык программирования). Однако необходимо отметить частность алгоритмов адаптации в многослойных нейронных сетях, используемых в системах MatLab (Neural Network Toolbox – предоставляет функции и приложения для моделирования сложных нелинейных систем, которые описываются уравнениями; поддерживает обучение «с учителем» и «без учителя», прямым распространением, с радиальными базисными функциями и др.), и ориентацию этих алгоритмов не на специфику решаемых задач, а на воображаемую «геометрию» функционалов вторичной оптимизации. Эти алгоритмы не учитывают многих деталей специфики применения многослойных нейронных сетей при решении конкретных задач и, естественно, требуют коренной, если не принципиальной, переработки при переходе к мемристорным нейронным системам. Был проведён детальный сравнительный анализ метода обратного распространения и российских методов 1960–70-х годов. Основная особенность данных алгоритмов заключается в необходимости поиска локальных и глобального экстремумов многоэкстремального функционала в многомерном пространстве настраиваемых коэффициентов нейронной сети. Рост размеров нейронной сети ведёт к значительному росту числа настраиваемых коэффициентов, т. е. к росту размерности пространства поиска. Ещё в 1960-х годах в работах предлагались поисковые и аналитические процедуры расчёта градиента функционала вторичной оптимизации, а в классе аналитических процедур предлагалось и исследовалось применение для организации поиска не только первой, но и второй производной функционала вторичной оптимизации. Специфика многоэкстремальности функционала вторичной оптимизации привела в течение последующих десятилетий к появлению различных модификаций методов поиска (генетические алгоритмы и т. п.). Созданы алгоритмы поиска экстремумов функционалов вторичной оптимизации с ограничениями на величину, скорость и другие параметры весовых коэффициентов нейронных сетей. Именно эти методы должны быть основой работ по методам настройки нейронных сетей с применением мемристоров (весовых коэффициентов) с учётом таких специфических характеристик, как передаточные функции.

Начальные условия при настройке коэффициентов

Выбор начальных условий итерационной процедуры поиска экстремумов функционалов вторичной оптимизации является важным этапом синтеза алгоритмов настройки многослойных нейронных сетей. Задача выбора начальных условий должна решаться специфически для каждой задачи, решаемой нейронной сетью, и быть неотъемлемой составляющей общей процедуры синтеза алгоритмов настройки многослойных нейронных сетей. Качественное решение этой задачи в значительной степени может сократить время настройки. Априорная сложность функционала вторичной оптимизации сделала необходимой введение процедуры выбора начальных условий в виде случайных значений коэффициентов с повторением этой процедуры и процедуры настройки коэффициентов. Эта процедура ещё в 1960-е годы казалась чрезвычайно избыточной с точки зрения времени, затрачиваемого на настройку коэффициентов. Однако, несмотря на это, она достаточно широко применяется и в настоящее время. Для отдельных задач тогда же была принята идея выбора начальных условий, специфических для данной решаемой задачи. Такая процедура была отработана для трёх задач: распознавание образов; кластеризация; нейроидентификация нелинейных динамических объектов.

Память в контуре настройки коэффициентов

Системный подход к построению алгоритмов поиска экстремума функционала вторичной оптимизации предполагает в качестве одного из режимов настройки перенастройку коэффициентов в каждом такте поступления образов на входе по текущему значению градиента функционала вторичной оптимизации. Разработаны алгоритмы настройки многослойных нейронных сетей с фильтрацией последовательности значений градиентов функционала вторичной оптимизации: фильтром нулевого порядка с памятью $m_n$ (для стационарных образов); фильтром $1, …, k$ -го порядка с памятью $m_n$ (для нестационарных образов) с различной гипотезой изменения во времени функций распределения для образов различных классов.

Исследование алгоритмов адаптации в нейронных сетях

Главный вопрос – как выбрать структуру многослойной нейронной сети для решения выбранной конкретной задачи – до сих пор в значительной степени не решён. Можно предложить лишь разумный направленный перебор вариантов структур с оценкой их эффективности в процессе решения задачи. Однако оценка качества работы алгоритма настройки на конкретной выбранной структуре, конкретной задаче может быть недостаточно корректной. Так, для оценки качества работы линейных динамических систем управления применяются типовые входные сигналы (ступенчатый, квадратичный и т. д.), по реакции на которые оцениваются установившаяся ошибка (астатизм системы) и ошибки в переходных процессах.

