Нейронные сети

Схема простой нейросети. Зелёным обозначены входные элементы, жёлтым - выходной элемент

Иску́сственные нейро́нные се́ти (ИНС) - математические модели, а также их программные или аппаратные реализации, построенные по принципу организации и функционирования биологических нейронных сетей - сетей нервных клеток живого организма. Это понятие возникло при изучении процессов, протекающих в мозге при мышлении , и при попытке смоделировать эти процессы. Первой такой моделью мозга был перцептрон . Впоследствии эти модели стали использовать в практических целях, как правило в задачах прогнозирования .

Нейронные сети не программируются в привычном смысле этого слова, они обучаются . Возможность обучения - одно из главных преимуществ нейронных сетей перед традиционными алгоритмами. Технически обучение заключается в нахождении коэффициентов связей между нейронами. В процессе обучения нейронная сеть способна выявлять сложные зависимости между входными данными и выходными, а также выполнять обобщение. Это значит, что, в случае успешного обучения, сеть сможет вернуть верный результат на основании данных, которые отсутствовали в обучающей выборке.

Хронология

Известные применения

Кластеризация

Под кластеризацией понимается разбиение множества входных сигналов на классы, при том, что ни количество, ни признаки классов заранее неизвестны. После обучения такая сеть способна определять, к какому классу относится входной сигнал. Сеть также может сигнализировать о том, что входной сигнал не относится ни к одному из выделенных классов - это является признаком новых, отсутствующих в обучающей выборке, данных. Таким образом, подобная сеть может выявлять новые, неизвестные ранее классы сигналов . Соответствие между классами, выделенными сетью, и классами, существующими в предметной области, устанавливается человеком. Кластеризацию осуществляют, например, нейронные сети Кохонена .

Экспериментальный подбор характеристик сети

После выбора общей структуры нужно экспериментально подобрать параметры сети. Для сетей, подобных перцептрону, это будет число слоев, число блоков в скрытых слоях (для сетей Ворда), наличие или отсутствие обходных соединений, передаточные функции нейронов. При выборе количества слоев и нейронов в них следует исходить из того, что способности сети к обобщению тем выше, чем больше суммарное число связей между нейронами . С другой стороны, число связей ограничено сверху количеством записей в обучающих данных.

Экспериментальный подбор параметров обучения

После выбора конкретной топологии, необходимо выбрать параметры обучения нейронной сети. Этот этап особенно важен для сетей, обучающихся с учителем . От правильного выбора параметров зависит не только то, насколько быстро ответы сети будут сходиться к правильным ответам. Например, выбор низкой скорости обучения увеличит время схождения, однако иногда позволяет избежать паралича сети. Увеличение момента обучения может привести как к увеличению, так и к уменьшению времени сходимости, в зависимости от формы поверхности ошибки. Исходя из такого противоречивого влияния параметров, можно сделать вывод, что их значения нужно выбирать экспериментально, руководствуясь при этом критерием завершения обучения (например, минимизация ошибки или ограничение по времени обучения).

Собственно обучение сети

В процессе обучения сеть в определенном порядке просматривает обучающую выборку. Порядок просмотра может быть последовательным, случайным и т. д. Некоторые сети, обучающиеся без учителя , например, сети Хопфилда просматривают выборку только один раз. Другие, например, сети Кохонена , а также сети, обучающиеся с учителем, просматривают выборку множество раз, при этом один полный проход по выборке называется эпохой обучения . При обучении с учителем набор исходных данных делят на две части - собственно обучающую выборку и тестовые данные; принцип разделения может быть произвольным. Обучающие данные подаются сети для обучения, а проверочные используются для расчета ошибки сети (проверочные данные никогда для обучения сети не применяются). Таким образом, если на проверочных данных ошибка уменьшается, то сеть действительно выполняет обобщение. Если ошибка на обучающих данных продолжает уменьшаться, а ошибка на тестовых данных увеличивается, значит, сеть перестала выполнять обобщение и просто «запоминает» обучающие данные. Это явление называется переобучением сети или оверфиттингом . В таких случаях обучение обычно прекращают. В процессе обучения могут проявиться другие проблемы, такие как паралич или попадание сети в локальный минимум поверхности ошибок. Невозможно заранее предсказать проявление той или иной проблемы, равно как и дать однозначные рекомендации к их разрешению.

Проверка адекватности обучения

Даже в случае успешного, на первый взгляд, обучения сеть не всегда обучается именно тому, чего от неё хотел создатель. Известен случай, когда сеть обучалась распознаванию изображений танков по фотографиям, однако позднее выяснилось, что все танки были сфотографированы на одном и том же фоне. В результате сеть «научилась» распознавать этот тип ландшафта, вместо того, чтобы «научиться» распознавать танки . Таким образом, сеть «понимает» не то, что от неё требовалось, а то, что проще всего обобщить.

Классификация по типу входной информации

• Аналоговые нейронные сети (используют информацию в форме действительных чисел);
• Двоичные нейронные сети (оперируют с информацией, представленной в двоичном виде).

Классификация по характеру обучения

• Обучение с учителем - выходное пространство решений нейронной сети известно;
• Обучение без учителя - нейронная сеть формирует выходное пространство решений только на основе входных воздействий. Такие сети называют самоорганизующимися;
• Обучение с подкреплением - система назначения штрафов и поощрений от среды.

Классификация по характеру настройки синапсов

Классификация по времени передачи сигнала

В ряде нейронных сетей активирующая функция может зависеть не только от весовых коэффициентов связей w i j , но и от времени передачи импульса (сигнала) по каналам связи τ i j . По этому в общем виде активирующая (передающая) функция связи c i j от элемента u i к элементу u j имеет вид: . Тогда синхронной сетью i j каждой связи равна либо нулю, либо фиксированной постоянной τ . Асинхронной называют такую сеть у которой время передачи τ i j для каждой связи между элементами u i и u j свое, но тоже постоянное.

Классификация по характеру связей

Сети прямого распространения (Feedforward)

Все связи направлены строго от входных нейронов к выходным. Примерами таких сетей являются перцептрон Розенблатта , многослойный перцептрон , сети Ворда .

