Нейросеть своими руками за 10 минут

Нейросеть в 11 строчек на Python

О чём статья

Лично я лучше всего обучаюсь при помощи небольшого работающего кода, с которым могу поиграться. В этом пособии мы научимся алгоритму обратного распространения ошибок на примере небольшой нейронной сети, реализованной на Python.

Дайте код!

Слишком сжато? Давайте разобьём его на более простые части.

Часть 1: Небольшая игрушечная нейросеть

Нейросеть, тренируемая через обратное распространение (backpropagation), пытается использовать входные данные для предсказания выходных.

Предположим, нам нужно предсказать, как будет выглядеть колонка «выход» на основе входных данных. Эту задачу можно было бы решить, подсчитав статистическое соответствие между ними. И мы бы увидели, что с выходными данными на 100% коррелирует левый столбец.

Обратное распространение, в самом простом случае, рассчитывает подобную статистику для создания модели. Давайте попробуем.

Нейросеть в два слоя

Переменные и их описания.

X — матрица входного набор данных; строки – тренировочные примеры
y – матрица выходного набора данных; строки – тренировочные примеры
l0 – первый слой сети, определённый входными данными
l1 – второй слой сети, или скрытый слой
syn0 – первый слой весов, Synapse 0, объединяет l0 с l1.
«*» — поэлементное умножение – два вектора одного размера умножают соответствующие значения, и на выходе получается вектор такого же размера
«-» – поэлементное вычитание векторов
x.dot(y) – если x и y – это вектора, то на выходе получится скалярное произведение. Если это матрицы, то получится перемножение матриц. Если матрица только одна из них – это перемножение вектора и матрицы.

И это работает! Рекомендую перед прочтением объяснения поиграться немного с кодом и понять, как он работает. Он должен запускаться прямо как есть, в ipython notebook. С чем можно повозиться в коде:

• сравните l1 после первой итерации и после последней
• посмотрите на функцию nonlin.
• посмотрите, как меняется l1_error
• разберите строку 36 – основные секретные ингредиенты собраны тут (отмечена . )
• разберите строку 39 – вся сеть готовится именно к этой операции (отмечена . )

Разберём код по строчкам

Импортирует numpy, библиотеку линейной алгебры. Единственная наша зависимость.

Наша нелинейность. Конкретно эта функция создаёт «сигмоиду». Она ставит в соответствие любое число значению от 0 до 1 и преобразовывает числа в вероятности, а также имеет несколько других полезных для тренировки нейросетей свойств.

Эта функция также умеет выдавать производную сигмоиды (deriv=True). Это одно из её полезных свойств. Если выход функции – это переменная out, тогда производная будет out * (1-out). Эффективно.

Инициализация массива входных данных в виде numpy-матрицы. Каждая строка – тренировочный пример. Столбцы – это входные узлы. У нас получается 3 входных узла в сети и 4 тренировочных примера.

Инициализирует выходные данные. «.T» – функция переноса. После переноса у матрицы y есть 4 строки с одним столбцом. Как и в случае входных данных, каждая строка – это тренировочный пример, и каждый столбец (в нашем случае один) – выходной узел. У сети, получается, 3 входа и 1 выход.

Благодаря этому случайное распределение будет каждый раз одним и тем же. Это позволит нам проще отслеживать работу сети после внесения изменений в код.

Матрица весов сети. syn0 означает «synapse zero». Так как у нас всего два слоя, вход и выход, нам нужна одна матрица весов, которая их свяжет. Её размерность (3, 1), поскольку у нас есть 3 входа и 1 выход. Иными словами, l0 имеет размер 3, а l1 – 1. Поскольку мы связываем все узлы в l0 со всеми узлами l1, нам требуется матрица размерности (3, 1).

Заметьте, что она инициализируется случайным образом, и среднее значение равно нулю. За этим стоит достаточно сложная теория. Пока просто примем это как рекомендацию. Также заметим, что наша нейросеть – это и есть эта самая матрица. У нас есть «слои» l0 и l1, но они представляют собой временные значения, основанные на наборе данных. Мы их не храним. Всё обучение хранится в syn0.

Тут начинается основной код тренировки сети. Цикл с кодом повторяется многократно и оптимизирует сеть для набора данных.

