В этой статье поговорим о том, как создавать нейросети и в качестве примера рассмотрим, как сделать нейронную сеть прямого распространения с нуля. Для реализации поставленной задачи воспользуемся языком программирования C#.
Только ленивый не слышал сегодня о существовании и разработке нейронных сетей и такой сфере, как машинное обучение. Для некоторых создание нейросети кажется чем-то очень запутанным, однако на самом деле они создаются не так уж и сложно. Как же их делают? Давайте попробуем самостоятельно создать нейросеть прямого распространения, которую еще называют многослойным перцептроном. В процессе работы будем использовать лишь циклы, массивы и условные операторы. Что означает этот набор данных? Только то, что нам подойдет любой язык программирования, поддерживающий вышеперечисленные возможности. Если же у языка есть библиотеки для векторных и матричных вычислений (вспоминаем NumPy в Python), то реализация с их помощью займет совсем немного времени. Но мы не ищем легких путей и воспользуемся C#, причем полученный код по своей сути будет почти аналогичным и для прочих языков программирования.
Что же такое нейронная сеть?
Под искусственной нейронной сетью (ИНС) понимают математическую модель (включая ее программное либо аппаратное воплощение), которая построена и работает по принципу функционирования биологических нейросетей — речь идет о нейронных сетях нервных клеток живых организмов.
Говоря проще, ИНС можно назвать неким «черным ящиком», превращающим входные данные в выходные данные. Если же посмотреть на это с точки зрения математики, то речь идет о том, чтобы отобразить пространство входных X-признаков в пространство выходных Y-признаков: X → Y. Таким образом, нам надо найти некую F-функцию, которая сможет выполнить данное преобразование. На первом этапе этой информации достаточно в качестве основы.
Какую роль играет искусственный нейрон?
В нашей статье мы не будем вдаваться в лирику и рассказывать об устройстве биологического нейрона в контексте его связи с искусственной моделью. Лучше сразу перейдем к делу.
Искусственный нейрон представляет собой взвешенную сумму векторных значений входных элементов. Эта сумма передается на нелинейную функцию активации f:
Но об активации поговорим после, т. к. сейчас стоит задача узнать, каким образом вместо одного выходного значения можно получить n-значений.
Нейрослой
Один нейрон может превратить в одну точку входной вектор, но по условию мы желаем получить несколько точек, т. к. выходное Y способно иметь произвольную размерность, которая определяется лишь ситуацией (один выход для XOR, десять выходов, чтобы определить принадлежность к одному из десяти классов, и так далее). Каким же образом получить n точек? На деле все просто: для получения n выходных значений, надо задействовать не один нейрон, а n. В результате для каждого элемента выходного Y будет использовано n разных взвешенных сумм от X. В итоге мы придем к следующему соотношению:
Давайте внимательно посмотрим на него. Вышенаписанная формула — это не что иное, как определение умножения матрицы на вектор. И в самом деле, если мы возьмем матрицу W размера n на m и выполним ее умножение на X размерности m, то мы получим другое векторное значение n-размерности, то есть как раз то, что надо.
Таким образом, мы можем записать похожее выражение в более удобной матричной форме:
Но полученный вектор представляет собой неактивированное состояние (промежуточное, невыходное) всех нейронов, а для того, чтобы нам получить выходное значение, нужно каждое неактивированное значение подать на вход вышеупомянутой функции активации. Итогом ее применения и станет выходное значение слоя.
Ниже показан пример нейронной сети, имеющей 2 входа, 5 нейронов и 1 выход:
Последовательность нейрослоев часто применяют для более глубокого обучения нейронной сети и большей формализации имеющихся данных. Именно поэтому, чтобы получить итоговый выходной вектор, нужно проделать вышеописанную операцию пару раз подряд по направлению от одного слоя к другому. В результате для 1-го слоя входным вектором будет являться X, а для последующих входом будет выход предыдущего слоя. То есть нейронная сеть может выглядеть следующим образом:
Функция активации
Речь идет о функции, добавляющей в нейронную сеть нелинейность. В результате нейроны смогут относительно точно сымитировать любую функцию. Широко распространены следующие функции активации:
Каждая из них имеет свои особенности.
Пишем код
Теперь мы знаем достаточно, чтобы создать простую нейронную сеть. Чтобы сделать то, что задумали, нам потребуются:
- Вектор.
- Матрица (каждый слой включает в себя матрицу весовых коэффициентов).
- Нейронная сеть.
Начнем с вектора. Создавать его можно:
- из количества элементов;
- из перечисления вещественных чисел.
Также мы можем получать и менять значения по индексу i.
Пишем код:
Теперь очередь матрицы. Ее можно создавать из числа строк и столбцов, а также генератора случайных чисел, причем есть возможность получать и менять значения по индексам i и j.
А вот и сама нейронная сеть:
Как будем обучать?