Рекуррентные нейронные сети‎

Сигнал с выходных нейронов или нейронов скрытого слоя частично передается обратно на входы нейронов входного слоя (обратная связь). Рекуррентная сеть сеть Хопфилда «фильтрует» входные данные, возвращаясь к устойчивому состоянию и, таким образом, позволяет решать задачи компрессии данных и построения ассоциативной памяти . Частным случаем рекуррентных сетей является двунаправленные сети. В таких сетях между слоями существуют связи как в направлении от входного слоя к выходному, так и в обратном. Классическим примером является Нейронная сеть Коско .

Радиально-базисные функции

Искусственные нейронные сети, использующие в качестве активационных функций радиально-базисные (такие сети сокращённо называются RBF-сетями). Общий вид радиально-базисной функции:

, например,

где x - вектор входных сигналов нейрона, σ - ширина окна функции, φ(y ) - убывающая функция (чаще всего, равная нулю вне некоторого отрезка).

Радиально-базисная сеть характеризуется тремя особенностями:

1. Единственный скрытый слой

2. Только нейроны скрытого слоя имеют нелинейную активационную функцию

3. Синаптические веса связей входного и скрытого слоев равны единице

Про процедуру обучения - см. литературу

Самоорганизующиеся карты

Такие сети представляют собой соревновательную нейронную сеть с обучением без учителя , выполняющую задачу визуализации и кластеризации . Является методом проецирования многомерного пространства в пространство с более низкой размерностью (чаще всего, двумерное), применяется также для решения задач моделирования, прогнозирования и др. Является одной из версий нейронных сетей Кохонена . Самоорганизующиеся карты Кохонена служат, в первую очередь, для визуализации и первоначального («разведывательного») анализа данных .

Сигнал в сеть Кохонена поступает сразу на все нейроны, веса соответствующих синапсов интерпретируются как координаты положения узла, и выходной сигнал формируется по принципу «победитель забирает всё» - то есть ненулевой выходной сигнал имеет нейрон, ближайший (в смысле весов синапсов) к подаваемому на вход объекту. В процессе обучения веса синапсов настраиваются таким образом, чтобы узлы решетки «располагались» в местах локальных сгущений данных, то есть описывали кластерную структуру облака данных, с другой стороны, связи между нейронами соответствуют отношениям соседства между соответствующими кластерами в пространстве признаков.

Удобно рассматривать такие карты как двумерные сетки узлов, размещенных в многомерном пространстве. Изначально самоорганизующаяся карта представляет из себя сетку из узлов, соединенный между собой связями. Кохонен рассматривал два варианта соединения узлов - в прямоугольную и гексагональную сетку - отличие состоит в том, что в прямоугольной сетке каждый узел соединен с 4-мя соседними, а в гексагональной - с 6-ю ближайщими узлами. Для двух таких сеток процесс построения сети Кохонена отличается лишь в том месте, где перебираются ближайшие к данному узлу соседи.

Начальное вложение сетки в пространство данных выбирается произвольным образом. В авторском пакете SOM_PAK предлагаются варианты случайного начального расположения узлов в пространстве и вариант расположения узлов в плоскости. После этого узлы начинают перемещаться в пространстве согласно следующему алгоритму:

1. Случайным образом выбирается точка данных x .
2. Определяется ближайший к x узел карты (BMU - Best Matching Unit).
3. Этот узел перемещается на заданный шаг по направлению к x. Однако, он перемещается не один, а увлекает за собой определенное количество ближайших узлов из некоторой окрестности на карте. Из всех двигающихся узлов наиболее сильно смещается центральный - ближайший к точке данных - узел, а остальные испытывают тем меньшие смещения, чем дальше они от BMU. В настройке карты различают два этапа - этап грубой (ordering) и этап тонкой (fine-tuning) настройки. На первом этапе выбираются большие значения окрестностей и движение узлов носит коллективный характер - в результате карта «расправляется» и грубым образом отражает структуру данных; на этапе тонкой настройки радиус окрестности равен 1-2 и настраиваются уже индивидуальные положения узлов. Кроме этого, величина смещения равномерно затухает со временем, то есть она велика в начале каждого из этапов обучения и близка к нулю в конце.
4. Алгоритм повторяется определенное число эпох (понятно, что число шагов может сильно изменяться в зависимости от задачи).

Известные типы сетей

• Сеть Хэмминга;
• Неокогнитрон;
• Хаотическая нейронная сеть;
• Сеть встречного распространения;
• Сеть радиальных базисных функций (RBF-сеть);
• Сеть обобщенной регрессии;
• Вероятностная сеть;
• Сиамская нейронная сеть;
• Сети адаптивного резонанса.

Отличия от машин с архитектурой фон Неймана

Длительный период эволюции придал мозгу человека много качеств, которые отсутствуют в машинах с архитектурой фон Неймана:

• Массовый параллелизм;
• Распределённое представление информации и вычисления;
• Способность к обучению и обобщению;
• Адаптивность;
• Свойство контекстуальной обработки информации;
• Толерантность к ошибкам;
• Низкое энергопотребление.

Нейронные сети - универсальные аппроксиматоры

Нейронные сети - универсальные аппроксимирующие устройства и могут с любой точностью имитировать любой непрерывный автомат. Доказана обобщённая аппроксимационная теорема : с помощью линейных операций и каскадного соединения можно из произвольного нелинейного элемента получить устройство, вычисляющее любую непрерывную функцию с любой наперёд заданной точностью . Это означает, что нелинейная характеристика нейрона может быть произвольной: от сигмоидальной до произвольного волнового пакета или вейвлета , синуса или полинома . От выбора нелинейной функции может зависеть сложность конкретной сети, но с любой нелинейностью сеть остаётся универсальным аппроксиматором и при правильном выборе структуры может сколь угодно точно аппроксимировать функционирование любого непрерывного автомата.

