нейросеть что это в программировании

Пишем свою нейросеть: пошаговое руководство

Отличный гайд про нейросеть от теории к практике. Вы узнаете из каких элементов состоит ИНС, как она работает и как ее создать самому.

В этой статье будут представлены некоторые понятия, а также немного кода и математики, с помощью которых вы сможете построить и понять простые нейронные сети. Для ознакомления с материалом нужно иметь базовые знания о матрицах и дифференциалах. Код будет написан на языке программирования Python с использованием библиотеки numpy. Вы построите ИНС, используя Python, которая с высокой точностью классифицировать числа на картинках.

1 Что такое искусственная нейросеть?

Неконтролируемое обучение в ИНС пытается «заставить» ИНС «понять» структуру передаваемой входной информации «самостоятельно». Мы не будем рассматривать это в данном посте.

2 Структура ИНС

2.1 Искусственный нейрон

Которая выглядит следующим образом:

2.2 Узлы

Как было упомянуто ранее, биологические нейроны иерархически соединены в сети, где выход одних нейронов является входом для других нейронов. Мы можем представить такие сети в виде соединенных слоев с узлами. Каждый узел принимает взвешенный вход, активирует активационную функцию для суммы входов и генерирует выход.

Круг на картинке изображает узел. Узел является «местоположением» активационной функции, он принимает взвешенные входы, складывает их, а затем вводит их в активационную функцию. Вывод активационной функции представлен через h. Примечание: в некоторых источниках узел также называют перцептроном.

Что такое «вес»? По весу берутся числа (не бинарные), которые затем умножаются на входе и суммируются в узле. Иными словами, взвешенный вход в узел имеет вид:

где w_i— числовые значения веса ( b мы будем обсудим позже). Весы нам нужны, они являются значениями, которые будут меняться в течение процесса обучения. b является весом элемента смещения на 1, включение веса b делает узел гибким. Проще это понять на примере.

2.3 Смещение

Рассмотрим простой узел, в котором есть по одному входу и выходу:

Ввод для активационной функции в этом узле просто x₁w₁. На что влияет изменение в w₁ в этой простой сети?

Здесь мы можем видеть, что при изменении веса изменяется также уровень наклона графика активационной функции. Это полезно, если мы моделируем различные плотности взаимосвязей между входами и выходами. Но что делать, если мы хотим, чтобы выход изменялся только при х более 1? Для этого нам нужно смещение. Рассмотрим такую сеть со смещением на входе:

Из графика можно увидеть, что меняя «вес» смещения b, мы можем изменять время запуска узла. Смещение очень важно в случаях, когда нужно имитировать условные отношения.

2.4 Составленная структура

Выше было объяснено, как работает соответствующий узел / нейрон / перцептрон. Но, как вы знаете, в полной нейронной сети находится много таких взаимосвязанных между собой узлов. Структуры таких сетей могут принимать мириады различных форм, но самая распространенная состоит из входного слоя, скрытого слоя и выходного слоя. Пример такой структуры приведены ниже:

2.5 Обозначение

3 Процесс прямого распространения

Чтобы продемонстрировать, как находить выход, имея уже известный вход, в нейронных сетях, начнем с предыдущего примера с тремя слоями. Ниже такая система представлена в виде системы уравнений:

3.1 Пример прямого распространения

Представим эту матрицу через массивы библиотеки numpy.

Мы просто присвоили некоторые рандомные числовые значения весу каждой связи с Ш1. Аналогично можно сделать и с Ш2:

Мы можем присвоить некоторые значения весу смещения в Ш1 и Ш2:

Наконец, перед написанием основной программы для расчета выхода нейронной сети, напишем отдельную функцию для активационной функции:

3.2 Первая попытка реализовать процесс прямого распространения

Приведем простой способ расчета выхода нейронной сети, используя вложенные циклы в Python. Позже мы быстро рассмотрим более эффективные способы.