Первый слой, l0, это просто данные. В X содержится 4 тренировочных примера. Мы обработаем их все и сразу – это называется групповой тренировкой [full batch]. Итого мы имеем 4 разных строки l0, но их можно представить себе как один тренировочный пример – на этом этапе это не имеет значения (можно было загрузить их 1000 или 10000 без всяких изменений в коде).

Это шаг предсказания. Мы позволяем сети попробовать предсказать вывод на основе ввода. Затем мы посмотрим, как это у неё получается, чтобы можно было подправить её в сторону улучшения.

В строке содержится два шага. Первый делает матричное перемножение l0 и syn0. Второй передаёт вывод через сигмоиду. Размерности у них следующие:

Матричные умножения требуют, чтобы в середине уравнения размерности совпадали. Итоговая матрица имеет количество строк, как у первой, а столбцов – как у второй.

Мы загрузили 4 тренировочных примера, и получили 4 догадки (матрица 4х1). Каждый вывод соответствует догадке сети для данного ввода.

Поскольку в l1 содержатся догадки, мы можем сравнить их разницу с реальностью, вычитая её l1 из правильного ответа y. l1_error – вектор из положительных и отрицательных чисел, характеризующий «промах» сети.

А вот и секретный ингредиент. Эту строку нужно разбирать по частям.

Первая часть: производная

l1 представляет три этих точки, а код выдаёт наклон линий, показанных ниже. Заметьте, что при больших значениях вроде x=2.0 (зелёная точка) и очень малые, вроде x=-1.0 (фиолетовая) линии имеют небольшой уклон. Самый большой угол у точки х=0 (голубая). Это имеет большое значение. Также отметьте, что все производные лежат в пределах от 0 до 1.

Полное выражение: производная, взвешенная по ошибкам

Математически существуют более точные способы, но в нашем случае подходит и этот. l1_error – это матрица (4,1). nonlin(l1,True) возвращает матрицу (4,1). Здесь мы поэлементно их перемножаем, и на выходе тоже получаем матрицу (4,1), l1_delta.

Умножая производные на ошибки, мы уменьшаем ошибки предсказаний, сделанных с высокой уверенностью. Если наклон линии был небольшим, то в сети содержится либо очень большое, либо очень малое значение. Если догадка в сети близка к нулю (х=0, у=0,5), то она не особенно уверенная. Мы обновляем эти неуверенные предсказания и оставляем в покое предсказания с высокой уверенностью, умножая их на величины, близкие к нулю.

Мы готовы к обновлению сети. Рассмотрим один тренировочный пример. В нём мы будем обновлять веса. Обновим крайний левый вес (9.5)

Для крайнего левого веса это будет 1.0 * l1_delta. Предположительно, это лишь незначительно увеличит 9.5. Почему? Поскольку предсказание было уже достаточно уверенным, и предсказания были практически правильными. Небольшая ошибка и небольшой наклон линии означает очень небольшое обновление.

Но поскольку мы делаем групповую тренировку, указанный выше шаг мы повторяем для всех четырёх тренировочных примеров. Так что это выглядит очень похоже на изображение вверху. Так что же делает наша строчка? Она подсчитывает обновления весов для каждого веса, для каждого тренировочного примера, суммирует их и обновляет все веса – и всё одной строкой.

Понаблюдав за обновлением сети, вернёмся к нашим тренировочным данным. Когда и вход, и выход равны 1, мы увеличиваем вес между ними. Когда вход 1, а выход – 0, мы уменьшаем вес.

Таким образом, в наших четырёх тренировочных примерах ниже, вес первого входа по отношению к выходу будет постоянно увеличиваться или оставаться постоянным, а два других веса будут увеличиваться и уменьшаться в зависимости от примеров. Этот эффект и способствует обучению сети на основе корреляций входных и выходных данных.

Часть 2: задачка посложнее

Попробуем предсказать выходные данные на основе трёх входных столбцов данных. Ни один из входных столбцов не коррелирует на 100% с выходным. Третий столбец вообще ни с чем не связан, поскольку в нём всю дорогу содержатся единицы. Однако и тут можно увидеть схему – если в одном из двух первых столбцов (но не в обоих сразу) содержится 1, то результат также будет равен 1.