Примеры приложений

Предсказание финансовых временных рядов

Входные данные - курс акций за год. Задача - определить завтрашний курс. Проводится следующее преобразование - выстраивается в ряд курс за сегодня, вчера, за позавчера, за позапозавчера. Следующий ряд - смещается по дате на один день и так далее. На полученном наборе обучается сеть с 3 входами и одним выходом - то есть выход: курс на дату, входы: курс на дату минус 1 день, минус 2 дня, минус 3 дня. Обученной сети подаем на вход курс за сегодня, вчера, позавчера и получаем ответ на завтра. Нетрудно заметить, что в этом случае сеть просто выведет зависимость одного параметра от трёх предыдущих. Если желательно учитывать ещё какой-то параметр (например, общий индекс по отрасли), то его надо добавить как вход (и включить в примеры), переобучить сеть и получить новые результаты. Для наиболее точного обучения стоит использовать метод ОРО , как наиболее предсказуемый и несложный в реализации.

Психодиагностика

Серия работ М. Г. Доррера с соавторами посвящена исследованию вопроса о возможности развития психологической интуиции у нейросетевых экспертных систем . Полученные результаты дают подход к раскрытию механизма интуиции нейронных сетей, проявляющейся при решении ими психодиагностических задач. Создан нестандартный для компьютерных методик интуитивный подход к психодиагностике , заключающийся в исключении построения описанной реальности . Он позволяет сократить и упростить работу над психодиагностическими методиками.

Хемоинформатика

Нейронные сети широко используются в химических и биохимических исследованиях В настоящее время нейронные сети являются одним из самых распространенных методов хемоинформатики для поиска количественных соотношений структура-свойство , благодаря чему они активно используются как для прогнозирования физико-химических свойств и биологической активности химических соединений, так и для направленного дизайна химических соединений и материалов с заранее заданными свойствами, в том числе при разработке новых лекарственных препаратов.

Примечания

1. Мак-Каллок У. С., Питтс В. ,Логическое исчисление идей, относящихся к нервной активности // В сб.: «Автоматы» под ред. К. Э. Шеннона и Дж. Маккарти. - М.: Изд-во иностр. лит., 1956. - с.363-384. (Перевод английской статьи 1943 г.)
2. Pattern Recognition and Adaptive Control. BERNARD WIDROW
3. Уидроу Б., Стирнс С. , Адаптивная обработка сигналов. - М.: Радио и связь, 1989. - 440 c.
4. Werbos P. J. , Beyond regression: New tools for prediction and analysis in the behavioral sciences. Ph.D. thesis, Harvard University, Cambridge, MA, 1974.
5. Галушкин А. И. Синтез многослойных систем распознавания образов. - М.: «Энергия», 1974.
6. Rumelhart D.E., Hinton G.E., Williams R.J. , Learning Internal Representations by Error Propagation. In: Parallel Distributed Processing, vol. 1, pp. 318-362. Cambridge, MA, MIT Press. 1986.
7. Барцев С. И., Охонин В. А. Адаптивные сети обработки информации. Красноярск: Ин-т физики СО АН СССР, 1986. Препринт N 59Б. - 20 с.
8. BaseGroup Labs - Практическое применение нейросетей в задачах классификации
9. Такой вид кодирования иногда называют кодом «1 из N»
10. Открытые системы - введение в нейросети
11. Миркес Е. М. ,Логически прозрачные нейронные сети и производство явных знаний из данных , В кн.: Нейроинформатика / А. Н. Горбань, В. Л. Дунин-Барковский, А. Н. Кирдин и др. - Новосибирск: Наука. Сибирское предприятие РАН, 1998. - 296 с ISBN 5020314102
12. Упоминание этой истории в журнале «Популярная механика»
13. http://www.intuit.ru/department/expert/neuro/10/ INTUIT.ru - Рекуррентные сети как ассоциативные запоминающие устройства]
14. Kohonen, T. (1989/1997/2001), Self-Organizing Maps, Berlin - New York: Springer-Verlag. First edition 1989, second edition 1997, third extended edition 2001, ISBN 0-387-51387-6, ISBN 3-540-67921-9
15. Зиновьев А. Ю. Визуализация многомерных данных . - Красноярск: Изд. Красноярского государственного технического университета, 2000. - 180 с.
16. Горбань А. Н. , Обобщенная аппроксимационная теорема и вычислительные возможности нейронных сетей , Сибирский журнал вычислительной математики, 1998. Т.1, № 1. С. 12-24.
17. Gorban A.N., Rossiyev D.A., Dorrer M.G. , MultiNeuron - Neural Networks Simulator For Medical, Physiological, and Psychological Applications , Wcnn’95, Washington, D.C.: World Congress on Neural Networks 1995 International Neural Network Society Annual Meeting: Renaissance Hotel, Washington, D.C., USA, July 17-21, 1995.
18. Доррер М. Г. , Психологическая интуиция искусственных нейронных сетей , Дисс. ... 1998. Другие копии онлайн: ,
19. Баскин И. И., Палюлин В. А., Зефиров Н. С., Применение искусственных нейронных сетей в химических и биохимических исследованиях, Вестн. Моск. Ун-Та. Сер. 2. Химия. 1999. Т.40. № 5.
20. Гальберштам Н. М., Баскин И. И., Палюлин В. А., Зефиров Н. С. Нейронные сети как метод поиска зависимостей структура – свойство органических соединений // Успехи химии . - 2003. - Т. 72. - № 7. - С. 706-727.
21. Баскин И. И., Палюлин В. А., Зефиров Н. С. Многослойные персептроны в исследовании зависимостей «структура-свойство» для органических соединений // Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества им. Д.И.Менделеева) . - 2006. - Т. 50. - С. 86-96.

Ссылки

• Artificial Neural Network for PHP 5.x - Серьезный проект по разработке нейронных сетей на языке программирования PHP 5.X
• Форум, посвященный Нейронным Сетям и Генетическим Алгоритмам
• Миркес Е. М. , Нейроинформатика: Учеб. пособие для студентов с программами для выполнения лабораторных работ.
• Пошаговые примеры реализации наиболее известных типов нейронных сетей на MATLAB, Neural Network Toolbox
• Подборка материалов по нейронным сетям и интеллектуальному анализу
• противника применения нейронных сетей в прогнозировании цен на акции

Алгоритмы , Машинное обучение

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

Что такое нейрон смещения?

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

Для чего нужен нейрон смещения?

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

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

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

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

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

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

Как сделать чтобы НС давала правильные ответы?

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

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

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

Что такое градиентный спуск?