Функция сначала проверяет, чем является входной массив для соответствующего слоя с узлами / весами. Если рассматривается первый слой, то входом для второго слоя является входной массив xx, Умноженный на соответствующие веса. Если слой не первый, то входом для последующего будет выход предыдущего.
Вызов функции:

возвращает результат 0.8354. Можно проверить правильность, вставив те же значения в систему уравнений:

3.3 Более эффективная реализация

В данном случае процесс прямого распространения с циклами занимает около 40 микросекунд. Это довольно быстро, но не для больших нейронных сетей с > 100 узлами на каждом слое, особенно при их обучении. Если мы запустим этот алгоритм на нейронной сети с четырьмя слоями, то получим результат 70 микросекунд. Эта разница является достаточно значительной.

3.4 Векторизация в нейронных сетях

, где n- количество узлов в Ш1. Используя это обозначение, систему уравнений можно сократить:

Обратите внимание на W, что означает матричную форму представления весов. Помните, что теперь все элементы в уравнении сверху являются матрицами / векторами. Но на этом упрощение не заканчивается. Данные уравнения можно свести к еще более краткому виду:

3.5 Умножение матриц

Распишем z (l+1) =W (l) h (l) +b (l) на выражение из матрицы и векторов входного слоя ( h (l) =x):

Для тех, кто не знает или забыл, как перемножаются матрицы. Когда матрица весов умножается на вектор, каждый элемент в строке матрицы весов умножается на каждый элемент в столбце вектора, после этого все произведения суммируются и создается новый вектор (3х1). После перемножения матрицы на вектор, добавляются элементы из вектора смещения и получается конечный результат.

Каждая строка полученного вектора соответствует аргументу активационной функции в оригинальной НЕ матричной системе уравнений выше. Это означает, что в Python мы можем реализовать все, не используя медленные циклы. К счастью, библиотека numpy дает возможность сделать это достаточно быстро, благодаря функциям-операторам над матрицами. Рассмотрим код простой и быстрой версии функции simple_looped_nn_calc:

Обратите внимание на строку 7, в которой происходит перемножение матрицы и вектора. Если вместо функции умножения a.dot (b) вы используете символ *, то получится нечто похожее на поэлементное умножение вместо настоящего произведения матриц.

Если сравнить время работы этой функции с предыдущей на простой сети с четырьмя слоями, то мы получим результат лишь на 24 микросекунды меньше. Но если увеличить количество узлов в каждом слое до 100-100-50-10, то мы получим гораздо большую разницу. Функция с циклами в этом случае дает результат 41 миллисекунду, когда у функции с векторизацией это занимает лишь 84 микросекунды. Также существуют еще более эффективные реализации операций над матрицами, которые используют пакеты глубинного обучения, такие как TensorFlow и Theano.

На этом все о процессе прямого распространения в нейронных сетях. В следующих разделах мы поговорим о способах обучения нейронных сетей, используя градиентный спуск и обратное распространение.

4 Градиентный спуск и оптимизация

Расчеты значений весов, которые соединяют слои в сети, это как раз то, что мы называем обучением системы. В контролируемом обучении идея заключается в том, чтобы уменьшить погрешность между входом и нужным выходом. Если у нас есть нейросеть с одним выходным слоем и некоторой вход xx и мы хотим, чтобы на выходе было число 2, но сеть выдает 5, то нахождение погрешности выглядит как abs(2-5)=3. Говоря языком математики, мы нашли норму ошибки L 1 (Это будет рассмотрено позже).

y (1) в этом случае может представлять собой единое скалярное значение, например, 1 или 0, обозначающий, было сообщение спамом или нет. В других приложениях это также может быть вектор с K измерениями. Например, мы имеем вход xx, Который является вектором черно-белых пикселей, считанных с фотографии. При этом y может быть вектором с 26 элементами со значениями 1 или 0, обозначающие, какая буква была изображена на фото, например (1,0. 0)для буквы а, (0,1. 0) для буквы б и т. д.

