Перевод «Создай свою нейросеть» — 6

В предыдущей части мы учились рассчитывать изменения сигнала при проходе по нейросети. Мы познакомились с матрицами, их произведением и вывели простые формулы для расчетов.

В 6 части перевода выкладываю сразу 4 раздела книги. Все они посвящены одной из самых важных тем в области нейросетей — методу обратного распространения ошибки. Вы научитесь рассчитывать погрешность всех нейронов нейросети основываясь только на итоговой погрешности сети и весах связей.

Материал сложный, так что смело задавайте свои вопросы на форуме.

Вы можете скачать PDF версию перевода.

Приятного чтения!

Оглавление

1 Глава. Как они работают.

• 1.1   Легко для меня, тяжело для тебя
• 1.2   Простая предсказательная машина
• 1.3   Классификация это почти что предсказание
• 1.4   Тренировка простого классификатора
• 1.5   Иногда одного классификатора недостаточно
• 1.6   Нейроны — природные вычислительные машины
• 1.7   Проход сигнала через нейросеть
• 1.8   Умножать матрицы полезно… Серьезно!
• 1.9   Трехслойная нейросеть и произведение матриц
• 1.10 Калибровка весов нескольких связей
• 1.11 Обратное распространение ошибки от выходных нейронов
• 1.12 Обратное распространение ошибки на множество слоев
• 1.13 Обратное распространение ошибки и произведение матриц

1.10 Калибровка весов нескольких связей

Ранее мы настраивали линейный классификатор с помощью изменения постоянного коэффициента уравнения прямой. Мы использовали погрешность, разность между полученным и желаемым результатами, для настройки классификатора.

Все те операции были достаточно простые, так как сама связь между погрешностью и величины, на которую надо было изменить коэффициент прямой оказалось очень простой.

Но как нам калибровать веса связей, когда на получаемый результат, а значит и на погрешность, влияют сразу несколько нейронов? Рисунок ниже демонстрирует проблему:

Очень легко работать с погрешностью, когда вход у нейрона всего один. Но сейчас уже два нейрона подают сигналы на два входа рассматриваемого нейрона. Что же делать с погрешностью?

Нет никакого смысла использовать погрешность целиком для корректировки одного веса, потому что в этом случае мы забываем про второй вес. Ведь оба веса задействованы в создании полученного результата, а значит оба веса виновны в итоговой погрешности.

Конечно, существует очень маленькая вероятность того, что только один вес внес погрешность, а второй был идеально откалиброван. Но даже если мы немного поменяем вес, который и так не вносит погрешность, то в процессе дальнейшего обучения сети он все равно придет в норму, так что ничего страшного.

Можно попытаться разделить погрешность одинаково на все нейроны:

Классная идея. Хотя я никогда не пробовал подобный вариант использования погрешности в реальных нейросетях, я уверен, что результаты вышли бы очень достойными.

Другая идея тоже заключается в разделении погрешности, но не поровну между всеми нейронами. Вместо этого мы кладем большую часть ответственности за погрешность на нейроны с большим весом связи. Почему? Потому что за счет своего большего веса они внесли больший вклад в выход нейрона, а значит и в погрешность.

На рисунке изображены два нейрона, которые подают сигналы третьему, выходному нейрону. Веса связей: ​\( 3 \)​ и ​\( 1 \)​. Согласно нашей идее о переносе погрешности на нейроны мы используем ​\( \frac{3}{4} \)​ погрешности на корректировку первого (большего) веса и ​\( \frac{1}{4} \)​ на корректировку второго (меньшего) веса.

Идею легко развить до любого количества нейронов. Пусть у нас есть 100 нейронов и все они соединены с результирующим нейроном. В таком случае, мы распределяем погрешность на все 100 связей так, чтобы на каждую связь пришлась часть погрешности, соответствующая ее весу.

Как видно, мы используем веса связей для двух задач. Во-первых, мы используем веса в процессе распространения сигнала от входного до выходного слоя. Мы уже разобрались, как это делается. Во-вторых, мы используем веса для распространения ошибки в обратную сторону: от выходного слоя к входному. Из-за этого данный метод использования погрешности называют методом обратного распространения ошибки.

Если у нашей сети 2 нейрона выходного слоя, то нам пришлось бы использовать этот метод еще раз, но уже для связей, которые повлияли на выход второго нейрона выходного слоя. Рассмотрим эту ситуацию подробнее.