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

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

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

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

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

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

Что такое Метод Обратного Распространения (МОР)?

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

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

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

Данные задачи из предыдущей статьи

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

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

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

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

O1ideal = 1 (0xor1=1)

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

Результат - 0.33, ошибка - 45%.

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

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


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

Решение

O1output = 0.33
O1ideal = 1
Error = 0.45

O1 = (1 - 0.33) * ((1 - 0.33) * 0.33) = 0.148

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

Решение

H1output = 0.61
w5 = 1.5
?O1 = 0.148

H1 = ((1 - 0.61) * 0.61) * (1.5 * 0.148) = 0.053

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

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

Решение

H1output = 0.61
?O1 = 0.148

GRADw5 = 0.61 * 0.148 = 0.09

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


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

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

Решение

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

W5 = 0.7 * 0.09 + 0 * 0.3 = 0.063
w5 = w5 + ?w5 = 1.563

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

Решение

H2output = 0.69
w6 = -2.3
?O1 = 0.148
E = 0.7
? = 0.3
?w6(i-1) = 0

H2 = ((1 - 0.69) * 0.69) * (-2.3 * 0.148) = -0.07

GRADw6 = 0.69 * 0.148 = 0.1

W6 = 0.7 * 0.1 + 0 * 0.3 = 0.07

W6 = w6 + ?w6 = -2.2

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

Решение

w1 = 0.45, ?w1(i-1) = 0
w2 = 0.78, ?w2(i-1) = 0
w3 = -0.12, ?w3(i-1) = 0
w4 = 0.13, ?w4(i-1) = 0
?H1 = 0.053
?H2 = -0.07
E = 0.7
? = 0.3

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

W1 = 0.7 * 0.053 + 0 * 0.3 = 0.04
?w2 = 0.7 * -0.07 + 0 * 0.3 = -0.05
?w3 = 0.7 * 0 + 0 * 0.3 = 0
?w4 = 0.7 * 0 + 0 * 0.3 = 0

W1 = w1 + ?w1 = 0.5
w2 = w2 + ?w2 = 0.73
w3 = w3 + ?w3 = -0.12
w4 = w4 + ?w4 = 0.13

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

Решение

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

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

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

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

O1ideal = 1 (0xor1=1)

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

Результат - 0.37, ошибка - 39%.

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

Что еще нужно знать о процессе обучения?

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

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

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

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

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

Вкратце о каждом методе:

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

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

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

Что такое гиперпараметры?

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

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

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

Что такое сходимость?

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

Что такое переобучение?

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

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

Заключение

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

Всем привет!

Буквально вчера нашел книгу Тарика Рашида «Создай свою нейросеть». Книга является бестселлером (топ 1 продаж) в разделе «Искусственный интеллект». Книга свежая, вышла в прошлом году.

Впечатления от первых разделов замечательные. Одно из лучших введений в сферу нейросетей из всех мною виденных. Книга мне так понравилась, что я решил перевести ее на русский язык и выкладывать сюда в виде статей. Часть материала из книги пойдет на улучшение уже существующих глав, часть на следующие.

Перевел уже два первых раздела 1 главы. Вы можете этих разделов.

Читайте - наслаждайтесь!

1 Глава. Как они работают.

1.1 Легко для меня, тяжело для тебя

Все компьютеры являются калькуляторами в душе. Они умеют очень быстро считать.

Не стоит их в этом упрекать. Они отлично выполняют свою работу: считают цену с учетом скидки, начисляют долговые проценты, рисуют графики по имеющимся данным и так далее.

Даже просмотр телевизора или прослушивание музыки с помощью компьютера представляют собой выполнение огромного количества арифметических операций снова и снова. Это может прозвучать удивительно, но отрисовка каждого кадра изображения из нулей и единиц, полученных через интернет задействует вычисления, которые не сильно сложнее тех задач, которые мы все решали в школе.

Однако, способность компьютера складывать тысячи и миллионы чисел в секунду вовсе не является искусственным интеллектом. Человеку сложно так быстро складывать числа, но согласитесь, что эта работа не требует серьезных интеллектуальных затрат. Надо придерживаться заранее известного алгоритма по складыванию чисел и ничего более. Именно этим и занимаются все компьютеры - придерживаются четкого алгоритма.

С компьютерами все ясно. Теперь давайте поговорим о том, в чем мы хороши по сравнению с ними.

Посмотрите на картинки ниже и определите, что на них изображено:

Вы видите лица людей на первой картинке, морду кошки на второй и дерево на третьей. Вы распознали объекты на этих картинках. Заметьте, что вам хватило лишь взгляда, чтобы безошибочно понять, что на них изображено. Мы редко ошибаемся в таких вещах.

Мы мгновенно и без особого труда воспринимаем огромное количество информации, которое содержат изображения и очень точно определяем объекты на них. А вот для любого компьютера такая задача встанет поперек горла.

У любого компьютера вне зависимости от его сложности и быстроты нет одного важного качества - интеллекта, которым обладает каждый человек.

Но мы хотим научить компьютеры решать подобные задачи, потому что они быстрые и не устают. Искусственный интеллект как раз занимается решением подобного рода задач.

Конечно компьютеры и дальше будут состоять из микросхем. Задача искусственного интеллекта - найти новые алгоритмы работы компьютера, которые позволят решать интеллектуальные задачи. Эти алгоритмы не всегда идеальны, но они решают поставленные задачи и создают впечатление, что компьютер ведет себя как человек.

Ключевые моменты

• Есть задачи легкие для обычных компьютеров, но вызывающие трудности и людей. Например, умножение миллиона чисел друг на друга.
• С другой стороны, существуют не менее важные задачи, которые невероятно сложны для компьютера и не вызывают проблем у людей. Например, распознавание лиц на фотографиях.

1.2 Простая предсказательная машина

Давайте начнем с чего-нибудь очень простого. Дальше мы будет отталкиваться от материала, изученного в этом разделе.

