Когда, за бутылкой пива, я заводил разговор о нейронных сетях - люди обычно начинали боязливо на меня смотреть, грустнели, иногда у них начинал дёргаться глаз, а в крайних случаях они залезали под стол. Но, на самом деле, эти сети просты и интуитивны. Да-да, именно так! И, позвольте, я вам это докажу!
Допустим, я знаю о девушке две вещи - симпатична она мне или нет, а также, есть ли о чём мне с ней поговорить. Если есть, то будем считать это единицей, если нет, то - нулём. Аналогичный принцип возьмем и для внешности. Вопрос: “В какую девушку я влюблюсь и почему?”
Можно подумать просто и бескомпромиссно: “Если симпатична и есть о чём поговорить, то влюблюсь. Если ни то и ни другое, то - увольте.”
Но что если дама мне симпатична, но с ней не о чем разговаривать? Или наоборот?
Понятно, что для каждого из нас что-то одно будет важнее. Точнее, у каждого параметра есть его уровень важности, или вернее сказать - вес. Если помножить параметр на его вес, то получится соответственно “влияние внешности” и “влияние болтливости разговора”.
И вот теперь я с чистой совестью могу ответить на свой вопрос:
“Если влияние харизмы и влияние болтливости в сумме больше значения “влюбчивость” то влюблюсь…”
То есть, если я поставлю большой вес “болтологичности” дамы и маленький вес внешности, то в спорной ситуации я влюблюсь в особу, с которой приятно поболтать. И наоборот.
Собственно, это правило и есть нейрон.
Искусственный нейрон - это такая функция, которая преобразует несколько входных фактов в один выходной. Настройкой весов этих фактов, а также порога возбуждения - мы настраиваем адекватность нейрона. В принципе, для многих наука жизни заканчивается на этом уровне, но ведь эта история не про нас, верно?
Сделаем ещё несколько выводов:
- Если оба веса будут малыми, то мне будет сложно влюбиться в кого бы-то ни было.
- Если же оба веса будут чересчур большими, то я влюблюсь хоть в столб.
- Заставить меня влюбиться в столб можно также, понизив порог влюбчивости, но прошу - не делайте со мной этого! Лучше давайте пока забудем про него, ок?
Кстати о пороге
Смешно, но параметр “влюбчивости” называется “порогом возбуждения”. Но, дабы эта статья не получила рейтинг “18+”, давайте договоримся говорить просто “порог”, ок?
Нейронная сеть
Не бывает однозначно симпатичных и однозначно общительных дам. Да и влюблённость влюблённости рознь, кто бы что ни говорил. Потому давайте вместо брутальных и бескомпромиссных “0” и “1”, будем использовать проценты. Тогда можно сказать - “я сильно влюблён (80%), или “эта дама не особо разговорчива (20%)”.
Наш примитивный “нейрон-максималист” из первой части уже нам не подходит. Ему на смену приходит “нейрон-мудрец”, результатом работы которого будет число от 0 до 1, в зависимости от входных данных.
“Нейрон-мудрец” может нам сказать: “эта дама достаточно красива, но я не знаю о чём с ней говорить, поэтому я не очень-то ей и восхищён”
Немного терминологии
К слову говоря, входные факты нейрона называются синапсами, а выходное суждение - аксоном. Связи с положительным весом называются возбуждающими, а с отрицательным - тормозящими. Если же вес равен нулю, то считается, что связи нет (мёртвая связь).
Поехали дальше. Сделаем по этим двум фактам другую оценку: насколько хорошо с такой девушкой работать (сотрудничать)? Будем действовать абсолютно аналогичным образом - добавим мудрый нейрон и настроим веса комфортным для нас образом.
Но, судить девушку по двум характеристикам - это очень грубо. Давайте судить её по трём! Добавим ещё один факт – деньги. Который будет варьироваться от нуля (абсолютно бедная) до единицы (дочь Рокфеллера). Посмотрим, как с приходом денег изменятся наши суждения….
Для себя я решил, что, в плане очарования, деньги не очень важны, но шикарный вид всё же может на меня повлиять, потому вес денег я сделаю маленьким, но положительным.
В работе мне абсолютно всё равно, сколько денег у девушки, поэтому вес сделаю равным нулю.
Оценивать девушку только для работы и влюблённости - очень глупо. Давайте добавим, насколько с ней будет приятно путешествовать:
- Харизма в этой задаче нейтральна (нулевой или малый вес).
- Разговорчивость нам поможет (положительный вес).
- Когда в настоящих путешествиях заканчиваются деньги, начинается самый драйв, поэтому вес денег я сделаю слегка отрицательным.