1.11 Обратное распространение ошибки от выходных нейронов

На диаграмме ниже изображена нейросеть с двумя нейронами во входном слое, как и в предыдущем примере. Но теперь у сети имеется два нейрона и в выходном слое.

Оба выхода сети могут иметь погрешность, особенно в тех случаях, когда сеть еще не натренирована. Мы должны использовать полученные погрешности для настройки весов связей. Можно использовать метод, который мы получили в предыдущем разделе — больше изменяем те нейроны, которые сделали больший вклад в выход сети.

То, что сейчас у нас больше одного выходного нейрона по сути ни на что не влияет. Мы просто используем наш метод дважды: для первого и второго нейронов. Почему так просто? Потому что связи с конкретным выходным нейроном никак не влияют на остальные выходные нейроны. Их изменение повлияет только на конкретный выходной нейрон. На диаграмме выше изменение весов ​\( w_{1,2} \)​ и ​\( w_{2,2} \)​ не повлияет на результат ​\( o_1 \)​.

Погрешность первого нейрона выходного слоя мы обозначили за ​\( e_1 \)​. Погрешность равна разнице между желаемым выходом нейрона ​\( t_1 \)​, который мы имеем в обучающей выборке и полученным реальным результатом ​\( o_1 \)​.

\[ e_1 = t_1 — o_1 \]

Погрешность второго нейрона выходного слоя равна ​\( e_2 \)​.

На диаграмме выше погрешность ​\( e_1 \)​ разделяется на веса ​\( w_{1,1} \)​ и ​\( w_{2,1} \)​ соответственно их вкладу в эту погрешность. Аналогично, погрешность ​\( e_2 \)​ разделяется на веса ​\( w_{1,2} \)​ и ​\( w_{2,2} \)​.

Теперь надо определить, какой вес оказал большее влияние на выход нейрона. Например, мы можем определить, какая часть ошибки ​\( e_1 \)​ пойдет на исправление веса ​\( w_{1,1} \)​:

\[ \frac{w_{1,1}}{w_{1,1}+w_{2,1}} \]

А вот так находится часть ​\( e_1 \)​, которая пойдет на корректировку веса ​\( w_{2,1} \)​:

\[ \frac{w_{2,1}}{w_{1,1} + w_{2,1}} \]

Теперь разберемся, что означают два этих выражения выше. Изначально наша идея заключается в том, что мы хотим сильнее изменить связи с большим весом и слегка изменить связи с меньшим весом.

А как нам понять величину веса относительно всех остальных весов? Для этого мы должны сравнить какой-то конкретный вес (например ​\( w_{1,1} \)​) с абстрактной «общей» суммой всех весов, повлиявших на выход нейрона. На выход нейрона повлияли два веса: ​\( w_{1,1} \)​ и ​\( w_{2,1} \)​. Мы складываем их и смотрим, какая часть от общего вклада приходится на ​\( w_{1,1} \)​ с помощью деления этого веса на полученную ранее общую сумму:

\[ \frac{w_{1,1}}{w_{1,1}+w_{2,1}} \]

Пусть ​\( w_{1,1} \)​ в два раза больше, чем ​\( w_{2,1} \)​: ​\( w_{1,1} = 6 \)​ и ​\( w_{2,1} = 3 \)​. Тогда имеем ​\( 6/(6+3) = 6/9 = 2/3 \)​, а значит ​\( 2/3 \)​ погрешности ​\( e_1 \)​ пойдет на корректировку ​\( w_{1,1} \)​, а ​\( 1/3 \)​ на корректировку ​\( w_{2,1} \)​.

В случае, когда оба веса равны, то каждому достанется по половине погрешности. Пусть ​\( w_{1,1} = 4 \)​ и ​\( w_{2,1}=4 \)​. Тогда имеем ​\( 4/(4+4)=4/8=1/2 \)​, а значит на каждый вес пойдет ​\( 1/2 \)​ погрешности ​\( e_1 \)​.

Прежде чем мы двинемся дальше, давайте на секунду остановимся и посмотрим, чего мы достигли. Нам нужно что-то менять в нейросети для уменьшения получаемой погрешности. Мы решили, что будем менять веса связей между нейронами. Мы также нашли способ, как распределять полученную на выходном слое сети погрешность между весами связей. В этом разделе мы получили формулы для вычисления конкретной части погрешности для каждого веса. Отлично!