Это нелинейная схема, поскольку прямого соответствия столбцов один к одному не существует. Соответствие строится на комбинации входных данных, столбцов 1 и 2.

Интересно, что распознавание образов является очень похожей задачей. Если у вас есть 100 картинок одинакового размера, на которых изображены велосипеды и курительные трубки, присутствие на них определённых пикселей в определённых местах не коррелирует напрямую с наличием на изображении велосипеда или трубки. Статистически их цвет может казаться случайным. Но некоторые комбинации пикселей не случайны – те, что формируют изображение велосипеда (или трубки).

Стратегия

Чтобы скомбинировать пиксели в нечто, у чего может появиться однозначное соответствие с выходными данными, нужно добавить ещё один слой. Первый слой комбинирует вход, второй назначает соответствие выходу, используя в качестве входных данных выходные данные первого слоя. Обратите внимание на таблицу.

Случайным образом назначив веса, мы получим скрытые значения для слоя №1. Интересно, что у второго столбца скрытых весов уже есть небольшая корреляция с выходом. Не идеальная, но есть. И это тоже является важной частью процесса тренировки сети. Тренировка будет только усиливать эту корреляцию. Она будет обновлять syn1, чтобы назначить её соответствие выходным данным, и syn0, чтобы лучше получать данные со входа.

Нейросеть в три слоя

Переменные и их описания

X — матрица входного набор данных; строки – тренировочные примеры
y – матрица выходного набора данных; строки – тренировочные примеры
l0 – первый слой сети, определённый входными данными
l1 – второй слой сети, или скрытый слой
l2 – финальный слой, это наша гипотеза. По мере тренировки должен приближаться к правильному ответу
syn0 – первый слой весов, Synapse 0, объединяет l0 с l1.
syn1 – второй слой весов, Synapse 1, объединяет l1 с l2.
l2_error – промах сети в количественном выражении
l2_delta – ошибка сети, в зависимости от уверенности предсказания. Почти совпадает с ошибкой, за исключением уверенных предсказаний
l1_error – взвешивая l2_delta весами из syn1, мы подсчитываем ошибку в среднем/скрытом слое
l1_delta – ошибки сети из l1, масштабируемые по увеернности предсказаний. Почти совпадает с l1_error, за исключением уверенных предсказаний

Код должен быть достаточно понятным – это просто предыдущая реализация сети, сложенная в два слоя один над другим. Выход первого слоя l1 – это вход второго слоя. Что-то новое есть лишь в следующей строке.

Использует ошибки, взвешенные по уверенности предсказаний из l2, чтобы подсчитать ошибку для l1. Получаем, можно сказать, ошибку, взвешенную по вкладам – мы подсчитываем, какой вклад в ошибки в l2 вносят значения в узлах l1. Этот шаг и называется обратным распространением ошибок. Затем мы обновляем syn0, используя тот же алгоритм, что и в варианте с нейросетью из двух слоёв.

Источник

Нейросеть с нуля своими руками. Часть 1. Теория

Здравствуйте. Меня зовут Андрей, я frontend-разработчик и я хочу поговорить с вами на такую тему как нейросети. Дело в том, что ML технологии все глубже проникают в нашу жизнь, и о нейросетях сказано и написано уже очень много, но когда я захотел разобраться в этом вопросе, я понял что в интернете есть множество гайдов о том как создать нейросеть и выглядят они примерно следующим образом:

Более подробная информация разбросана кусками по всему интернету. Поэтому я постарался собрать ее воедино и изложить в этой статье. Сразу оговорюсь, что я не являюсь специалистом в области ML или биологии, поэтому местами могу быть не точным. В таком случае буду рад вашим комментариям.

Пока я писал эту статью я понял, что у меня получается довольно объемный лонгрид, поэтому решил разбить ее на несколько частей. В первой части мы поговорим о теории, во второй напишем собственную нейросеть с нуля без использования каких-либо библиотек, в третьей попробуем применить ее на практике.

Так как это моя первая публикация, появляться они будут по мере прохождения модерации, после чего я добавлю ссылки на все части. Итак, приступим.

Для чего нужны нейросети

Нейросети встречаются везде. Основная их функция — это управление различными частями организма в зависимости от изменения окружающих условий. В качестве примера можно рассмотреть механизм сужения и расширения зрачка в зависимости от уровня освещения.