Подобно этому, для многослойных нейронных сетей были разработаны типовые входные сигналы для проверки и сравнения работоспособности различных алгоритмов настройки. Естественно, что типовые входные сигналы для таких объектов, как многослойные нейронные сети, являются специфическими для каждой решаемой задачи. В первую очередь были разработаны типовые входные сигналы для следующих задач: распознавание образов; кластеризация; нейроуправление динамическими объектами.

Основным аксиоматическим принципом применения нейросетевых технологий вместо методов классической математической статистики является отказ от формализованного описания функций распределения вероятностей для входных сигналов и принятие концепции неизвестных, сложных функций распределения. Именно по этой причине были предложены следующие типовые входные сигналы.

Для задачи кластеризации была предложена выборка случайного сигнала с многомодальным распределением, реализуемая в $N$ -мерном пространстве признаков с модами функции распределения, центры которых в количестве $Z$ размещаются на гипербиссектрисе $N$ -мерного пространства признаков. Каждая мода реализует составляющую случайной выборки с нормальным распределением и среднеквадратичным отклонением $σ$ , равным для каждой из $Z$ мод. Предметом сравнения различных методов кластеризации будет динамика настройки и качество решения задачи в зависимости от $N$ , $Z$ и $σ$ , при достаточно большой случайной выборке $M$ . Этот подход можно считать одним из первых достаточно объективных подходов к сравнению алгоритмов кластеризации, в том числе основанных на многослойных нейронных сетях c соответствующим выбором структуры для достижения необходимого качества кластеризации. Для задач классификации входные сигналы для испытаний аналогичны сигналам для кластеризации с тем изменением, что выборка с многомодальным распределением делится надвое (в случае двух классов) или на $K$ (в случае $K$ классов) частей с перемежающимися модами функции распределения для отдельных классов.

Нейронные сети с переменной структурой

Отказ в нейросетевых технологиях от априорной информации, от информации о функциях распределения входных сигналов приводит к необходимости реализации разумного перебора параметров структуры многослойных нейронных сетей для обеспечения необходимого качества решения задачи.

В 1960-е годы для весьма актуального в то время класса задач – распознавания образов – была предложена процедура настройки многослойных нейронных сетей, в которой структура априори не фиксируется, а является результатом настройки наряду со значениями настраиваемых коэффициентов. При этом в процессе настройки выбираются число слоёв и число нейронов в слоях. Процедура настройки коэффициентов многослойной нейронной сети с переменной структурой легко переносится с задачи распознавания двух классов образов на задачу распознавания $K$ классов образов. Причём здесь результатом настройки являются $K$ нейронных сетей, в каждой из которых первым классом является $k$ -й класс ($k = 1, \ldots, K$ ), а вторым все остальные. Подобная идея настройки многослойных нейронных сетей с переменной структурой применима и к решению задачи кластеризации. При этом в качестве первого класса образов принимается исходная анализируемая выборка, а в качестве второго класса – выборка с равномерным распределением в диапазоне изменения признаков. Реализуемая в процессе настройки многослойная нейронная сеть с переменной структурой качественно и количественно отражает сложность решения задачи. С этой точки зрения задача кластеризации как задача рождения новых знаний об изучаемом объекте заключается в выделении и анализе тех областей многомерного пространства признаков, в которых функция распределения вероятностей превышает уровень равномерного распределения в диапазоне изменения величин признаков.

Перспективы развития

В начале 21 века одной из основных концепций развития (обучения) многослойной нейронной сети является стремление к увеличению числа слоёв, а это предполагает обеспечение выбора структуры нейронной сети, адекватной решаемой задаче, разработку новых методов для формирования алгоритмов настройки коэффициентов. Достоинствами нейронных сетей являются: свойство т.н. постепенной деградации − при выходе из строя отдельных элементов качество работы системы падает постепенно (для сравнения, логические сети из элементов И, ИЛИ, НЕ выходят из строя при нарушении работы любого элемента сети); повышенная устойчивость к изменению параметров схем, их реализующих (например, весьма значительные изменения весов не приводят к ошибкам в реализации простой логической функции двух переменных) и др.