Представьте себе машину, которая получает вопрос, «обдумывает» его и затем выдает ответ. В примере выше вы получали картинку на вход, анализировали ее с помощью мозгов и делали вывод об объекте, который на ней изображен. Выглядит это как-то так:

Компьютеры на самом деле ничего не «обдумывают». Они просто применяют заранее известные арифметические операции. Поэтому давайте будем называть вещи своими именами:

Компьютер принимает какие-то данные на вход, производит необходимые вычисления и выдает готовый результат. Рассмотрим следующий пример. Если на вход компьютеру поступает выражение ​\(3 \times 4 \) ​, то оно преобразуется в более простую последовательность сложений. Как итог, получаем результат - 12.

Выглядит не слишком впечатляюще. Это нормально. С помощью этих тривиальных примеров вы увидите идею, которую реализуют нейросети.

Теперь представьте себе машину, которая преобразует километры в мили:

Теперь представьте, что мы не знаем формулу, с помощью которой километры переводятся в мили. Мы знаем только, что зависимость между двумя этими величинами линейная . Это означает, что если мы в два раза увеличим дистанцию в милях, то дистанция в километрах тоже увеличится в два раза. Это интуитивно понятно. Вселенная была бы очень странной, если бы это правило не выполнялось.

Линейная зависимость между километрами и милями дает нам подсказку, в какой форме надо преобразовывать одну величину в другую. Мы можем представить эту зависимость так:

\[ \text{мили} = \text{километры} \times C \]

В выражении выше ​\(C \) ​ выступает в роли некоторого постоянного числа - константы. Пока мы не знаем, чему равно ​\(C \) ​.

Единственное, что нам известно - несколько заранее верно отмеренных расстояний в километрах и милях.

И как же узнать значение ​\(C \) ​? А давайте просто придумаем случайное число и скажем, что ему-то и равна наша константа. Пусть ​\(C = 0.5 \) ​. Что же произойдет?

Принимая, что ​\(C = 0.5 \) ​ мы из 100 километров получаем 50 миль. Это отличный результат принимая во внимания тот факт, что ​\(C = 0.5 \) ​ мы выбрали совершенно случайно! Но мы знаем, что наш ответ не совсем верен, потому что согласно таблице верных замеров мы должны были получить 62.137 мили.

Мы промахнулись на 12.137 миль. Это наша погрешность - разница между полученным ответом и заранее известным правильным результатом, который в данном случае мы имеем в таблице.

\[ \begin{gather*} \text{погрешность} = \text{правильное значение} — \text{полученный ответ} \\ = 62.137 — 50 \\ = 12.137 \end{gather*} \]

Вновь смотрим на погрешность. Полученное расстояние короче на 12.137. Так как формула по переводу километров в мили линейная (​\(\text{мили} = \text{километры} \times C \) ​), то увеличение значения ​\(C \) ​ увеличит и выходной результат в милях.

Давайте теперь примем, что ​\(C = 0.6 \) ​ и посмотрим, что произойдет.

Так как ​\(C=0.6 \) ​, то для 100 километров имеем ​\(100 \times 0.6 = 60 \) ​ миль. Это гораздо лучше предыдущей попытки (в тот раз было 50 миль)! Теперь наша погрешность очень мала - всего 2.137 мили. Вполне себе точный результат.

Теперь обратите внимание на то, как мы использовали полученную погрешность для корректировки значения константы ​\(C \) ​. Нам нужно было увеличить выходное число миль и мы немного увеличили значение ​\(C \) ​. Заметьте, что мы не используем алгебру для получения точного значения ​\(C \) ​, а ведь мы могли бы. Почему? Потому что на свете полно задач, которые не имеют простой математической связи между полученным входом и выдаваемым результатом.

Именно для задач, которые практически не решаются простым подсчетом нам и нужны такие изощренные штуки, как нейронные сети.

Боже мой! Мы хватанули слишком много и превысили правильный результат. Наша предыдущая погрешность равнялась 2.137, а теперь она равна -7.863. Минус означает, что наш результат оказался больше правильного ответа, так как погрешность вычисляется как правильный ответ — (минус) полученный ответ.

Получается, что при ​\(C=0.6 \) ​ мы имеем гораздо более точный выход. На этом можно было бы и закончить. Но давайте все же увеличим ​\(C \) ​, но не сильно! Пусть ​\(C=0.61 \) ​.

Так-то лучше! Наша машина выдает 61 милю, что всего на 1.137 милю меньше, чем правильный ответ (62.137).

Из этой ситуации с превышением правильного ответа надо вынести важный урок. По мере приближения к правильному ответу параметры машины стоит менять все слабее и слабее. Это поможет избежать неприятных ситуаций, которые приводят к превышению правильного ответа.

Величина нашей корректировки ​\(C \) ​ зависит от погрешности. Чем больше наша погрешность, тем более сильно мы меняем значение ​\(C \) ​. Но когда погрешность становиться маленькой, необходимо менять ​\(C \) ​ по чуть-чуть. Логично, не так ли?

Верьте или нет, но только что вы поняли самую суть работы нейронных сетей. Мы тренируем «машины» постепенно выдавать все более и более точный результат.

Важно понимать и то, как мы решали эту задачу. Мы не решали ее в один заход, хотя в данном случае так можно было бы поступить. Вместо этого, мы приходили к правильному ответу по шагам так, что с каждым шагом наши результаты становились лучше.

Не правда ли объяснения очень простые и понятные? Лично я не встречал более лаконичного способа объяснить, что такое нейросети.

Если вам что-то непонятно, задавайте вопросы на форуме.

Мне важно ваше мнение - оставляйте комментарии 🙂

В последние годы технологический прогресс настолько ускорился, что перестал нас особенно удивлять. Мы практически свыклись с мыслью, что в ближайшие годы дороги заполонят автомобили с автопилотом, а персональный компьютер как собеседник будет поинтереснее большинства людей. Такой скачок в технологиях обеспечен прорывом в новой области знания - нейронные сети. Что это такое, стоит знать даже тем, кто никогда не интересовался миром IT.

Краткое описание феномена

Нейросетевыми называются такие вычислительные системы, которые обладают способностью к самообучению и постепенному повышению производительности. Они используются при решении таких задач, которые не поддаются логическому программированию:

• Машинное обучение - разновидность искусственного интеллекта. Особенность его заключается в постепенном обучении на примере миллионов однотипных задач;
• В робототехнике система используется в выработке многочисленных алгоритмов для железных «мозгов» автоматических систем;
• Архитекторы компьютерных систем находят в нейросетях одно из решений проблемы параллельных вычислений;
• Также имеются многие другие варианты имплементации: разрешение сугубо математических проблем, моделирование естественного интеллекта на основе ЭВМ и др.