Соединим все эти три схемы в одну и обнаружим, что мы перешли на более глубокий уровень суждений, а именно: от харизмы, денег и разговорчивости - к восхищению, сотрудничеству и комфортности совместного путешествия. И заметьте - это тоже сигналы от нуля до единицы. А значит, теперь я могу добавить финальный “нейрон-максималист”, и пускай он однозначно ответит на вопрос - “жениться или нет”?
Ладно, конечно же, не всё так просто (в плане женщин). Привнесём немного драматизма и реальности в наш простой и радужный мир. Во-первых, сделаем нейрон "женюсь - не женюсь" - мудрым. Сомнения же присущи всем, так или иначе. И ещё - добавим нейрон "хочу от неё детей" и, чтобы совсем по правде, нейрон “держись от неё подальше".
Я ничего не понимаю в женщинах, и поэтому моя примитивная сеть теперь выглядит как картинка в начале статьи.
Входные суждения называются “входной слой”, итоговые - “выходной слой”, а тот, что скрывается посередине, называется "скрытым". Скрытый слой - это мои суждения, полуфабрикаты, мысли, о которых никто не знает. Скрытых слоёв может быть несколько, а может быть и ни одного.
Долой максимализм.
Помните, я говорил об отрицательном влияние денег на моё желание путешествовать с человеком? Так вот - я слукавил. Для путешествий лучше всего подходит персона, у которой денег не мало, и не много. Мне так интереснее и не буду объяснять почему.
Но тут я сталкиваюсь с проблемой:
Если я ставлю вес денег отрицательным, то чем меньше денег - тем лучше для путешествий.
Если положительным, то чем богаче - тем лучше,
Если ноль - тогда деньги “побоку”.
Не получается мне вот так, одним весом, заставить нейрон распознать ситуацию “ни много -ни мало”!
Чтобы это обойти, я сделаю два нейрона - “денег много” и “денег мало”, и подам им на вход денежный поток от нашей дамы.
Теперь у меня есть два суждения: “много” и “мало”. Если оба вывода незначительны, то буквально получится “ни много - ни мало”. То есть, добавим на выход ещё один нейрон, с отрицательными весами:
“Нимногонимало”. Красные стрелки - положительные связи, синие - отрицательные
Вообще, это значит, что нейроны подобны элементам конструктора. Подобно тому, как процессор делают из транзисторов, мы можем собрать из нейронов мозг. Например, суждение “Или богата, или умна” можно сделать так:
Или-или. Красные стрелки - положительные связи, синие – отрицательные
можно заменить “мудрые” нейроны на “максималистов” и тогда получим логический оператор XOR. Главное - не забыть настроить пороги возбуждения.
В отличие от транзисторов и бескомпромиссной логики типичного программиста “если - то”, нейронная сеть умеет принимать взвешенные решения. Их результаты будут плавно меняться, при плавном изменение входных параметров. Вот она мудрость!
Обращу ваше внимание, что добавление слоя из двух нейронов, позволило нейрону “ни много - ни мало” делать более сложное и взвешенное суждение, перейти на новый уровень логики. От “много” или “мало” - к компромиссному решению, к более глубокому, с философской точки зрения, суждению. А что если добавить скрытых слоёв ещё? Мы способны охватить разумом ту простую сеть, но как насчёт сети, у которой есть 7 слоёв? Способны ли мы осознать глубину её суждений? А если в каждом из них, включая входной, около тысячи нейронов? Как вы думаете, на что она способна?
Представьте, что я и дальше усложнял свой пример с женитьбой и влюблённостью, и пришёл к такой сети. Где-то там в ней скрыты все наши девять нейрончиков, и это уже больше похоже на правду. При всём желании, понять все зависимости и глубину суждений такой сети - попросту невозможно. Для меня переход от сети 3х3 к 7х1000 - сравним с осознанием масштабов, если не вселенной, то галактики - относительно моего роста. Попросту говоря, у меня это не получится. Решение такой сети, загоревшийся выход одного из её нейронов - будет необъясним логикой. Это то, что в быту мы можем назвать “интуицией” (по крайней мере – “одно из..”). Непонятное желание системы или её подсказка.
Но, в отличие от нашего синтетического примера 3х3, где каждый нейрон скрытого слоя достаточно чётко формализован, в настоящей сети это не обязательно так. В хорошо настроенной сети, чей размер не избыточен для решения поставленной задачи - каждый нейрон будет детектировать какой-то признак, но это абсолютно не значит, что в нашем языке найдётся слово или предложение, которое сможет его описать. Если проецировать на человека, то это - какая-то его характеристика, которую ты чувствуешь, но словами объяснить не можешь.
Обучение.