Но есть еще одна проблема. Сейчас мы знаем, что делать с весами связей слое, который находится прямо перед выходным слоем сети. А что если наша нейросеть имеет больше 2 слоев? Что делать с весами связей в слоях, которые находятся за предпоследним слоем сети?

1.12 Обратное распространение ошибки на множество слоев

На диаграмме ниже изображена простая трехслойная нейросеть с входным, скрытым и выходным слоями.

Сейчас мы наблюдаем процесс, который обсуждался в разделе выше. Мы используем погрешность выходного слоя для настройки весов связей, которые соединяют предпоследний слой с выходным слоем.

Для простоты обозначения были обобщены. Погрешности нейронов выходного слоя мы в целом назвали ​\( e_{\text{out}} \)​, а все веса связей между скрытым и выходным слоем обозначили за ​\( w_{\text{ho}} \)​.

Еще раз повторю, что для корректировки весов ​\( w_{\text{ho}} \)​ мы распределяем погрешность нейрона выходного слоя по всем весам в зависимости от их вклада в выход нейрона.

Как видно из диаграммы ниже, для корректировки весов связей между входным и скрытым слоем нам надо повторить ту же операцию еще раз. Мы берем погрешности нейронов скрытого слоя ​\( e_{\text{hi}} \)​ и распределяем их по весам связей между входным и скрытым слоем ​\( w_{\text{ih}} \)​:

Если бы у нас было бы больше слоев, то мы бы и дальше повторяли этот процесс корректировки, распространяющийся от выходного ко входному слою. И снова вы видите, почему этот способ называется методом обратного распространения ошибки.

Для корректировки связей между предпоследним и выходным слоем мы использовали погрешность выходов сети ​\( e_{\text{out}} \)​. А чему же равна погрешность выходов нейронов скрытых слоев ​\( e_{\text{hi}} \)​? Это отличный вопрос потому что сходу на этот вопрос ответить трудно. Когда сигнал распространяется по сети от входного к выходному слою мы точно знаем значения выходных нейронов скрытых слоев. Мы получали эти значения с помощью функции активации, у которой в качестве аргумента использовалась сумма взвешенных сигналов, поступивших на вход нейрона. Но как из выходного значения нейрона скрытого слоя получить его погрешность?

У нас нет никаких ожидаемых или заранее подготовленных правильных ответов для выходов нейронов скрытого слоя. У нас есть готовые правильные ответы только для выходов нейронов выходного слоя. Эти выходы мы сравниваем с заранее правильными ответами из обучающей выборки и получаем погрешность. Давайте вновь проанализируем диаграмму выше.

Мы видим, что из первого нейрона скрытого слоя выходят две связи с двумя нейронами выходного слоя. В предыдущем разделе мы научились распределять погрешность на веса связей. Поэтому мы можем получить две погрешности для обоих весов этих связей, сложить их и получить общую погрешность данного нейрона скрытого слоя. Наглядная демонстрация:

Уже из рисунка можно понять, что делать дальше. Но давайте все-таки еще раз пройдемся по всему алгоритму. Нам нужно получить погрешность выхода нейрона скрытого слоя для того, чтобы скорректировать веса связей между текущим и предыдущим слоями. Назовем эту погрешность ​\( e_{\text{hi}} \)​. Но мы не можем получить значение погрешности напрямую. Погрешность равна разности между ожидаемым и полученным значениями, но проблема заключается в том, что у нас есть ожидаемые значения только для нейронов выходного слоя нейросети.

В невозможности прямого нахождения погрешности нейронов скрытого слоя и заключается основная сложность.

Но выход есть. Мы умеем распределять погрешность нейронов выходного слоя по весам связей. Значит на каждый вес связи идет часть погрешности. Поэтому мы складываем части погрешностей, которые относятся к весам связей, исходящих из данного скрытого нейрона. Полученная сумма и будем считать за погрешность выхода данного нейрона. На диаграмме выше часть погрешности ​\( e_{\text{out 1}} \)​ идет на вес ​\( w_{1,1} \)​, а часть погрешности ​\( e_{\text{out 2}} \)​ идет на вес ​\( w_{1,2} \)​. Оба этих веса относятся к связям, исходящим из первого нейрона скрытого слоя. А значит мы можем найти его погрешность:

\[ e_{\text{hi 1}} = \text{сумма частей погрешностей для весов } w_{1,1} \text{ и } w_{1,2} \]

\[ e_{\text{hi 1}} = \left(e_{\text{out 1}}\cdot\frac{w_{1,1}}{w_{1,1} + w_{2,1}}\right) + \left(e_{\text{out 2}}\cdot\frac{w_{1,2}}{w_{1,2} + w_{2,2}}\right) \]