Широкое распространение нейросетевых алгоритмов в области сложных формализуемых, слабоформализуемых и неформализуемых задач привело к созданию нового направления в вычислительной математике – нейроматематики . Нейроматематика включает нейросетевые алгоритмы решения следующих задач: распознавание образов; оптимизация и экстраполяция функций; теории графов; криптографические задачи; решение вещественных и булевских систем линейных и нелинейных уравнений, обыкновенных одномерных и многомерных дифференциальных уравнений, дифференциальных уравнений в частных производных и др. На основе теории нейронных сетей создан новый раздел современной теории управления сложными нелинейными и многомерными, многосвязными динамическими системами – нейроуправление , включающий методы нейросетевой идентификации сложных динамических объектов; построение нейрорегуляторов в контурах управления сложными динамическими объектами и др.

Нейронные сети - математические модели, а также их программные или аппаратные реализации, построенные по принципу организации и функционирования биологических нейронных сетей - сетей нервных клеток живого организма.

Понятие нейронных сетей возникло при изучении процессов, протекающих в мозге при мышлении, и при попытке смоделировать эти процессы. Нейронная сеть представляет собой систему соединенных между собой простых процессоров (нейронов). Они довольно просты, и каждый из них обрабатывает входящие сигналы и посылает их другим процессорам. Будучи соединенными в достаточно большую сеть с управляемым взаимодействием, такие локально простые процессоры вместе способны выполнять довольно сложные задачи.

Нейронные сети способны обучаться, в чем и заключается одно из главных их преимуществ перед традиционными алгоритмами. Если рассмотреть вопрос их обучения с технической точки зрения, то можно понять, что состоит он в нахождении коэффициентов связей между нейронами, синапсов. В процессе обучения нейронная сеть способна выявлять сложные зависимости между входными данными и выходными, а также выполнять обобщение - эти зависимости и определяют веса. Это значит, что в случае успешного обучения сеть сможет вернуть верный результат на основании данных, которые отсутствовали в обучающей выборке.

Построение нейронных сетей можно условно разделить на 2 больших этапа:

• 1. Выбор типа (архитектуры) нейронной сети.
• 2. Подбор весов (обучение) нейронной сети

Что касается первого этапа, то во время него происходит вся основная работа создателя: определяется какие нейроны необходимо использовать в контексте поставленной задаче (число входящих сигналов, передаточные функции); выбирается способ соединения нейронов между собой; принимается решение что взять в качестве входов и выходов нейронной сети; определяется топология данной сети (количество внутренних слоев) и т.д. Не для каждой задачи есть смысл создания уникального набора параметров, т.к. существует множество уже просчитанных типов сетей, топологий и их параметров.

Уже несколько раз упоминались слои нейронной сети, поэтому стоит сказать и о них пару слов. В 1981 году Дэвид Хьюбел и ТорстенВизел получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за то, что открыли механизм действия нейронов в зрительной зоне коры головного мозга. Они показали, что в скрытых нейронных слоях последовательно извлекаются наиболее информативные свойства визуальных сигналов (например, резкие смены яркости или цветов, свидетельствующие о границах объекта), а потом складывают их в единое целое (собственно, объекты). И так как по своей сути искусственные нейронные сети - это попытка смоделировать настоящий физиологический процесс, то данное открытие послужило новому витку в развитии машинных нейросетей, и служит прекрасным примером для понимания слоев системы. Всегда существует, как минимум, два слоя: входной и выходной. Если попытаться описать их с точки зрения человеческих глаз, то входной слой - это сенсорная система (глазные яблоки) получающая сигналы из внешнего мира и кодирующая их в удобную для прочтения форму, а выходной слой - это эффекторная система, посылающая сигналы "устройствам вывода данных". Помимо них в сети могут быть скрытые (внутренние) слои, на которых находятся нейроны не получающие ни информации извне системы, ни выдающие ее, на этих слоях нейроны взаимодействующие только с другими нейронами (Рис.1).