Несколькими строчками ранее я обмолвился о хорошо настроенной сети, чем вероятно спровоцировал немой вопрос: “А как мы можем настроить сеть, состоящую из нескольких тысяч нейронов? Сколько “человеколет” и погубленных жизней нужно на это?.. Боюсь предположить ответ на последний вопрос. Куда лучше автоматизировать такой процесс настройки - заставить сеть саму настраивать себя. Такой процесс автоматизации называется обучением. И чтобы дать поверхностное о нём представление, я вернусь к изначальной метафоре об “очень важном вопросе”:
Мы появляемся в этом мире с чистым, невинным мозгом и нейронной сетью, абсолютно не настроенной относительно дам. Её необходимо как-то грамотно настроить, дабы счастье и радость пришли в наш дом. Для этого нам нужен некоторый опыт, и тут есть несколько путей по его добыче:
1) Обучение с учителем (для романтиков). Насмотреться на голливудские мелодрамы и начитаться слезливых романов. Или же насмотреться на своих родителей и/или друзей. После этого, в зависимости от выборки, отправиться проверять полученные знания. После неудачной попытки - повторить всё заново, начиная с романов.
2) Обучение без учителя (для отчаянных экспериментаторов). Попробовать методом “тыка” жениться на десятке-другом женщин. После каждой женитьбы, в недоумение чесать репу. Повторять, пока не поймёшь, что надоело, и ты “уже знаешь, как это бывает”.
3) Обучение без учителя, вариант 2 (путь отчаянных оптимистов). Забить на всё, что-то делать по жизни, и однажды обнаружить себя женатым. После этого, перенастроить свою сеть в соответствие с текущей реальностью, дабы всё устраивало.
Всё вышесказанное справедливо для искусственной нейронной сети типа “персептрон”. Остальные сети похожи на нее по основным принципам, но имеют свою нюансы.
Хороших вам весов и отличных обучающих выборок! Ну а если это уже и не нужно, то расскажите об этом кому-нибудь ещё.
Веса моей нейронной сети не настроены, и я никак не могу понять к какому ресурсу должна относится эта статья.
Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите , пожалуйста.
Соответственно, нейронная сеть берет на вход два числа и должна на выходе дать другое число - ответ. Теперь о самих нейронных сетях.
Что такое нейронная сеть?
Нейронная сеть - это последовательность нейронов, соединенных между собой синапсами. Структура нейронной сети пришла в мир программирования прямиком из биологии. Благодаря такой структуре, машина обретает способность анализировать и даже запоминать различную информацию. Нейронные сети также способны не только анализировать входящую информацию, но и воспроизводить ее из своей памяти. Заинтересовавшимся обязательно к просмотру 2 видео из TED Talks: Видео 1 , Видео 2). Другими словами, нейросеть это машинная интерпретация мозга человека, в котором находятся миллионы нейронов передающих информацию в виде электрических импульсов.
Какие бывают нейронные сети?
Пока что мы будем рассматривать примеры на самом базовом типе нейронных сетей - это сеть прямого распространения (далее СПР). Также в последующих статьях я введу больше понятий и расскажу вам о рекуррентных нейронных сетях. СПР как вытекает из названия это сеть с последовательным соединением нейронных слоев, в ней информация всегда идет только в одном направлении.
Для чего нужны нейронные сети?
Нейронные сети используются для решения сложных задач, которые требуют аналитических вычислений подобных тем, что делает человеческий мозг . Самыми распространенными применениями нейронных сетей является:
Классификация - распределение данных по параметрам. Например, на вход дается набор людей и нужно решить, кому из них давать кредит, а кому нет. Эту работу может сделать нейронная сеть, анализируя такую информацию как: возраст, платежеспособность, кредитная история и тд.
Предсказание - возможность предсказывать следующий шаг. Например, рост или падение акций, основываясь на ситуации на фондовом рынке.
Распознавание - в настоящее время, самое широкое применение нейронных сетей. Используется в Google, когда вы ищете фото или в камерах телефонов, когда оно определяет положение вашего лица и выделяет его и многое другое.
Теперь, чтобы понять, как же работают нейронные сети, давайте взглянем на ее составляющие и их параметры.
Что такое нейрон?
Нейрон - это вычислительная единица, которая получает информацию, производит над ней простые вычисления и передает ее дальше. Они делятся на три основных типа: входной (синий), скрытый (красный) и выходной (зеленый). Также есть нейрон смещения и контекстный нейрон о которых мы поговорим в следующей статье. В том случае, когда нейросеть состоит из большого количества нейронов, вводят термин слоя. Соответственно, есть входной слой, который получает информацию, n скрытых слоев (обычно их не больше 3), которые ее обрабатывают и выходной слой, который выводит результат. У каждого из нейронов есть 2 основных параметра: входные данные (input data) и выходные данные (output data). В случае входного нейрона: input=output. В остальных, в поле input попадает суммарная информация всех нейронов с предыдущего слоя, после чего, она нормализуется, с помощью функции активации (пока что просто представим ее f(x)) и попадает в поле output.