Рассмотрим алгоритм на реальной трехслойной нейросети с двумя нейронами в каждом слое:

Давайте отследим обратное распространение одной ошибки/погрешности. Погрешность второго выходного нейрона равна ​\( 0.5 \)​ и она распределяется на два веса. На вес ​\( w_{12} \)​ идет погрешность ​\( 0.1 \)​, а на вес ​\( w_{22} \)​ идет погрешность ​\( 0.4 \)​. Дальше у нас идет второй нейрон скрытого слоя. От него отходят две связи с весами ​\( w_{21} \)​ и ​\( w_{22} \)​. На эти веса связей также распределяется погрешность как от ​\( e_1 \)​, так и от ​\( e_2 \)​. На вес ​\( w_{21} \)​ идет погрешность ​\( 0.9 \)​, а на вес ​\( w_{22} \)​ идет погрешность ​\( 0.4 \)​. Сумма этих погрешностей и дает нам погрешность выхода второго нейрона скрытого слоя: ​\( 0.4 + 0.9 = 1.3 \)​.

Но это еще не конец. Теперь надо распределить погрешность нейронов выходного слоя на веса связей между входным и скрытым слоями. Проиллюстрируем этот процесс дальнейшего распространения ошибки:

Ключевые моменты

• Обучение нейросетей заключается в корректировки весов связей. Корректировка зависит от погрешности — разности между ожидаемым ответом из обучающей выборки и реально полученным результатами.
• Погрешность для нейронов выходного слоя рассчитывается как разница между желаемым и полученным результатами.
• Однако, погрешность скрытых нейронов определить напрямую нельзя. Одно из популярных решений — сначала необходимо распределить известную погрешность на все веса связей, а затем сложить те части погрешностей, которые относятся к связям, исходящим из одного нейрона. Сумма этих частей погрешностей и будет являться общей погрешностью этого нейрона.

1.13 Обратное распространение ошибки и произведение матриц

А можно ли использовать матрицы для упрощения всех этих трудных вычислений? Они ведь помогли нам ранее, когда мы рассчитывали проход сигнала по сети от входного к выходному слою.

Если бы мы могли выразить обратное распространение ошибки через произведение матриц, то все наши вычисления разом бы уменьшились, а компьютер бы сделал всю грязную и повторяющуюся работу за нас.

Начинаем мы с самого конца нейросети — с матрицы погрешностей ее выходов. В примере выше у нас имеется две погрешности сети: ​\( e_1 \)​ и ​\( e_2 \)​.

\[ \mathbf{E}_{\text{out}} = \left(\begin{matrix}e_1 \\ e_2\end{matrix}\right) \]

Теперь нам надо получить матрицу погрешностей выходов нейронов скрытого слоя. Звучит довольно жутко, поэтому давайте действовать по шагам. Из предыдущего раздела вы помните, что погрешность нейрона скрытого слоя высчитывается как сумма частей погрешностей весов связей, исходящих из этого нейрона.

Сначала рассматриваем первый нейрон скрытого слоя. Как было показано в предыдущем разделе, погрешность этого нейрона высчитывается так:

\[ e_{\text{hi 1}} = \left(e_1\cdot\frac{w_{11}}{w_{11} + w_{21}}\right) + \left(e_2\cdot\frac{w_{12}}{w_{12} + w_{22}}\right) \]

Погрешность второго нейрона скрытого слоя высчитывается так:

\[ e_{\text{hi 2}} = \left(e_1\cdot\frac{w_{21}}{w_{11} + w_{21}}\right) + \left(e_2\cdot\frac{w_{22}}{w_{12} + w_{22}}\right) \]