Рис. 1

Обучить нейронную сеть - значит, сообщить ей, чего мы от нее добиваемся. Этот процесс очень похож на обучение ребенка алфавиту. Показав ребенку изображение буквы "А", мы спрашиваем его: "Какая это буква?" Если ответ неверен, мы сообщаем ребенку тот ответ, который мы хотели бы от него получить: "Это буква А". Ребенок запоминает этот пример вместе с верным ответом, то есть в его памяти происходят некоторые изменения в нужном направлении. Мы будем повторять процесс предъявления букв снова и снова до тех пор, когда все 33 буквы будут твердо запомнены. Такой процесс называют "обучение с учителем".

При обучении нейронной сети мы действуем совершенно аналогично. У нас имеется некоторая база данных, содержащая примеры (например набор рукописных изображений букв). Предъявляя изображение буквы "А" на вход нейронной сети, мы получаем от нее некоторый ответ, не обязательно верный. Нам известен и верный (желаемый) ответ - в данном случае нам хотелось бы, чтобы на выходе нейронной сети с меткой "А" уровень сигнала был максимален. Обычно в качестве желаемого выхода в задаче классификации берут набор (1, 0, 0,.), где 1 стоит на выходе с меткой "А", а 0 - на всех остальных выходах. Вычисляя разность между желаемым ответом и реальным ответом сети, мы получаем 33 числа - вектор ошибки. Одну и ту же букву (а также различные изображения одной и той же буквы) мы можем предъявлять нейронной сети много раз. В этом смысле обучение скорее напоминает повторение упражнений в спорте - тренировку.

Оказывается, что после многократного предъявления примеров веса нейронной сети стабилизируются, причем нейронная сеть дает правильные ответы на все (или почти все) примеры из базы данных. В таком случае говорят, что "нейронная сеть выучила все примеры", "нейронная сеть обучена", или "нейронная сеть натренирована". В программных реализациях можно видеть, что в процессе обучения величина ошибки (сумма квадратов ошибок по всем выходам) постепенно уменьшается. Когда величина ошибки достигает нуля или приемлемого малого уровня, тренировку останавливают, а полученную нейронную сеть считают натренированной и готовой к применению на новых данных.

Важно отметить, что вся информация, которую нейронная сеть имеет о задаче, содержится в наборе примеров. Поэтому качество обучения нейронной сети напрямую зависит от количества примеров в обучающей выборке, а также от того, насколько полно эти примеры описывают данную задачу. Так, например, бессмысленно использовать нейронную сеть для предсказания финансового кризиса, если в обучающей выборке кризисов не представлено. Считается, что для полноценной тренировки нейронной сети требуется хотя бы несколько десятков (а лучше сотен и тысяч) примеров.

Конечным этапом является применение нейронной сети. После того, как нейронная сеть обучена, мы можем применять ее для решения полезных задач. Важнейшая особенность человеческого мозга состоит в том, что, однажды обучившись определенному процессу, он может верно действовать и в тех ситуациях, в которых он не бывал в процессе обучения. Например, мы можем читать почти любой почерк, даже если видим его первый раз в жизни. Так же и нейронная сеть, грамотным образом обученная, может с большой вероятностью правильно реагировать на новые, не предъявленные ей ранее данные. Например, мы можем нарисовать букву "А" другим почерком, а затем предложить нашей нейронной сети классифицировать новое изображение. Веса обученной нейронной сети хранят достаточно много информации о сходстве и различиях букв, поэтому можно рассчитывать на правильный ответ и для нового варианта изображения.

Сегодня мы начинаем изучать на нашем сайте одну очень интересную тему, а именно нейронные сети . Что это, зачем они нужны, как с ними работать – во всем этом нам еще предстоит разобраться) Теория будет переплетаться с практическими задачами и примерами для упрощения понимания и для того, чтобы можно было наглядно увидеть как работают нейронные сети. Первая статья по традиции будет несколько вводной, но и сегодня мы уже обсудим некоторые важные моменты, которые нам пригодятся в будущем. В общем, давайте приступать!