Важно помнить , что нейроны оперируют числами в диапазоне или [-1,1]. А как же, вы спросите, тогда обрабатывать числа, которые выходят из данного диапазона? На данном этапе, самый простой ответ - это разделить 1 на это число. Этот процесс называется нормализацией, и он очень часто используется в нейронных сетях. Подробнее об этом чуть позже.
Что такое синапс?
Синапс это связь между двумя нейронами. У синапсов есть 1 параметр - вес. Благодаря ему, входная информация изменяется, когда передается от одного нейрона к другому. Допустим, есть 3 нейрона, которые передают информацию следующему. Тогда у нас есть 3 веса, соответствующие каждому из этих нейронов. У того нейрона, у которого вес будет больше, та информация и будет доминирующей в следующем нейроне (пример - смешение цветов). На самом деле, совокупность весов нейронной сети или матрица весов - это своеобразный мозг всей системы. Именно благодаря этим весам, входная информация обрабатывается и превращается в результат.
Важно помнить , что во время инициализации нейронной сети, веса расставляются в случайном порядке.
Как работает нейронная сеть?
В данном примере изображена часть нейронной сети, где буквами I обозначены входные нейроны, буквой H - скрытый нейрон, а буквой w - веса. Из формулы видно, что входная информация - это сумма всех входных данных, умноженных на соответствующие им веса. Тогда дадим на вход 1 и 0. Пусть w1=0.4 и w2 = 0.7 Входные данные нейрона Н1 будут следующими: 1*0.4+0*0.7=0.4. Теперь когда у нас есть входные данные, мы можем получить выходные данные, подставив входное значение в функцию активации (подробнее о ней далее). Теперь, когда у нас есть выходные данные, мы передаем их дальше. И так, мы повторяем для всех слоев, пока не дойдем до выходного нейрона. Запустив такую сеть в первый раз мы увидим, что ответ далек от правильно, потому что сеть не натренирована. Чтобы улучшить результаты мы будем ее тренировать. Но прежде чем узнать как это делать, давайте введем несколько терминов и свойств нейронной сети.
Функция активации
Функция активации - это способ нормализации входных данных (мы уже говорили об этом ранее). То есть, если на входе у вас будет большое число, пропустив его через функцию активации, вы получите выход в нужном вам диапазоне. Функций активации достаточно много поэтому мы рассмотрим самые основные: Линейная, Сигмоид (Логистическая) и Гиперболический тангенс. Главные их отличия - это диапазон значений.
Линейная функция
Эта функция почти никогда не используется, за исключением случаев, когда нужно протестировать нейронную сеть или передать значение без преобразований.
Сигмоид
Это самая распространенная функция активации, ее диапазон значений . Именно на ней показано большинство примеров в сети, также ее иногда называют логистической функцией. Соответственно, если в вашем случае присутствуют отрицательные значения (например, акции могут идти не только вверх, но и вниз), то вам понадобиться функция которая захватывает и отрицательные значения.
Гиперболический тангенс
Имеет смысл использовать гиперболический тангенс, только тогда, когда ваши значения могут быть и отрицательными, и положительными, так как диапазон функции [-1,1]. Использовать эту функцию только с положительными значениями нецелесообразно так как это значительно ухудшит результаты вашей нейросети.
Тренировочный сет
Тренировочный сет - это последовательность данных, которыми оперирует нейронная сеть. В нашем случае исключительного или (xor) у нас всего 4 разных исхода то есть у нас будет 4 тренировочных сета: 0xor0=0, 0xor1=1, 1xor0=1,1xor1=0.
Итерация
Это своеобразный счетчик, который увеличивается каждый раз, когда нейронная сеть проходит один тренировочный сет. Другими словами, это общее количество тренировочных сетов пройденных нейронной сетью.
Эпоха
При инициализации нейронной сети эта величина устанавливается в 0 и имеет потолок, задаваемый вручную. Чем больше эпоха, тем лучше натренирована сеть и соответственно, ее результат. Эпоха увеличивается каждый раз, когда мы проходим весь набор тренировочных сетов, в нашем случае, 4 сетов или 4 итераций.
Важно
не путать итерацию с эпохой и понимать последовательность их инкремента. Сначала n
раз увеличивается итерация, а потом уже эпоха и никак не наоборот. Другими словами, нельзя сначала тренировать нейросеть только на одном сете, потом на другом и тд. Нужно тренировать каждый сет один раз за эпоху. Так, вы сможете избежать ошибок в вычислениях.