Основными элементами такой сети являются:

1. Искусственные нейроны - элементарные, связанные между собой единицы;
2. Синапс - соединение, которое служит для отправки-получения данных между нейронами;
3. Сигнал - информация, подлежащая передаче.

Сверточные нейронные сети

Одной из самых популярных разновидностей нейросетей является так называемая сверточная , которая доказала свою эффективность в распознавании визуальных образов (изображения и видео), рекомендательных системах и обработке естественного языка:

• Они прекрасно масштабируются и могут применяться для распознавания образов сколь угодно большого разрешения;
• В них применяются объемные (трехмерные) нейроны. Нейроны внутри слоя связаны только небольшими областями, которые называются рецептивным полем;
• Нейроны соседних слоев подключаются по механизму пространственной локализации. Укладка множества таких слоев обеспечивает появление нелинейных фильтров, которые начинают реагировать на все большее число пикселей;
• Каждый фильтр расширяется на все поле зрения. Данные единицы тиражируются, делятся имеющимися параметрами и формируют карту. Тем самым все нейроны определенного сверточного слоя начинают реагировать на один и тот же объект (в пределах конкретной области ответа).

Экскурс в историю

Практическая реализация теории машинного обучения стала возможна только сегодня, благодаря появлению относительно дешевого и в то же время мощного «железа». Однако теоретические изыскания на эту тему насчитывают не один десяток лет:

• Первая вычислительная модель пороговой логики на основе математики и алгоритмов была построена Уорреном Маккалоком и Уолтером Питттсом в 1943 году;
• В конце 1940-х годов Дональд Хебб разработал механизм нейронной пластичности и тем самым заложил правила обучения автоматов;
• 1954 годом датируется первое применение теоретических открытий в работе ЭВМ. Элисон Кларк использовал для этих целей обычный калькулятор;
• Фрэнк Розенблатт в 1958 году разработал алгоритм распознавания образов и математическую нотацию к нему;
• В конце 1960-х научный интерес к проблематике заметно угас ввиду невозможности его применения на аппаратных мощностях того времени;
• Кибернетики вернулись к нейронным сетям лишь в начале 1980-х: появилась система с механизмом обратной связи, разработаны алгоритмы самообучения и заложены основы дисциплины data mining;
• К 2000-м вычислительная мощность ЭВМ выросла настолько, что позволила реализовать самые смелые чаяния кабинетных ученых. Широкое распространение получили программы распознавания голоса, компьютерного зрения и т. д.

Нейронная сеть Хопфилда

В 1982 году американский ученый Джон Хопфилд описал новый вид вычислительной системы, которая теперь носит его имя. Среди ее характерных особенностей:

1. Блоки в сети могут принимать только два значения для описания их состояния: 1 и -1. Каждая пара единиц значения говорит о возможности или невозможности подключения узлов графа;
2. Обновление одного узла в графе моделирования искусственных нейронов выполняется асинхронно или синхронно. В первом случае обновляется только один блок, который может быть выбран случайным образом. Во втором случае все блоки обновляются одновременно;
3. Сеть характеризуется состоянием, которое называется «энергией». Обновления сетей всегда происходят при максимальных значениях энергии;
4. Правила обучения сети аналогичны механизмам человеческого интеллекта. Возможно подключение новых данных как с использованием старых данных (локальное правило), так и без обращения к старым образцам (добавочное правило).

Данная модель ввиду большой близости к биологическим образцам часто используется для понимания функционирования человеческой памяти.

Основные ограничения и проблемы

Список основных претензий к современным методам интеллектуального анализа данных сводятся к следующему:

1. Требуются значительные затраты времени на сбор подходящей информации и последующее обучение машины. В первую очередь касается робототехники;
2. Ни одна из существующих ныне систем не способна решить фундаментальные математические проблемы (задача коммивояжера и факторизация больших чисел);
3. Высокая сложность создания, настройки и обслуживания систем. Для этого требуются специалисты с очень высокой квалификацией, оплачивать услуги которых могут позволить себе только очень крупные корпорации;
4. Для эффективной работы необходимо наличие высокопроизводительных ферм ЭВМ и программного обеспечения. Проблема постепенно решается благодаря увеличению аппаратной мощности графических процессоров: с 1991 по 2015 годы она возросла в миллион раз.

Несмотря на многочисленные проблемы, нейронные сети являются лучшим, что имеет ныне человечество на пути к искусственному интеллекту. Они применяются практически повсеместно: автопилоты в самолетах и автомобилях, программы для обнаружения мошенничества с кредитным картами, освоение игры в го (логическая настольная игра) и т. д.

Рекуррентные нейронные сети

Если соединения между блоками образуют ориентированный цикл (начинаются и заканчиваются на одной и той же вершине графа), то речь идет о рекуррентной нейронной сети :

• Каждое соединение имеет определенный вес (приоритет);
• Узлы делятся на два типа: вводные, узлы вывода и скрытые;
• Информация может передаваться не только по прямой (слой за слоем), но и между нейронами. Так отдельные элементы могут получать данные о предыдущем положении системы;
• Отличительной чертой является так называемая концепция внимания: машине можно указать на определенные фрагменты данных, требующих углубленной обработки.

Благодаря особенностям конструкции сеть используется для решения широкого круга задач:

• Распознавание вербальных и текстовых данных;
• В то же время, понимание смысла текста затруднено: машина «видит» лишь визуальную картинку без привязки к качественным характеристикам;
• РНН в настоящее время используется в системах автоматизированного перевода текста (например, Яндекс.Переводчик).

Если в XX веке умнейшие люди планеты занимались проектированием ракет, то ныне объектом приложения их интеллектуального потенциала являются нейронные сети. Что это, сложно сегодня не знать, ведь о достижении в этой области трубят ведущие СМИ на каждом шагу. Самые известные примеры: голосовой помощник Apple Siri, онлайн-переводчик Google Translate, поисковый движок Яндекса «Палех». И это только начало на пути к полноценному искусственному интеллекту.