В обучении сети, используя (x,y), целью является улучшение нахождения правильного y при известном x. Это делается через изменение значений весов, чтобы минимизировать погрешность. Как тогда менять их значение? Для этого нам и понадобится градиентный спуск. Рассмотрим следующий график:

На этом графике изображено погрешность, зависящую от скалярного значения веса, w. Минимально возможная погрешность обозначена черным крестиком, но мы не знаем какое именно значение w дает нам это минимальное значение. Подсчет начинается с рандомного значения переменной w, которая дает погрешность, обозначенную красной точкой под номером «1» на кривой. Нам нужно изменить w таким образом, чтобы достичь минимальной погрешности, черного крестика. Одним из самых распространенных способов является градиентный спуск.

Метод градиентного спуска использует градиент, чтобы принимать решение о следующей смены в w для того, чтобы достичь минимального значения кривой. Он итеративным методом, каждый раз обновляет значение w через:

, где w_н означает новое значение w, w_ст— текущее или «старое» значение w, ∇error является градиентом погрешности на w_ст и α является шагом. Шаг α также будет означать, как быстро ответ приближается к минимальной погрешности. При каждой итерации в таком алгоритме градиент должен уменьшаться. Из графика выше можно заметить, что с каждым шагом градиент «стихает». Как только ответ достигнет минимального значения, мы уходим из итеративного процесса. Выход можно реализовать способом условия «если погрешность меньше некоторого числа». Это число называют точностью.

4.1 Простой пример на коде

Мы будем находить градиент нейронной сети, используя достаточно популярный метод обратного распространения ошибки, о котором будет написано позже. Но сначала нам нужно рассмотреть функцию погрешности более детально.

4.2 Функция оценки

Выражение является функцией оценки учебного экземпляра z_th, где h (nl) является выходом последнего слоя, то есть выход нейронной сети. h (nl) можно представить как yпyп, Что означает полученный результат, когда нам известен вход xz. Две вертикальные линии означают норму L 2 погрешности или сумму квадратов ошибок. Сумма квадратов погрешностей является довольно распространенным способом представления погрешностей в системе машинного обучения. Вместо того, чтобы брать абсолютную погрешность abs(ypred(x z )-y z ), мы берем квадрат погрешности. Мы не будем обсуждать причину этого в данной статье. 1/2 в начале просто константой, которая нормализует ответ после того, как мы продифференцируем функцию оценки во время обратного распространения.

Обратите внимание, что приведенная ранее функция оценки работает только с одной парой (x,y). Мы хотим минимизировать функцию оценки со всеми mm парами вход-выход:

Тогда как же мы будем использовать функцию J для обучения наших сетей? Конечно, используя градиентный спуск и обратное распространение ошибок. Сначала рассмотрим градиентный спуск в нейронных сетях более детально.

4.3 Градиентный спуск в нейронных сетях

Градиентный спуск для каждого веса w_(ij) (l) и смещение bi(l) в нейронной сети выглядит следующим образом:

Значения ∂/∂w_ij (l) и ∂/∂b_i (l) являются частными производными функции оценки, основываясь на значениях веса. Что это значит? Вспомните простой пример градиентного спуска ранее, каждый шаг зависит от наклона погрешности / оценки по отношению к весу. Производная также имеет значение наклона / градиента. Конечно, производная обозначается как d/dx. x в нашем случае является вектором, а это значит, что наша производная тоже будет вектором, который является градиент каждого измерения x.

4.4 Пример двумерного градиентного спуска

Рассмотрим пример стандартного двумерного градиентного спуска. Ниже представлены диаграмму работы двух итеративных двумерных градиентных спусков:

Синим обозначены контуры функции оценки, они обозначают области, в которых значение погрешности примерно одинаковы. Каждый шаг (p1→p2→p3) В градиентном спуске используют градиент или производную, которые обозначаются стрелкой / вектором. Этот вектор проходит через два пространства [x1, x2][x1,x2]и показывает направление, в котором находится минимум. Например, производная, исчисленная в p1 может быть d/dx=[2.1,0.7], Где производная является вектором с двумя значениями. Частичная производная ∂/∂x₁ в этом случае равна скаляру →[2.1]- иными словами, это значение градиента только в одном измерении поискового пространства (x1).