Ошибка
Ошибка - это процентная величина, отражающая расхождение между ожидаемым и полученным ответами. Ошибка формируется каждую эпоху и должна идти на спад. Если этого не происходит, значит, вы что-то делаете не так. Ошибку можно вычислить разными путями, но мы рассмотрим лишь три основных способа: Mean Squared Error (далее MSE), Root MSE и Arctan. Здесь нет какого-либо ограничения на использование, как в функции активации, и вы вольны выбрать любой метод, который будет приносить вам наилучший результат. Стоит лишь учитывать, что каждый метод считает ошибки по разному. У Arctan, ошибка, почти всегда, будет больше, так как он работает по принципу: чем больше разница, тем больше ошибка. У Root MSE будет наименьшая ошибка, поэтому, чаще всего, используют MSE, которая сохраняет баланс в вычислении ошибки.
Root MSE
Принцип подсчета ошибки во всех случаях одинаков. За каждый сет, мы считаем ошибку, отняв от идеального ответа, полученный. Далее, либо возводим в квадрат, либо вычисляем квадратный тангенс из этой разности, после чего полученное число делим на количество сетов.
Задача
Теперь, чтобы проверить себя, подсчитайте результат, данной нейронной сети, используя сигмоид, и ее ошибку, используя MSE.
Данные: I1=1, I2=0, w1=0.45, w2=0.78 ,w3=-0.12 ,w4=0.13 ,w5=1.5 ,w6=-2.3.
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:
- Искусственные нейроны - элементарные, связанные между собой единицы;
- Синапс - соединение, которое служит для отправки-получения данных между нейронами;
- 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:
- 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;
- 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;
- Сеть характеризуется состоянием, которое называется «энергией». Обновления сетей всегда происходят при максимальных значениях энергии;
- 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:
- Требуются значительные затраты времени на сбор подходящей информации и последующее обучение машины. В первую очередь касается робототехники;
- Ни одна из существующих ныне систем не способна решить фундаментальные математические проблемы (задача коммивояжера и факторизация больших чисел);
- 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;
- 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:
Сегодня на каждом углу то тут, то там кричат о пользе нейросетей. А вот что это такое, действительно понимают единицы. Если обратиться за объяснениями к Википедии, голова закружится от высоты понастроенных там цитаделей ученых терминов и определений. Если вы далеки от генной инженерии, а путанный сухой язык вузовских учебников вызывает только потерянность и никаких идей, то попробуем разобраться сообща в проблеме нейросетей.
Чтобы разобраться в проблеме, нужно узнать первопричину, которая кроется совсем на поверхности. Вспоминая Сару Коннор, с содроганием сердца понимаем, что некогда пионеры компьютерных разработок Уоррен Мак-Каллок и Уолтер Питтс преследовали корыстную цель создания первого Искусственного Интеллекта.
Нейронные сети – это электронный прототип самостоятельно обучаемой системы. Как и ребенок, нейросеть впитывает в себя информацию, пережевывает её, приобретает опыт и учится. В процессе обучения такая сеть развивается, растет и может делать собственные выводы и самостоятельно принимать решения.
Если мозг человека состоит из нейронов, то условно договоримся, что электронный нейрон – это некая воображаемая коробочка, у которой множество входных отверстий, а выходное – одно. Внутренний алгоритм нейрона определяется порядок обработки и анализа полученной информации и преобразования её в единый полезный ком знаний. В зависимости от того, насколько хорошо работают входы и выходы, вся система или соображает быстро, или, наоборот, может тормозить.
Важно : Как правило, в нейронных сетях используется аналоговая информация.
Повторимся, что входных потоков информации (по-научному эту связь первоначальной информации и наш “нейрон” называют синапсами) может быть множество, и все они носят разных характер и имеют неравную значимость. Например, человек воспринимает окружающий мир через органы зрения, осязания и обоняния. Логично, что зрение первостепеннее обоняния. Исходя из разных жизненных ситуаций мы используем определенные органы чувств: в полной темноте на первый план выходят осязание и слух. Синапсы у нейросетей по такой же аналогии в различных ситуациях будут иметь разную значимость, которую принято обозначать весом связи. При написании кода устанавливается минимальный порог прохождения информации. Если вес связи выше заданного значения, то результат проверки нейроном положительный (и равен единице в двоичной системе), если меньше – то отрицательный. Логично, что, чем выше задана планка, тем точнее будет работа нейросети, но тем дольше она будет проходить.
Чтобы нейронная сеть работала корректно, нужно потратить время на её обучение – это и есть главное отличие от простых программируемых алгоритмов. Как и маленькому ребенку, нейросети нужна начальная информационная база, но если написать первоначальный код корректно, то нейросеть уже сама сможет не просто делать верный выбор из имеющейся информации, но и строить самостоятельные предположения.