Видео про устройство нейронных сетей

В данном ролике Олег Волошин расскажет простым языком, как работают современные нейронные сети, на чем основан их функционал:

В первой половине 2016 года мир услышал о множестве разработок в области нейронных сетей - свои алгоритмы демонстрировали Google (сеть-игрок в го AlphaGo), Microsoft (ряд сервисов для идентификации изображений), стартапы MSQRD, Prisma и другие.

В закладки

Редакция сайт рассказывает, что из себя представляют нейронные сети, для чего они нужны, почему захватили планету именно сейчас, а не годами раньше или позже, сколько на них можно заработать и кто является основными игроками рынка. Своими мнениями также поделились эксперты из МФТИ, «Яндекса», Mail.Ru Group и Microsoft.

Что собой представляют нейронные сети и какие задачи они могут решать

Нейронные сети - одно из направлений в разработке систем искусственного интеллекта. Идея заключается в том, чтобы максимально близко смоделировать работу человеческой нервной системы - а именно, её способности к обучению и исправлению ошибок. В этом состоит главная особенность любой нейронной сети - она способна самостоятельно обучаться и действовать на основании предыдущего опыта, с каждым разом делая всё меньше ошибок.

Нейросеть имитирует не только деятельность, но и структуру нервной системы человека. Такая сеть состоит из большого числа отдельных вычислительных элементов («нейронов»). В большинстве случаев каждый «нейрон» относится к определённому слою сети. Входные данные последовательно проходят обработку на всех слоях сети. Параметры каждого «нейрона» могут изменяться в зависимости от результатов, полученных на предыдущих наборах входных данных, изменяя таким образом и порядок работы всей системы.

Руководитель направления «Поиск Mail.ru» в Mail.Ru Group Андрей Калинин отмечает, что нейронные сети способны решать такие же задачи, как и другие алгоритмы машинного обучения, разница заключается лишь в подходе к обучению.

Все задачи, которые могут решать нейронные сети, так или иначе связаны с обучением. Среди основных областей применения нейронных сетей - прогнозирование, принятие решений, распознавание образов, оптимизация, анализ данных.

Директор программ технологического сотрудничества Microsoft в России Влад Шершульский замечает, что сейчас нейросети применяются повсеместно: «Например, многие крупные интернет-сайты используют их, чтобы сделать реакцию на поведение пользователей более естественной и полезной своей аудитории. Нейросети лежат в основе большинства современных систем распознавания и синтеза речи, а также распознавания и обработки изображений. Они применяются в некоторых системах навигации, будь то промышленные роботы или беспилотные автомобили. Алгоритмы на основе нейросетей защищают информационные системы от атак злоумышленников и помогают выявлять незаконный контент в сети».

В ближайшей перспективе (5-10 лет), полагает Шершульский, нейронные сети будут использоваться ещё шире:

Представьте себе сельскохозяйственный комбайн, исполнительные механизмы которого снабжены множеством видеокамер. Он делает пять тысяч снимков в минуту каждого растения в полосе своей траектории и, используя нейросеть, анализирует - не сорняк ли это, не поражено ли оно болезнью или вредителями. И обрабатывает каждое растение индивидуально. Фантастика? Уже не совсем. А через пять лет может стать нормой. - Влад Шершульский, Microsoft

Заведующий лабораторией нейронных систем и глубокого обучения Центра живых систем МФТИ Михаил Бурцев приводит предположительную карту развития нейронных сетей на 2016-2018 годы:

• системы распознавания и классификации объектов на изображениях;
• голосовые интерфейсы взаимодействия для интернета вещей;
• системы мониторинга качества обслуживания в колл-центрах;
• системы выявления неполадок (в том числе, предсказывающие время технического обслуживания), аномалий, кибер-физических угроз;
• системы интеллектуальной безопасности и мониторинга;
• замена ботами части функций операторов колл-центров;
• системы видеоаналитики;
• самообучающиеся системы, оптимизирующие управление материальными потоками или расположение объектов (на складах, транспорте);
• интеллектуальные, самообучающиеся системы управления производственными процессами и устройствами (в том числе, робототехнические);
• появление систем универсального перевода «на лету» для конференций и персонального использования;
• появление ботов-консультантов технической поддержки или персональных ассистентов, по функциям близким к человеку.

Директор по распространению технологий «Яндекса» Григорий Бакунов считает, что основой для распространения нейросетей в ближайшие пять лет станет способность таких систем к принятию различных решений: «Главное, что сейчас делают нейронные сети для человека, - избавляют его от излишнего принятия решений. Так что их можно использовать практически везде, где принимаются не слишком интеллектуальные решения живым человеком. В следующие пять лет будет эксплуатироваться именно этот навык, который заменит принятие решений человеком на простой автомат».

Почему нейронные сети стали так популярны именно сейчас

Учёные занимаются разработкой искусственных нейронных сетей более 70 лет. Первую попытку формализовать нейронную сеть относят к 1943 году, когда два американских учёных (Уоррен Мак-Каллок и Уолтер Питтс) представили статью о логическом исчислении человеческих идей и нервной активности.

Однако до недавнего времени, говорит Андрей Калинин из Mail.Ru Group, скорость работы нейросетей была слишком низкой, чтобы они могли получить широкое распространение, и поэтому такие системы в основном использовались в разработках, связанных с компьютерным зрением, а в остальных областях применялись другие алгоритмы машинного обучения.

Трудоёмкая и длительная часть процесса разработки нейронной сети - её обучение. Для того, чтобы нейронная сеть могла корректно решать поставленные задачи, требуется «прогнать» её работу на десятках миллионов наборов входных данных. Именно с появлением различных технологий ускоренного обучения и связывают распространение нейросетей Андрей Калинин и Григорий Бакунов.

Главное, что произошло сейчас, - появились разные уловки, которые позволяют делать нейронные сети, значительно меньше подверженные переобучению.- Григорий Бакунов, «Яндекс»

«Во-первых, появился большой и общедоступный массив размеченных картинок (ImageNet), на которых можно обучаться. Во-вторых, современные видеокарты позволяют в сотни раз быстрее обучать нейросети и их использовать. В-третьих, появились готовые, предобученные нейросети, распознающие образы, на основании которых можно делать свои приложения, не занимаясь длительной подготовкой нейросети к работе. Всё это обеспечивает очень мощное развитие нейросетей именно в области распознавания образов», - замечает Калинин.