В нашем глазу есть сенсоры, которые улавливают количество света попадающего через зрачок на заднюю поверхность глаза. Они преобразуют эту информацию в электрические импульсы и передают на прикрепленные к ним нервные окончания. Далее это сигнал проходит по всей нейронной сети, которая принимает решение о том, не опасно ли такое количество света для глаза, достаточно ли оно для того, чтобы четко распознавать визуальную информацию, и нужно ли, исходя из этих факторов, уменьшить или увеличить количество света.

На выходе этой сети находятся мышцы, отвечающие за расширение или сужение зрачка, и приводят эти механизмы в действие в зависимости от сигнала, полученного из нейросети. И таких механизмов огромное количество в теле любого живого существа, обладающего нервной системой.

Устройство нейрона

Нейросети встречаются в природе в виде нервной системы того или иного существа. В зависимости от выполняемой функции и расположения, они делятся на различные отделы и органы, такие как головной мозг, спинной мозг, различные проводящие структуры. Но все их объединяет одно — они состоят из связанных между собой структурно-функциональных единиц — клеток нейронов.

Нейрон условно можно разделить на три части: тело нейрона, и его отростки — дендриты и аксон.

Дендриты нейрона создают дендритное дерево, размер которого зависит от числа контактов с другими нейронами. Это своего рода входные каналы нервной клетки. Именно с их помощью нейрон получает сигналы от других нейронов.

Тело нейрона в природе, достаточно сложная штука, но именно в нем все сигналы, поступившие через дендриты объединяются, обрабатываются, и принимается решение о том передавать ли сигнал далее, и какой силы он должен быть.

Аксон — это выходной интерфейс нейрона. Он крепится так называемыми синапсами к дендриту другого нейрона, и по нему сигнал, выходящий из тела нейрона, поступает к следующей клетке нашей нейросети.

Нейросети в IT

Что же, раз механизм нам понятен, почему бы нам не попробовать воспроизвести его с помощью информационных технологий?

Итак, у нас есть входной слои нейронов, которые, по сути, являются сенсорами нашей системы. Они нужны для того, чтобы получить информацию из окружающей среды и передать ее дальше в нейросеть.

Также у нас есть несколько слоев нейронов, каждый из которых получает информацию от всех нейронов предыдущего слоя, каким-то образом ее обрабатывают, и передают на следующий слой.

И, наконец, у нас есть выходные нейроны. Исходя из сигналов, поступающих от них, мы можем судить о принятом нейросетью решении.

Такой простейший вариант нейронной сети называется перцептрон, и именно его мы с вами и попробуем воссоздать.

Все нейроны по сути одинаковы, и принимают решение о том, какой силы сигнал передать далее с помощью одного и того же алгоритма. Это алгоритм называется активационной функцией. На вход она получает сумму значений входных сигналов, а на выход передает значение выходного сигнала.

Но в таком случае, получается, что все нейроны любого слоя будут получать одинаковый сигнал, и отдавать одинаковое значение. Таким образом мы могли бы заменить всю нашу сеть на один нейрон. Чтобы устранить эту проблему, мы присвоим входу каждого нейрона определенный вес. Этот вес будет обозначать насколько важен для каждого конкретного нейрона сигнал, получаемый от другого нейрона. И тут мы подходим к самому интересному.

Обучение нейронной сети — это процесс подбора входных весов для каждого нейрона таким образом, чтобы на выходе получить сигнал максимально соответствующий ожиданиям.

То есть мы подаем на вход нейросети определенные данные, для которых мы знаем, каким должен быть результат. Далее мы сравниваем результат, который нам выдала нейросеть с ожидаемым результатом, вычисляем ошибку, и корректируем веса нейронов таким образом, чтобы эту ошибку минимизировать. И повторяем это действие большое количество раз для большого количества наборов входных и выходных данных, чтобы сеть поняла какие сигналы на каком нейроне ей важны больше, а какие меньше. Чем больше и разнообразнее будет набор данных для обучения, тем лучше нейросеть сможет обучиться и впоследствии давать правильный результат. Этот процесс называется обучением с учителем.

Добавим немного математики.