При написании первичного кода объяснять свои действия нужно буквально по пальцам. Если мы работаем, например, с изображениями, то на первом этапе значение для нас будет иметь её размер и класс. Если первая характеристика подскажет нам количество входов, то вторая поможет самой нейросети разобраться с информацией. В идеале, загрузив первичные данные и сопоставив топологию классов, нейросеть далее уже сама сможет классифицировать новую информацию. Допустим, мы решили загрузить изображение 3х5 пикселей. Простая арифметика нам подскажет, что входов будет: 3*5=15. А сама классификация определит общее количество выходов, т.е. нейронов. Другой пример: нейросети необходимо распознать букву “С”. Заданный порог – полное соответствие букве, для этого потребуется один нейрон с количеством входов, равных размеру изображения.
Допустим, что размер будет тот же 3х5 пикселей. Скармливая программе различные картинки букв или цифр, будем учить её определять изображение нужного нам символа.
Как и в любом обучении, ученика за неправильный ответ нужно наказывать, а за верный мы ничего давать не будем. Если верный ответ программа воспринимает как False, то увеличиваем вес входа на каждом синапсе. Если же, наоборот, при неверном результате программа считает результат положительным или True, то вычитаем вес из каждого входа в нейрон. Начать обучение логичнее со знакомства с нужным нам символом. Первый результат будет неверным, однако немного подкорректировав код, при дальнейшей работе программа будет работать корректно. Приведенный пример алгоритма построения кода для нейронной сети называется парцетроном.
Бывают и более сложные варианты работы нейросетей с возвратом неверных данных, их анализом и логическими выводами самой сети. Например, онлайн-предсказатель будущего вполне себе запрограммированная нейросеть. Такие проги способны обучаться как с учителем, так и без него, и носят название адаптивного резонанса. Их суть заключается в том, что у нейронов уже есть свои представления об ожидании о том, какую именно информацию они хотят получить и в каком виде. Между ожиданием и реальностью проходит тонкий порог так называемой бдительности нейронов, которая и помогает сети правильно классифицировать поступающую информацию и не упускать ни пикселя. Фишка АР нейросети в том, что учится она самостоятельно с самого начала, самостоятельно определяет порог бдительности нейронов. Что, в свою очередь, играет роль при классифицировании информации: чем бдительнее сеть, тем она дотошнее.
Самые азы знаний о том, что такое нейросети, мы получили. Теперь попробуем обобщить полученную информацию. Итак, нейросети – это электронный прототип мышлению человека. Они состоят из электронных нейронов и синапсов – потоков информации на входе и выходе из нейрона. Программируются нейросети по принципу обучения с учителем (программистом, который закачивает первичную информацию) или же самостоятельно (основываясь на предположения и ожидания от полученную информацию, которую определяет всё тот же программист). С помощью нейросети можно создать любую систему: от простого определения рисунка на пиксельных изображениях до психодиагностики и экономической аналитики.
Вопросы искусственного интеллекта и нейронных сетей в настоящее время становится популярным, как никогда ранее. Множество пользователей все чаще и чаще обращаются в с вопросами о том, как работают нейронные сети, что они из себя представляют и на чём построен принцип их деятельности?
Эти вопросы вместе с популярностью имеют и немалую сложность, так как процессы представляют собой сложные алгоритмы машинного обучения, предназначенные для различных целей, от анализа изменений до моделирования рисков, связанных с определёнными действиями.
Что такое нейронные сети и их типы?
Первый вопрос, который возникает у интересующихся, что же такое нейронная сеть? В классическом определении это определённая последовательность нейронов, которые объединены между собой синапсами. Нейронные сети являются упрощённой моделью биологических аналогов.
Программа, имеющая структуру нейронной сети, даёт возможность машине анализировать входные данные и запоминать результат, полученный из определённых исходников. В последующем подобный подход позволяет извлечь из памяти результат, соответствующий текущему набору данных, если он уже имелся в опыте циклов сети.
Многие воспринимают нейронную сеть, как аналог человеческого мозга. С одной стороны, можно считать это суждение близким к истине, но, с другой стороны, человеческий мозг слишком сложный механизм, чтобы была возможность воссоздать его с помощью машины хотя бы на долю процента. Нейронная сеть — это в первую очередь программа, основанная на принципе действия головного мозга, но никак не его аналог.
Нейронная сеть представляет собой связку нейронов, каждый из которых получает информацию, обрабатывает её и передаёт другому нейрону. Каждый нейрон обрабатывает сигнал совершенно одинаково.
Как тогда получается различный результат? Все дело в синапсах, которые соединяют нейроны друг с другом. Один нейрон может иметь огромное количество синапсов, усиливающих или ослабляющих сигнал, при этом они имеют особенность изменять свои характеристики с течением времени.