Каковы объёмы рынка нейронных сетей

«Очень легко посчитать. Можно взять любую область, в которой используется низкоквалифицированный труд, - например, работу операторов колл-центров - и просто вычесть все людские ресурсы. Я бы сказал, что речь идет о многомиллиардном рынке даже в рамках отдельной страны. Какое количество людей в мире задействовано на низкоквалифицированной работе, можно легко понять. Так что даже очень абстрактно говоря, думаю, речь идет о стомиллиардном рынке во всем мире», - говорит директор по распространению технологий «Яндекса» Григорий Бакунов.

По некоторым оценкам, больше половины профессий будет автоматизировано – это и есть максимальный объём, на который может быть увеличен рынок алгоритмов машинного обучения (и нейронных сетей в частности).- Андрей Калинин, Mail.Ru Group

«Алгоритмы машинного обучения - это следующий шаг в автоматизации любых процессов, в разработке любого программного обеспечения. Поэтому рынок как минимум совпадает со всем рынком ПО, а, скорее, превосходит его, потому что становится возможно делать новые интеллектуальные решения, недоступные старому ПО», - продолжает руководитель направления «Поиск Mail.ru» в Mail.Ru Group Андрей Калинин.

Зачем разработчики нейронных сетей создают мобильные приложения для массового рынка

В последние несколько месяцев на рынке появилось сразу несколько громких развлекательных проектов, использующих нейронные сети - это и популярный видеосервис , который социальная сеть Facebook, и российские приложения для обработки снимков (в июне инвестиции от Mail.Ru Group) и и другие.

Способности собственных нейронных сетей демонстрировали и Google (технология AlphaGo выиграла у чемпиона в го; в марте 2016 года корпорация продала на аукционе 29 картин, нарисованных нейросетями и так далее), и Microsoft (проект CaptionBot , распознающий изображения на снимках и автоматически генерирующий подписи к ним; проект WhatDog , по фотографии определяющий породу собаки; сервис HowOld , определяющий возраст человека на снимке и так далее), и «Яндекс» (в июне команда встроила в приложение «Авто.ру» сервис для распознавания автомобилей на снимках; представила записанный нейросетями музыкальный альбом; в мае создала проект LikeMo.net для рисования в стиле известных художников).

Такие развлекательные сервисы создаются скорее не для решения глобальных задач, на которые и нацелены нейросети, а для демонстрации способностей нейронной сети и проведения её обучения.

«Игры - характерная особенность нашего поведения как биологического вида. С одной стороны, на игровых ситуациях можно смоделировать практически все типичные сценарии человеческого поведения, а с другой - и создатели игр и, особенно, игроки могут получить от процесса массу удовольствия. Есть и сугубо утилитарный аспект. Хорошо спроектированная игра приносит не только удовлетворение игрокам: в процессе игры они обучают нейросетевой алгоритм. Ведь в основе нейросетей как раз и лежит обучение на примерах», - говорит Влад Шершульский из Microsoft.

«В первую очередь это делается для того, чтобы показать возможности технологии. Другой причины, на самом деле, нет. Если речь идёт о Prisma, то понятно, для чего это делали они. Ребята построили некоторый пайплайн, который позволяет им работать с картинками. Для демонстрации этого они избрали для себя довольно простой способ создания стилизаций. Почему бы и нет? Это просто демонстрация работы алгоритмов», - говорит Григорий Бакунов из «Яндекса».

Другого мнения придерживается Андрей Калинин из Mail.Ru Group: «Конечно, это эффектно с точки зрения публики. С другой стороны, я бы не сказал, что развлекательные продукты не могут быть применены в более полезных областях. Например, задача по стилизации образов крайне актуальна для целого ряда индустрий (дизайн, компьютерные игры, мультипликация - вот лишь несколько примеров), и полноценное использование нейросетей может существенно оптимизировать стоимость и методы создания контента для них».

Основные игроки на рынке нейронных сетей

Как отмечает Андрей Калинин, по большому счёту, большинство присутствующих на рынке нейронных сетей мало чем отличаются друг от друга. «Технологии у всех примерно одинаковые. Но применение нейросетей - это удовольствие, которое могут позволить себе далеко не все. Чтобы самостоятельно обучить нейронную сеть и поставить на ней много экспериментов, нужны большие обучающие множества и парк машин с дорогими видеокартами. Очевидно, что такие возможности есть у крупных компаний», - говорит он.

Среди основных игроков рынка Калинин упоминает Google и её подразделение Google DeepMind, создавшее сеть AlphaGo, и Google Brain. Собственные разработки в этой области есть у Microsoft - ими занимается лаборатория Microsoft Research. Созданием нейронных сетей занимаются в IBM, Facebook (подразделение Facebook AI Research), Baidu (Baidu Institute of Deep Learning) и другие. Множество разработок ведётся в технических университетах по всему миру.

Директор по распространению технологий «Яндекса» Григорий Бакунов отмечает, что интересные разработки в области нейронных сетей встречаются и среди стартапов. «Я бы вспомнил, например, компанию ClarifAI . Это небольшой стартап, сделанный когда-то выходцами из Google. Сейчас они, пожалуй, лучше всех в мире умеют определять содержимое картинки». К таким стартапам относятся и MSQRD, и Prisma, и другие.

В России разработками в области нейронных сетей занимаются не только стартапы, но и крупные технологические компании - например, холдинг Mail.Ru Group применяет нейросети для обработки и классификации текстов в «Поиске», анализа изображений. Компания также ведёт экспериментальные разработки, связанные с ботами и диалоговыми системами.

Созданием собственных нейросетей занимается и «Яндекс»: «В основном такие сети уже используются в работе с изображениями, со звуком, но мы исследуем их возможности и в других областях. Сейчас мы много экспериментов ставим в использовании нейросетей в работе с текстом». Разработки ведутся в университетах: в «Сколтехе», МФТИ, МГУ, ВШЭ и других.