В качестве активационной функции нейрона может выступать любая функция, существующая на всем отрезке значений, получающихся на выходе нейрона и входных данных. Для нашего примера мы возьмем сигмоиду. Она существует на отрезке от минус бесконечности до бесконечности, плавно меняется от 0 до 1 и имеет значение 0,5 в точке 0. Идеальный кандидат. Выглядит она следующим образом:

Таким образом наш нейрон сможет принимать любую сумму значений всех входящих сигналов и на выходе будет выдавать значение от 0 до 1. Это хорошо подходит для принятия бинарных решений, и мы условимся, что если число на выходе нейросети > 0.5, мы будем расценивать его как истину, иначе — как ложь.

Итак, давайте рассмотрим пример с топологией сети рассмотренной выше. У нас есть три входных нейрона со значениями ИСТИНА, ЛОЖЬ и ИСТИНА соответственно, два нейрона в среднем слое нейросети (эти слои также называют скрытыми), и один выходной нейрон, который сообщит нам о решении, принятом нейросетью. Так как наша сеть еще не обучена, поэтому значения весов на входах нейронов мы возьмем случайными в диапазоне от -0,5 до 0,5.

Таким образом сумма входных значений первого нейрона скрытого слоя будет равна

1 * 0,43 + 0 * 0,18 + 1 * -0,21 = 0,22

Передав это значение в активационную функцию, мы получим значение, которое наш нейрон передаст далее по сети в следующий слой.

sigmoid(0,22) = 1 / (1 + e^-0,22) = 0,55

Аналогичные операции произведём для второго нейрона скрытого слоя и получим значение 0,60.

И, наконец, повторим эти операции для единственного нейрона в выходном слое нашей нейросети и получим значение 0,60, что мы условились считать как истину.

Пока что это абсолютно случайное значение, так как веса мы выбирали случайно. Но, предположим, что мы знаем ожидаемое значение для такого набора входных данных и наша сеть ошиблась. В таком случае нам нужно вычислить ошибку и изменить параметры весов, таким образом немного обучив нашу нейросеть.

Первым делом рассчитаем ошибку на выходе сети. Делается это довольно просто, нам просто нужно получить разницу полученного значения и ожидаемого.

error = 0.60 — 0 = 0.60

Чтобы узнать насколько нам надо изменить веса нашего нейрона, нам нужно величину ошибки умножить на производную от нашей активационной функции в этой точке. К счастью, производная от сигмоиды довольно проста.

Таким образом наша дельта весов будет равна

delta = 0.60 * (1 — 0.60) = 0.24

Новый вес для входа нейрона рассчитывается по формуле

weight = weight — output * delta * learning rate

Где weight — текущий вес, output — значение на выходе предыдущего нейрона, delta — дельта весов, которую мы рассчитали ранее и learning rate — значение, подбираемое экспериментально, от которого зависит скорость обучения нейросети. Если оно будет слишком маленьким — нейросеть будет более чувствительна к деталям, но будет обучаться слишком медленно и наоборот. Для примера возьмем learning rate равным 0,3. Итак новый вес для первого входа выходного нейрона будет равен:

w = 0,22 — 0,55 * 0,24 * 0,3 = 0,18

Аналогичным образом рассчитаем новый вес для второго входа выходного нейрона:

w = 0.47 — 0.60 * 0.24 * 0.3 = 0.43

Итак, мы скорректировали веса для входов выходного нейрона, но чтобы рассчитать остальные, нам нужно знать ошибку для каждого из нейронов нашей нейросети. Это делается не так очевидно как для выходного нейрона, но тоже довольно просто. Чтобы получить ошибку каждого нейрона нам нужно новый вес нейронной связи умножить на дельту. Таким образом ошибка первого нейрона скрытого слоя равна:

error = 0.18 * 0.24 = 0.04

Теперь, зная ошибку для нейрона, мы можем произвести все те же самые операции, что провели ранее, и скорректировать его веса. Этот процесс называется обратным распространением ошибки.

Итак, мы знаем как работает нейрон, что такое нейронные связи в нейросети и как происходит процесс обучения. Этих знаний достаточно чтобы применить их на практике и написать простейшую нейросеть, чем мы и займемся в следующей части статьи.

Источник