Пусть у нас уже есть нейронная сеть, но ведь ее ответы являются случайными, то есть наша нейросеть не обучена. Сейчас она способна лишь по входному вектору input выдавать случайный ответ, но нам нужны ответы, которые удовлетворяют конкретной поставленной задаче. Дабы этого достичь, сеть надо обучить. Здесь потребуется база тренировочных примеров и множество пар X — Y, на которых и будет происходить обучение, причем с использованием известного алгоритма обратного распространения ошибки.
Некоторые особенности работы этого алгоритма:
- на вход сети подается обучающий пример (1 входной вектор);
- сигнал распространяется по нейросети вперед (получаем выход сети);
- вычисляется ошибка (это разница между получившимся и ожидаемым векторами);
- ошибка распространяется на предыдущие слои;
- происходит обновление весовых коэффициентов в целях уменьшения ошибки.
Вот как выглядит алгоритм обучения:
Переходим к обучению
Для обратного распространения ошибки нужно знать значения выходов и входов, а также значения производных функции активации нейросети, причем послойно, следовательно, нужно создать структуру LayerT, где будут три векторных значения:
- x — вход слоя,
- z — выход,
- df — производная функции активации.
Для каждого слоя нам потребуются векторы дельт, в результате чего надо будет добавить в класс еще и их. В итоге класс будет выглядеть следующим образом:
Несколько слов об обратном распространении ошибки
В качестве функции оценки нейросети E(W) мы берем среднее квадратичное отклонение:
Дабы найти значение ошибки E, надо найти сумму квадратов разности векторных значений, которые были выданы нейронной сетью в виде ответа, а также вектора, который ожидается увидеть при обучении. Еще надо будет найти дельту каждого слоя и учесть, что для последнего слоя дельта будет равняться векторной разности фактического и ожидаемого результатов, покомпонентно умноженной на векторное значение производных последнего слоя:
Когда мы узнаем дельту последнего слоя, мы сможем найти дельты и всех предыдущих слоев. Чтобы это сделать, нужно будет лишь перемножить для текущего слоя транспонированную матрицу с дельтой, а потом перемножить результат с вектором производных функции активации предыдущего слоя:
Смотрим реализацию в коде:
Обновление весовых коэффициентов
Для уменьшения ошибки нейронной сети надо поменять весовые коэффициенты, причем послойно. Каким же образом это осуществить? Ничего сложного в этом нет: надо воспользоваться методом градиентного спуска. То есть нам надо рассчитать градиент по весам и сделать шаг от полученного градиента в отрицательную сторону. Давайте вспомним, что на этапе прямого распространения мы запоминали входные сигналы, а во время обратного распространения ошибки вычисляли дельты, причем послойно. Как раз ими и надо воспользоваться в целях нахождения градиента. Градиент по весам будет равняться не по компонентному перемножению дельт и входного вектора. Дабы обновить весовые коэффициенты, снизив таким образом ошибку нейросети, нужно просто вычесть из матрицы весов итог перемножения входных векторов и дельт, помноженный на скорость обучения. Все вышеперечисленное можно записать в следующем виде:
Вот оно, обучение!
Теперь мы имеем все нужные нам методы, поэтому остается лишь всё это вместе соединить, сформировав единый метод обучения.
Наша сеть готова, но мы пока ее еще ничему не научили. Сейчас это исправим.
Тренировка нейронной сети. Функции XOR
Функция XOR интересна тем, что ее нельзя получить одним нейроном:
Но ее легко получить путем увеличения количества нейронов. Давайте попробуем реализовать обучение с тремя нейронами в скрытом слое и одним выходным (выход ведь у нас только один). Чтобы все получилось, создадим массив X и Y, имеющий обучающие данные и саму нейронную сеть:
Теперь запускаем обучение с параметрами ниже:
- скорость обучения — 0.5,
- количество эпох — 100000,
- значение ошибки — 1e-7.
Выполнив обучение, посмотрим итоги, для чего надо будет сделать прямой проход для всех элементов:
В итоге вывод будет следующим:
Результаты
Мы написали нейронную сеть прямого распространения и не только написали, но и обучили ее функции XOR. Также была обеспечена универсальность, поэтому эту нейросеть можно обучать на любых данных — потребуется лишь:
- подготовить 2 векторных обучающих массива векторов X и Y,
- подобрать параметры,
- запустить само обучение,
- наблюдать за процессом.
Однако помните, что если используется сигмоидальная функция активации, выходные числа не будут больше единицы, что означает, что для обучения данным, которые существенно больше единицы, нужно будет нормировать их, приводя к отрезку [0, 1].
Надеемся, что материал был вам полезен и теперь вы знаете, как сделать нейросеть, и какие нюансы разработки стоит учитывать. Если же интересуют более продвинутые знания, обратите внимание на курсы, которые разработала команда Otus:
По материалам: https://programforyou.ru/poleznoe/pishem-neuroset-pryamogo-rasprostraneniya.