Поэтому нам нужен метод обратного распространения. Этот метод дает нам возможность «делить» функцию оценки или ошибку со всеми весами в сети. Другими словами, мы можем выяснить, как каждый вес влияет на погрешность.

4.5 Углубляемся в обратное распространение

Если математика вам не очень хорошо дается, то вы можете пропустить этот раздел. В следующем разделе вы узнаете, как реализовать обратное распространение языке программирования. Но если вы не против немного больше поговорить о математике, то продолжайте читать, вы получите более глубокие знания по обучению нейронных сетей.

Сначала, давайте вспомним базовые уравнения для нейронной сети с тремя слоями из предыдущих разделов:

Выход этой нейронной сети находится по формуле:

Если присмотреться, то правая часть полностью сокращается (по принципу 2552=22=1). ∂J∂w12(2) были разбиты на три множителя, два из которых можно прекрасно заменить. Начнем с ∂z₁ (2) /∂w₁₂ (2) :

здесь y1 является ожидаемым выходом для выходного узла. Опять используем правило дифференцирования сложной функции:

Мы выяснили, как находить ∂J/∂w₁₂ (2) по крайней мере для весов связей с исходным слоем. Перед тем, как перейти к одному из скрытых слоев, введем некоторые новые значения δ, чтобы немного сократить наши выражения:

, где i является номером узла в выходном слое. В нашем примере есть только один узел, поэтому i=1. Напишем полный вид производной функции оценки:

, где выходной слой, в нашем случае, l=2, а i соответствует номеру узла.

4.6 Распространение в скрытых слоях

Что делать с весами в скрытых слоях (в нашем случае в слое 2)? Для весов, которые соединены с выходным слоем, производная ∂J/∂h=-(y_i-h_i (nl) )имела смысл, т.к. функция оценки может быть сразу найдена через сравнение выходного слоя с существующими данными. Но выходы скрытых узлов не имеют подобных уже существующих данных для проверки, они связаны с функцией оценки только через другие слои узлов. Как мы можем найти изменения в функции оценки из-за изменений весов, которые находятся глубоко в нейронной сети? Как уже было сказано, мы используем метод обратного распространения.

Как можно понять из рисунка, выходной слой соединяется со скрытым узлом из-за веса. В случае, когда в исходном слое есть только один узел, общее выражение скрытого слоя будет выглядеть так:

, где j номер узла в слое l. Но что будет, если в исходном слое находится много выходных узлов? В этом случае δ_j (l) находится по взвешенной сумме всех связанных между собой погрешностей, как показано на диаграмме ниже:

Отлично, теперь мы знаем, как реализовать градиентный спуск в нейронных сетях:

Однако, для такой реализации, нам нужно будет снова применить циклы. Как мы уже знаем из предыдущих разделов, циклы в языке программирования Python работают довольно медленно. Нам нужно будет понять, как можно векторизовать такие подсчеты.

4.7 Векторизация обратного распространения

Для того, чтобы понять, как векторизовать процесс градиентного спуска в нейронных сетях, рассмотрим сначала упрощенную векторизованную версию градиента функции оценки (внимание: это пока неправильная версия!):

Используя операцию трансформирования, мы можем достичь результата, который нам нужен.

Еще одно трансформирование нужно сделать с суммой погрешностей в обратном распространении:

символ (∙) в предыдущем выражении означает поэлементное умножение (произведение Адамара), не является умножением матриц. Обратите внимание, что произведение матриц (((W (l) ) T δ_(l+1))требует еще одного сложения весов и значений δ.

4.8 Реализация этапа градиентного спуска

Как тогда интегрировать векторизацию в этапы градиентного спуска нашего алгоритма? Во-первых, вспомним полный вид нашей функции оценки, который нам нужно сократить:

Из формулы видно, что полная функция оценки состоит из суммы поэтапных расчетов функции оценки. Также следует вспомнить, как находится градиентный спуск (поэлементная и векторизованная версии):

4.9 Конечный алгоритм градиентного спуска

Из этого алгоритма следует, что мы будем повторять градиентный спуск, пока функция оценки не достигнет минимума. На этом этапе нейросеть считается обученной и готовой к использованию.