Изучение и использование искусственных нейронных сетей, в принципе, началось уже достаточно давно – в начале 20 века, но по настоящему широкую известность они получили несколько позже. Связано это, в первую очередь, с тем, что стали появляться продвинутые (для того времени) вычислительные устройства, мощности которых были достаточно велики для работы с искусственными нейронными сетями. По сути, на данный момент можно легко смоделировать нейронную сеть средней сложности на любом персональном компьютере. И мы этим обязательно займемся 😉

Что же из себя представляет нейронная сеть ? А это ясно из названия – сеть представляет из себя совокупность нейронов, соединенных друг с другом определенным образом. Рассмотрим один нейрон:

Представляет из себя элемент, который вычисляет выходной сигнал (по определенному правилу) из совокупности входных сигналов. То есть основная последовательность действий одного нейрона такая:

• Прием сигналов от предыдущих элементов сети
• Вычисление выходного сигнала
• Передача выходного сигнала следующим элементам нейронной сети

Между собой нейроны могут быть соединены абсолютно по-разному, это определяется структурой конкретной сети. Но суть работы нейронной сети остается всегда одной и той же. По совокупности поступающих на вход сети сигналов на выходе формируется выходной сигнал (или несколько выходных сигналов). То есть нейронную сеть упрощенно можно представить в виде черного ящика, у которого есть входы и выходы. А внутри этого ящика сидит огромное количество нейронов 😉

Мы перечислили основные этапы работы сети, теперь давайте остановимся на каждом из них в отдельности.

Комбинирование входных сигналов

Поскольку к каждому нейрону могут приходить несколько входных сигналов, то при моделировании нейронной сети необходимо задать определенное правило комбинирования всех этих сигналов. И довольно-таки часто используется правило суммирования взвешенных значений связей. Что значит взвешенных? Сейчас разберемся…

Каждую связь в сети нейронов можно полностью охарактеризовать при помощи трех факторов:

• первый – элемент, от которого исходит связь
• второй – элемент, к которую связь направлена
• третий – вес связи.

Сейчас нас в большей степени интересует именно третий фактор. Вес связи определяет, будет ли усилен или ослаблен сигнал, передаваемый по данной связи. Если объяснять просто, “на пальцах”, то давайте рассмотрим такой пример:

Выходной сигнал нейрона 1 равен 5. Вес связи между нейронами равен 2. Таким образом, чтобы определить входной сигнал нейрона 2, приходящий от нейрона 1, необходимо умножить значение этого сигнала на вес связи (5*2). Как видите, все очень просто)

А если сигналов много? Правильно! Они все суммируются. В итоге на входе нейрона мы получаем следующее:

В этой формуле – это результат комбинирования всех входных сигналов для нейрона (комбинированный ввод нейрона). – количество элементов, передающих свои выходные сигналы на вход сигнала . А – вес связи, соединяющей нейрон с нейроном . Суммируя все взвешенные входные сигналы, мы получаем комбинированный ввод элемента сети.

Чаще всего структура связей между нейронами представляется в виде матрицы , которую называют весовой матрицей. Элемент матрицы , как и в формуле, определяет вес связи, идущей от элемента к элементу . Для того, чтобы понять как составляются весовые матрицы, давайте рассмотрим простую нейронную сеть:

Такой нейронной сети будет иметь следующий вид:

Например, от второго элемента к третьему идет связь, вес которой равен 3. Смотрим на матрицу, вторая строка, третий столбец – число 3, все верно 😉

С весовыми коэффициентами и комбинированным вводом разобрались, двигаемся дальше.

Функция активности элемента.

С входными сигналами мы разобрались, пришло время выходных. Для каждого элемента сети имеется определенное правило, в соответствии с которым из значения комбинированного ввода элемента вычисляется его выходное значение. Это правило называется функцией активности. А само выходное значение называется активностью нейрона. В роли функций активности могут выступать абсолютно любые математические функции, приведу в качестве примера несколько из наиболее часто использующихся:

• пороговая функция – если значение комбинированного ввода ниже определенного значения (порога), то активность равна нулю, если выше – единице.
• логистическая функция.

Давайте рассмотрим еще один небольшой пример, который очень часто используется в литературе для объяснения сути работы нейронных сетей. Задача примера заключается в том, чтобы при помощи нейронной сети вычислить отношение XOR. То есть на вход мы будем подавать разные варианты сигналов, а на выходе должны получить результат операции XOR для поданных на вход значений:

Элементы 1 и 2 являются входными, а элемент 7 – выходным. Нейроны 5 и 6 называются скрытыми, поскольку они не связаны с внешней средой. Таким образом, мы получили три слоя – входной, скрытый и выходной. Элементы 3 и 4 называют элементами смещения. Их выходной сигнал (активность) всегда равен 1. Для вычисления комбинированного ввода в этой сети мы будем использовать правило суммирования взвешенных связей, а в качестве функции активности будет выступать пороговая функция. Если комбинированный ввод элемента меньше 0, то активность равна 0, если ввод больше 0, то активность – 1.