Именно правильно выбранные параметры синапсов дают возможность получить на выходе правильный результат преобразования входных данных.
Определившись в общих чертах, что собой представляет нейронная сеть, можно выделить основные типы их классификации. Прежде чем приступить к классификации необходимо ввести одно уточнение. Каждая сеть имеет первый слой нейронов, который называется входным.
Он не выполняет никаких вычислений и преобразований, его задача состоит только в одном: принять и распределить по остальным нейронам входные сигналы. Это единственный слой, который является общим для всех типов нейронных сетей, дальнейшая их структура и является критерием для основного деления.
- Однослойная нейронная сеть. Это структура взаимодействия нейронов, при которой после попадания входных данных в первый входной слой сразу передаётся в слой выхода конечного результата. При этом первый входной слой не считается, так как он не выполняет никаких действий, кроме приёма и распределения, об этом уже было сказано выше. А второй слой производит все нужные вычисления и обработки и сразу выдаёт конечный результат. Входные нейроны объединены с основным слоем синапсами, имеющими различный весовой коэффициент, обеспечивающий качество связей.
- Многослойная нейронная сеть. Как понятно из определения, этот вид нейронных сетей помимо входного и выходного слоёв имеет ещё и промежуточные слои. Их количество зависит от степени сложности самой сети. Она в большей степени напоминает структуру биологической нейронной сети. Такие виды сетей были разработаны совсем недавно, до этого все процессы были реализованы с помощью однослойных сетей. Соответственно подобное решение имеет намного больше возможностей, чем её предок. В процессе обработки информации каждый промежуточный слой представляет собой промежуточный этап обработки и распределения информации.
В зависимости от направления распределения информации по синапсам от одного нейрона к другому, можно также классифицировать сети на две категории.
- Сети прямого распространения или однонаправленная, то есть структура, в которой сигнал движется строго от входного слоя к выходному. Движение сигнала в обратном направлении невозможно. Подобные разработки достаточно широко распространены и в настоящий момент с успехом решают такие задачи, как распознавание, прогнозы или кластеризация.
- Сети с обратными связями или рекуррентная. Подобные сети позволяют сигналу двигаться не только в прямом, но и в обратном направлении. Что это даёт? В таких сетях результат выхода может возвращаться на вход исходя из этого, выход нейрона определяется весами и сигналами входа, и дополняется предыдущими выходами, которые снова вернулись на вход. Таким сетям свойственна функция кратковременной памяти, на основании которой сигналы восстанавливаются и дополняются в процессе обработки.
Это не единственные варианты классификации сетей.
Их можно разделить на однородные и гибридные опираясь на типы нейронов, составляющих сеть. А также на гетероассоциативные или автоассоциативные, в зависимости от метода обучения сети, с учителем или без. Также можно классифицировать сети по их назначению.
Где используют нейронные сети?
Нейронные сети используются для решения разнообразных задач. Если рассмотреть задачи по степени сложности, то для решения простейших задач подойдёт обычная компьютерная программа, более 
усложнённые задачи, требующие простого прогнозирования или приближенного решения уравнений, используются программы с привлечением статистических методов.
А вот задачи ещё более сложного уровня требуют совсем иного подхода. В частности, это относится к распознаванию образов, речи или сложному прогнозированию. В голове человека подобные процессы происходят неосознанно, то есть, распознавая и запоминая образы, человек не осознаёт, как происходит этот процесс, а соответственно не может его контролировать.
Именно такие задачи помогают решить нейронные сети, то есть то есть они созданы чтобы выполнять процессы, алгоритмы которых неизвестны.
Таким образом, нейронные сети находят широкое применение в следующих областях:
- распознавание, причём это направление в настоящее время самое широкое;
- предсказание следующего шага, эта особенность применима на торгах и фондовых рынках;
- классификация входных данных по параметрам, такую функцию выполняют кредитные роботы, которые способны принять решение в одобрении займа человеку, полагаясь на входной набор разных параметров.
Способности нейросетей делают их очень популярными. Их можно научить многому, например, играть в игры, узнавать определённый голос и так далее. Исходя из того, что искусственные сети строятся по принципу биологических сетей, их можно обучить всем процессам, которые человек выполняет неосознанно.
Что такое нейрон и синапс?
Так что же такое нейрон в разрезе искусственных нейросетей? Под этим понятием подразумевается единица, которая выполняет вычисления. Она получает информацию со входного слоя сети, выполняет с ней простые вычисления и проедает её следующему нейрону.
В составе сети имеются три типа нейронов: входной, скрытый и выходной. Причём если сеть однослойная, то скрытых нейронов она не содержит. Кроме этого, есть разновидность единиц, носящих названия нейрон смещения и контекстный нейрон.