Далее мы попробуем реализовать этот алгоритм на языке программирования для обучения нейронной сети распознаванию чисел, написанных от руки.

5 Имплементация нейросети языке Python

Код, который мы собираемся написать в нашей нейронной сети, будет анализировать цифры, которые изображают пиксели на изображении. Для начала, нам нужно отсортировать входные данные. Для этого мы сделаем две следующие вещи:

01. Масштабировать данные.
02. Разделить данные на тесты и учебные тесты.

5.1 Масштабирование данных

Почему нам нужно масштабировать данные? Во-первых, рассмотрим представление пикселей одного из сетов данных:

Заметили ли вы, что входные данные меняются в интервале от 0 до 15? Достаточно распространенной практикой является масштабирование входных данных так, чтобы они были только в интервале от [0, 1], или [1, 1]. Это делается для более легкого сравнения различных типов данных в нейронной сети. Масштабирование данных можно легко сделать через библиотеку машинного обучения scikit learn:

5.2 Создание тестов и учебных наборов данных

Опять же, scikit learn легко разбивает данные на учебные и тестовые наборы:

5.3 Настройка выходного слоя

В данных MNIST нужны результаты от изображений записаны как отдельное число. Нам нужно конвертировать это единственное число в вектор, чтобы его можно было сравнивать с исходным слоем с 10 узлами. Иными словами, если результат в MNIST обозначается как «1», то нам нужно его конвертировать в вектор: [0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]. Такую конвертацию осуществляет следующий код:

Этот код конвертирует «1» в вектор [0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0].

5.4 Создаем нейросеть

Мы снова используем сигмоидальную активационную функцию, так что сначала нужно объявить эту функцию и ее производную:

Сейчас мы не имеем никакого представления, как выглядит наша нейросеть. Как мы будем ее учить? Вспомним наш алгоритм из предыдущих разделов:
Рандомно инициализируем веса для каждого слоя W (l) Когда итерация (l) б. Найдите значение δ ( nl) выходного слоя. Обновите ΔW (l) и Δb ( l ) для каждого слоя.
03. Запустите процесс градиентного спуска, используя:

Значит первым этапом является инициализация весов для каждого слоя. Для этого мы используем словари в языке программирования Python (обозначается через <>). Рандомные значения предоставляются весам для того, чтобы убедиться, что нейросеть будет работать правильно во время обучения. Для рандомизации мы используем random_sample из библиотеки numpy. Код выглядит следующим образом:

Следующим шагом является присвоение двум переменным ΔW и Δb нулевых начальных значений (они должны иметь такой же размер, что и матрицы весов и смещений)

Далее запустим процесс прямого распространения через нейронную сеть:

И наконец, найдем выходной слой δ (nl) и значение δ (l) в скрытых слоях для запуска обратного распространения:

Теперь мы можем соединить все этапы в одну функцию:

И наконец, после того, как мы прошлись по всем учебным экземплярам, накапливая значение tri_W и tri_b, мы запускаем градиентный спуск и меняем значения весов и смещений:

После окончания процесса, мы возвращаем полученные вес и смещение со средней оценкой для каждой итерации. Теперь время вызвать функцию. Ее работа может занять несколько минут, в зависимости от компьютера.

Мы можем увидеть, как функция средней оценки уменьшилась после итерационной работы градиентного спуска:

Выше изображен график, где показано, как за 3000 итераций нашего градиентного спуска функция средней оценки снизилась и маловероятно, что подобная итерация изменит результат.

5.5 Оценка точности модели

Теперь, наконец, мы можем оценить точность результата (процент раз, когда сеть выдала правильный результат), используя функцию accuracy_score из библиотеки scikit learn:

Мы получили результат 86% точности. Звучит довольно неплохо? На самом деле, нет, это довольно низкая точностью. В наше время точность алгоритмов глубинного обучения достигает 99.7%, мы немного отстали.

Источник