Давайте подадим на вход нейрона 1 – единицу, а на вход нейрона 2 – ноль. В этом случае на выходе мы должны получить 1 (0 XOR 1 = 1). Рассчитаем выходное значение вручную для демонстрации работы сети.

Комбинированный ввод элемента 5: = 1 * (-1) + 0 * (-1) + 1 * 1.5 = 0.5.

Активность элемента 5: 1 (0.5 > 0).

Комбинированный ввод элемента 6: = 1 * (-1) + 0 * (-1) + 1 * 0.5 = -0.5.

Активность элемента 6: 0.

Комбинированный ввод элемента 7: = 1 * (1) + 0 * (-1) + 1 * (-0.5) = 0.5.

Активность элемента 7, а в то же время и выходное значение сети равно 1. Что и требовалось доказать =)

Можно попробовать использовать в качестве входных сигналов все возможные значения (0 и 0, 1 и 0, 0 и 1, 1 и 1), на выходе мы всегда будем видеть значение, соответствующее таблице истинности операции XOR. Как видите, сеть работает!

В данном случае все значения весовых коэффициентов нам были известны заранее, но главной особенностью нейронных сетей является то, что они могут сами корректировать значения веса всех связей в процессе обучения сети. Но об обучении нейронных сетей мы поговорим уже в следующей статье и, конечно же, рассмотрим практический пример для закрепления материала. Так что до скорых встреч!

В наши дни возрастает необходимость в системах, которые способны не только выполнять однажды запрограммированную последовательность действий над заранее определенными данными, но и способны сами анализировать вновь поступающую информацию, находить в ней закономерности, производить прогнозирование и т.д. В этой области приложений самым лучшим образом зарекомендовали себя так называемые нейронные сети – самообучающиеся системы, имитирующие деятельность человеческого мозга. Рассмотрим подробнее структуру искусственных нейронных сетей (НС) и их применение в конкретных задачах.

Искусственный нейрон

Несмотря на большое разнообразие вариантов нейронных сетей, все они имеют общие черты. Так, все они, так же, как и мозг человека, состоят из большого числа связанных между собой однотипных элементов – нейронов , которые имитируют нейроны головного мозга. На рис. 1 показана схема нейрона.

Из рисунка видно, что искусственный нейрон, так же, как и живой, состоит из синапсов, связывающих входы нейрона с ядром; ядра нейрона, которое осуществляет обработку входных сигналов и аксона, который связывает нейрон с нейронами следующего слоя. Каждый синапс имеет вес, который определяет, насколько соответствующий вход нейрона влияет на его состояние. Состояние нейрона определяется по формуле

$S =\sum \limits_{i=1}^{n} \,x_iw_i$, (1)

$\sum \limits_{k=1}^{N} k^2$, (1)

n – число входов нейрона
x i – значение i-го входа нейрона
w i – вес i-го синапса.

Затем определяется значение аксона нейрона по формуле

$Y = f\,(S)$, (2)

Где f – некоторая функция, которая называется активационной . Наиболее часто в качестве активационной функции используется так называемый сигмоид , который имеет следующий вид:

$f\,(x) = \frac{1}{1\,+\,\mbox e^{-ax}}$, (3)

Основное достоинство этой функции в том, что она дифференцируема на всей оси абсцисс и имеет очень простую производную:

$f"\,(x) = \alpha f(x)\,\bigl(1\,-\,f\,(x)\bigr)$, (4)

При уменьшении параметра a сигмоид становится более пологим, вырождаясь в горизонтальную линию на уровне 0,5 при a=0. При увеличении a сигмоид все больше приближается к функции единичного скачка.

Нейронные сети обратного распространения

Нейронные сети обратного распространения – это мощнейший инструмент поиска закономерностей, прогнозирования, качественного анализа. Такое название – сети обратного распространения (back propagation) они получили из-за используемого алгоритма обучения, в котором ошибка распространяется от выходного слоя к входному, т. е. в направлении, противоположном направлению распространения сигнала при нормальном функционировании сети.