Каждый нейрон имеет два типа данных: входные и выходные. При этом у первого слоя входные данные равны выходным. В остальных случаях на вход нейрона попадает суммарная информация предыдущих слоёв, затем она проходит процесс нормализации, то есть все значения, выпадающие из нужного диапазона, преобразуются функцией активации.
Как уже упоминалось выше, синапс — это связь между нейронами, каждая из которых имеет свою степень веса. Именно благодаря этой особенности входная информация видоизменяется в процессе передачи. В процессе обработки информация, переданная синапсом, с большим показателем веса будет преобладающей.
Получается, что на результат влияют не нейроны, а именно синапсы, дающие определённую совокупность веса входных данных, так как сами нейроны каждый раз выполняют совершенно одинаковые вычисления.
При этом веса выставляются в случайном порядке.
Схема работы нейронной сети
Чтобы представить принцип работы нейронной сети не требуется особых навыков. На входной слой нейронов поступает определённая информация. Она передаётся посредством синапсов следующему слою, при этом каждый синапс имеет свой коэффициент веса, а каждый следующий нейрон может иметь несколько входящих синапсов.
В итоге информация, полученная следующим нейроном, представляет собой сумму всех данных, перемноженных каждый на свой коэффициент веса. Полученное значение подставляется в функцию активации и получается выходная информация, которая передаётся дальше, пока не дойдёт до конечного выхода. Первый запуск сети не даёт верных результатов, так как сеть, ещё не натренированная.
Функция активации применяется для нормализации входных данных. Таких функций много, но можно выделить несколько основных, имеющих наиболее широкое распространение. Их основным отличием является диапазон значений, в котором они работают.
- Линейная функция f(x) = x, самая простая из всех возможных, используется только для тестирования созданной нейронной сети или передачи данных в исходном виде.
- Сигмоид считается самой распространённой функцией активации и имеет вид f(x) = 1 / 1+e-×; при этом диапазон её значений от 0 до 1. Она ещё называется логистической функцией.
- Чтобы охватить и отрицательные значения используют гиперболический тангенс. F(x) = e²× - 1 / e²× + 1 — такой вид имеет эта функция и диапазон который она имеет от -1 до 1. Если нейронная сеть не предусматривает использование отрицательных значений, то использовать её не стоит.
Для того чтобы задать сети данные, которыми она будет оперировать необходимы тренировочные сеты.
Интеграция — это счётчик, который увеличивается с каждым тренировочным сетом.Эпоха — это показатель натренированности нейронной сети, этот показатель увеличивается каждый раз, когда сеть проходит цикл полного набора тренировочных сетов.
Соответственно, чтобы проводить тренировку сети правильно нужно выполнять сеты, последовательно увеличивая показатель эпохи.
В процессе тренировки будут выявляться ошибки. Это процентный показатель расхождения между полученным и желаемым результатом. Этот показатель должен уменьшаться в процессе увеличения показателя эпохи, в противном случае где-то ошибка разработчика.
Что такое нейрон смещения и для чего он нужен?
В нейронных сетях есть ещё один вид нейронов — нейрон смещения. Он отличается от основного вида нейронов тем, что его вход и выход в любом случае равняется единице. При этом входных синапсов такие нейроны не имеют.
Расположение таких нейронов происходит по одному на слой и не более, также они не могут соединяться синапсами друг с другом. Размещать такие нейроны на выходном слое не целесообразно.
Для чего они нужны? Бывают ситуации, в которых нейросеть просто не сможет найти верное решение из-за того, что нужная точка будет находиться вне пределов досягаемости. Именно для этого и нужны такие нейроны, чтобы иметь возможность сместить область определения.
То есть вес синапса меняет изгиб графика функции, тогда как нейрон смещения позволяет осуществить сдвиг по оси координат Х, таким образом, чтобы нейросеть смогла захватить область недоступную ей без сдвига. При этом сдвиг может быть осуществлён как вправо, так и влево. Схематически нейроны сдвига обычно не обозначаются, их вес учитывается по умолчанию при расчёте входного значения.
Также нейроны смещения позволят получить результат в том случае, когда все остальные нейроны выдают 0 в качестве выходного параметра. В этом случае независимо от веса синапса на каждый следующий слой будет передаваться именно это значение.
Наличие нейрона смещения позволит исправить ситуацию и получить иной результат. Целесообразность использования нейронов смещения определяется путём тестирования сети с ними и без них и сравнения результатов.
Но важно помнить, что для достижения результатов мало создать нейронную сеть. Её нужно ещё и обучить, что тоже требует особых подходов и имеет свои алгоритмы. Этот процесс сложно назвать простым, так как его реализация требует определённых знаний и усилий.
