Далее будет представлено максимально простое объяснение того, как работают нейронные сети, а также показаны способы их реализации в Python. Приятная новость для новичков – нейронные сети не такие уж и сложные. Термин нейронные сети зачастую используют в разговоре, ссылаясь на какой-то чрезвычайно запутанный концепт. На деле же все намного проще.
Данная статья предназначена для людей, которые ранее не работали с нейронными сетями вообще или же имеют довольно поверхностное понимание того, что это такое. Принцип работы нейронных сетей будет показан на примере их реализации через Python.
Создание нейронных блоков
Для начала необходимо определиться с тем, что из себя представляют базовые компоненты нейронной сети – нейроны. Нейрон принимает вводные данные, выполняет с ними определенные математические операции, а затем выводит результат. Нейрон с двумя входными данными выглядит следующим образом:
Здесь происходят три вещи. Во-первых, каждый вход умножается на вес (на схеме обозначен красным):
Затем все взвешенные входы складываются вместе со смещением b (на схеме обозначен зеленым):
Наконец, сумма передается через функцию активации (на схеме обозначена желтым):
Функция активации используется для подключения несвязанных входных данных с выводом, у которого простая и предсказуемая форма. Как правило, в качестве используемой функцией активации берется функция сигмоида:
Функция сигмоида выводит только числа в диапазоне (0, 1). Вы можете воспринимать это как компрессию от (−∞, +∞) до (0, 1). Крупные отрицательные числа становятся ~0, а крупные положительные числа становятся ~1.
Простой пример работы с нейронами в Python
Предположим, у нас есть нейрон с двумя входами, который использует функцию активации сигмоида и имеет следующие параметры:
w = [0,1] — это просто один из способов написания w1 = 0, w2 = 1 в векторной форме. Присвоим нейрону вход со значением x = [2, 3]. Для более компактного представления будет использовано скалярное произведение.
С учетом, что вход был x = [2, 3], вывод будет равен 0.999. Вот и все. Такой процесс передачи входных данных для получения вывода называется прямым распространением, или feedforward.
Создание нейрона с нуля в Python
Приступим к имплементации нейрона. Для этого потребуется использовать NumPy. Это мощная вычислительная библиотека Python, которая задействует математические операции:
Узнаете числа? Это тот же пример, который рассматривался ранее. Ответ полученный на этот раз также равен 0.999.
Пример сбор нейронов в нейросеть
Нейронная сеть по сути представляет собой группу связанных между собой нейронов. Простая нейронная сеть выглядит следующим образом:
На вводном слое сети два входа – x1 и x2. На скрытом слое два нейтрона — h1 и h2. На слое вывода находится один нейрон – о1. Обратите внимание на то, что входные данные для о1 являются результатами вывода h1 и h2. Таким образом и строится нейросеть.
Скрытым слоем называется любой слой между вводным слоем и слоем вывода, что являются первым и последним слоями соответственно. Скрытых слоев может быть несколько.
Пример прямого распространения FeedForward
Давайте используем продемонстрированную выше сеть и представим, что все нейроны имеют одинаковый вес w = [0, 1], одинаковое смещение b = 0 и ту же самую функцию активации сигмоида. Пусть h1, h2 и o1 сами отметят результаты вывода представленных ими нейронов.
Что случится, если в качестве ввода будет использовано значение х = [2, 3]?
Результат вывода нейронной сети для входного значения х = [2, 3] составляет 0.7216. Все очень просто.
Нейронная сеть может иметь любое количество слоев с любым количеством нейронов в этих слоях.
Суть остается той же: нужно направить входные данные через нейроны в сеть для получения в итоге выходных данных. Для простоты далее в данной статье будет создан код сети, упомянутая выше.
Создание нейронной сети прямое распространение FeedForward
Далее будет показано, как реализовать прямое распространение feedforward в отношении нейронной сети. В качестве опорной точки будет использована следующая схема нейронной сети:
Мы вновь получили 0.7216. Похоже, все работает.