Нейронная сеть обратного распространения состоит из нескольких слоев нейронов, причем каждый нейрон слоя i связан с каждым нейроном слоя i+1 , т. е. речь идет о полносвязной НС.

В общем случае задача обучения НС сводится к нахождению некой функциональной зависимости Y=F(X) где X – входной, а Y – выходной векторы. В общем случае такая задача, при ограниченном наборе входных данных, имеет бесконечное множество решений. Для ограничения пространства поиска при обучении ставится задача минимизации целевой функции ошибки НС, которая находится по методу наименьших квадратов:

$E\,(w) = \frac{1}{2}\sum \limits_{j=1}^{p} \, {(y_i\,-\,d_i)}^2$, (5)

y j – значение j-го выхода нейросети,

d j – целевое значение j-го выхода,

p – число нейронов в выходном слое.

Обучение нейросети производится методом градиентного спуска, т. е. на каждой итерации изменение веса производится по формуле:

$\Delta\,w_{ij} = -\,\eta\,\cdot\,\frac{\partial\,E}{\partial\,w_{ij}}$, (6)

где h – параметр, определяющий скорость обучения.

$\frac{\partial\,E}{\partial\,w_{ij}} = \frac{\partial\,E}{\partial\,y_i}\,\cdot\,\frac{dy_i}{dS_j}\,\cdot\,\frac{\partial\,S_j}{\partial\,w_{ij}}$, (7)

y j – значение выхода j-го нейрона,

S j – взвешенная сумма входных сигналов, определяемая по формуле (1).

При этом множитель

$\frac{\partial\,S_j}{\partial\,w_{ij}} = x_i$, (8)

x i – значение i-го входа нейрона.

$\frac{\partial\,E}{\partial\,y_j} = \sum \limits_{k}^{} \frac{\partial\,E}{\partial\,y_k}\,\cdot\,\frac{dy_k}{dS_k}\,\cdot\,\frac{\partial\,S_k}{\partial\,y_j} = \sum \limits_{k}^{} \frac{\partial\,E}{\partial\,y_k}\,\cdot\,\frac{dy_k}{dS_k}\,\cdot\,w_{jk}^{(n+1)}$, (9)

k – число нейронов в слое n+1 .

Введем вспомогательную переменную

$\delta_j^{(n)}= \frac{\partial\,E}{\partial\,y_j}\,\cdot\,\frac{dy_j}{dS_j}$, (10)

Тогда мы сможем определить рекурсивную формулу для определения n -ного слоя, если нам известно следующего (n+1) -го слоя.

$\delta_j^{(n)}= \biggl[ \sum \limits_{k}^{} \delta_k^{(n+1)}\,\cdot\,w_{jk}^{(n+1)}\biggr]\,\cdot\,\frac{dy_j}{dS_j}$, (11)

Нахождение же для последнего слоя НС не представляет трудности, так как нам известен целевой вектор, т. е. вектор тех значений, которые должна выдавать НС при данном наборе входных значений.

$\delta_j^{(N)}= \bigl(y_i^{(N)}-\,d_i\bigr)\,\cdot\,\frac{dy_j}{dS_j}$, (12)

И наконец запишем формулу (6) в раскрытом виде

$\Delta w_{ij}^{(n)}= -\,\eta\,\cdot\,\delta_j^{(n)}\,\cdot\,x_i^n$, (13)

Рассмотрим теперь полный алгоритм обучения нейросети:

1. подать на вход НС один из требуемых образов и определить значения выходов нейронов нейросети
2. рассчитать для выходного слоя НС по формуле (12) и рассчитать изменения весов выходного слоя N по формуле (13)
3. Рассчитать по формулам (11) и (13) соответственно и $\Delta w_{ij}^{(N)}$ для остальных слоев НС, n = N-1..1
4. Скорректировать все веса НС

   $w_{ij}^{(n)}\,(t) = w_{ij}^{(n)}\,(t\,-\,1) \,+\,\Delta w_{ij}^{(n)}\,(t)$, (14)

5. Если ошибка существенна, то перейти на шаг 1

На этапе 2 сети поочередно в случайном порядке предъявляются вектора из обучающей последовательности.

Повышение эффективности обучения НС обратного распространения

Простейший метод градиентного спуска, рассмотренный выше, очень неэффективен в случае, когда производные по различным весам сильно отличаются. Это соответствует ситуации, когда значение функции S для некоторых нейронов близка по модулю к 1 или когда модуль некоторых весов много больше 1. В этом случае для плавного уменьшения ошибки надо выбирать очень маленькую скорость обучения, но при этом обучение может занять непозволительно много времени.

Простейшим методом усовершенствования градиентного спуска является введение момента m , когда влияние градиента на изменение весов изменяется со временем. Тогда формула (13) примет вид

$\Delta w_{ij}^{(n)}\,(t) = -\,\eta\,\cdot\,\delta_j^{(n)}\,\cdot\,x_i^n\,+\,\mu\,\Delta w_{ij}^{(n)}\,(t\,-\,1)$ , (13.1)

Дополнительным преимуществом от введения момента является способность алгоритма преодолевать мелкие локальные минимумы.

Представление входных данных

Основное отличие НС в том, что в них все входные и выходные параметры представлены в виде чисел с плавающей точкой обычно в диапазоне . В то же время данные предметной области часто имеют другое кодирование. Так, это могут быть числа в произвольном диапазоне, даты, символьные строки. Таким образом данные о проблеме могут быть как количественными, так и качественными. Рассмотрим сначала преобразование качественных данных в числовые, а затем рассмотрим способ преобразования входных данных в требуемый диапазон.

Качественные данные мы можем разделить на две группы: упорядоченные (ординальные) и неупорядоченные. Для рассмотрения способов кодирования этих данных мы рассмотрим задачу о прогнозировании успешности лечения какого-либо заболевания. Примером упорядоченных данных могут, например, являться данные, например, о дополнительных факторах риска при данном заболевании.

А также возможным примером может быть, например, возраст больного:

Опасность каждого фактора возрастает в таблицах при движении слева направо.

В первом случае мы видим, что у больного может быть несколько факторов риска одновременно. В таком случае нам необходимо использовать такое кодирование, при котором отсутствует ситуация, когда разным комбинациям факторов соответствует одно и то же значение. Наиболее распространен способ кодирования, когда каждому фактору ставится в соответствие разряд двоичного числа. 1 в этом разряде говорит о наличии фактора, а 0 о его отсутствии. Параметру нет можно поставить в соответствии число 0. Таким образом для представления всех факторов достаточно 4-х разрядного двоичного числа. Таким образом число 1010 2 = 10 10 означает наличие у больного гипертонии и употребления алкоголя, а числу 0000 2 соответствует отсутствие у больного факторов риска. Таким образом факторы риска будут представлены числами в диапазоне .

Во втором случае мы также можем кодировать все значения двоичными весами, но это будет нецелесообразно, т.к. набор возможных значений будет слишком неравномерным. В этом случае более правильным будет установка в соответствие каждому значению своего веса, отличающегося на 1 от веса соседнего значения. Так, число 3 будет соответствовать возрасту 50-59 лет. Таким образом возраст будет закодирован числами в диапазоне .

В принципе аналогично можно поступать и для неупорядоченных данных, поставив в соответствие каждому значению какое-либо число. Однако это вводит нежелательную упорядоченность, которая может исказить данные, и сильно затруднить процесс обучения. В качестве одного из способов решения этой проблемы можно предложить поставить в соответствие каждому значению одного из входов НС. В этом случае при наличии этого значения соответствующий ему вход устанавливается в 1 или в 0 при противном случае. К сожалению, данный способ не является панацеей, ибо при большом количестве вариантов входного значения число входов НС разрастается до огромного количества. Это резко увеличит затраты времени на обучение. В качестве варианта обхода этой проблемы можно использовать несколько другое решение. В соответствие каждому значению входного параметра ставится бинарный вектор, каждый разряд которого соответствует отдельному входу НС.

Литература

• Dirk Emma Baestaens, Willem Max Van Den Bergh, Douglas Wood, "Neural Network Solution for Trading in Financial Markets", Pitman publishing
• R. M. Hristev, "Artifical Neural Networks"
• С. Короткий, "Нейронные сети: Алгоритм обратного распространения"
• С. Короткий, "Нейронные сети: Основные положения"