Получаем матрицу погрешностей скрытого слоя:

\[ \mathbf{E}_{\text{hid}} = \left(\begin{matrix}e_{\text{hid 1}} \\ e_{\text{hid 2}}\end{matrix}\right) = \left(\begin{matrix} e_1\cdot\dfrac{w_{11}}{w_{11} + w_{21}} \hspace{5pt} + \hspace{5pt} e_2\cdot\dfrac{w_{12}}{w_{12} + w_{22}} \\ e_1\cdot\dfrac{w_{21}}{w_{11} + w_{21}} \hspace{5pt} + \hspace{5pt} e_2\cdot\dfrac{w_{22}}{w_{12} + w_{22}} \end{matrix}\right) \]

Многие из вас уже заметили произведение матриц:

\[ \mathbf{E}_{\text{hid}} = \left(\begin{matrix} \dfrac{w_{11}}{w_{11} + w_{21}} & \dfrac{w_{12}}{w_{12} + w_{22}} \\ \dfrac{w_{21}}{w_{11} + w_{21}} & \dfrac{w_{22}}{w_{12} + w_{22}} \end{matrix}\right)\times \left(\begin{matrix} e_1 \\ e_2 \end{matrix}\right) \]

Таким образом, мы смогли выразить вычисление матрицы погрешностей нейронов выходного слоя через произведение матриц. Однако выражение выше получилось немного сложнее, чем мне хотелось бы.

В формуле выше мы используем большую и неудобную матрицу, в которой делим каждый вес связи на сумму весов, приходящих в данный нейрон. Мы самостоятельно сконструировали эту матрицу.

Было бы очень удобно записать произведение из уже имеющихся матриц. А имеются у нас только матрицы весов связей, входных сигналов и погрешностей выходного слоя.

К сожалению, формулу выше никак нельзя записать в мега-простом виде, который мы получили для прохода сигнала в предыдущих разделах. Вся проблема заключается в жутких дробях, с которыми трудно что-то поделать.

Но нам очень нужно получить простую формулу для удобного и быстрого расчета матрицы погрешностей.

Пора немного пошалить!

Вновь обратим взор на формулу выше. Можно заметить, что самым главным является умножение погрешности выходного нейрона ​\( e_n \)​ на вес связи ​\( w_{ij} \)​, которая к этому выходному нейрону подсоединена. Чем больше вес, тем большую погрешность получит нейрон скрытого слоя. Эту важную деталь мы сохраняем. А вот знаменатели дробей служат лишь нормализующим фактором. Если их убрать, то мы лишимся масштабирования ошибки на предыдущие слои, что не так уж и страшно. Таким образом, мы можем избавиться от знаменателей:

\[ e_1\cdot \frac{w_{11}}{w_{11} + w_{21}} \hspace{5pt} \longrightarrow \hspace{5pt} e_1 \cdot w_{11} \]

Запишем теперь формулу для получения матрицы погрешностей, но без знаменателей в левой матрице:

\[ \mathbf{E}_{\text{hid}} = \left(\begin{matrix} w_{11} & w_{12} \\ w_{21} & w_{22} \end{matrix}\right)\times \left(\begin{matrix} e_1 \\ e_2 \end{matrix}\right) \]

Так гораздо лучше!

В разделе по использованию матриц при расчетах прохода сигнала по сети мы использовали следующую матрицу весов:

\[ \left(\begin{matrix} w_{11} & w_{21} \\ w_{12} & w_{22} \end{matrix}\right) \]

Сейчас, для расчета матрицы погрешностей мы используем такую матрицу:

\[ \left(\begin{matrix} w_{11} & w_{12} \\ w_{21} & w_{22} \end{matrix}\right) \]

Можно заметить, что во второй матрице элементы как бы отражены относительно диагонали матрицы, идущей от левого верхнего до правого нижнего края матрицы: ​\( w_{21} \)​ и ​\( w_{12} \)​ поменялись местами. Такая операция над матрицами существует и называется она \textbf{транспонированием} матрицы. Ранее мы использовали матрицу весов ​\( \mathbf{W} \)​. Транспонированные матрицы имеют специальный значок справа сверху: ​\( ^\intercal \)​. В расчете матрицы погрешностей мы используем транспонированную матрицу весов: ​\( \mathbf{W}^\intercal \)​.

Вот два примера для иллюстрации транспонирования матриц. Заметьте, что данную операцию можно выполнять даже для матриц, в которых число столбцов и строк различно.

\[ \left(\begin{matrix} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \\ 7 & 8 & 9 \end{matrix}\right)^\intercal = \left(\begin{matrix} 1 & 4 & 7 \\ 2 & 5 & 8 \\ 3 & 6 & 9 \end{matrix}\right) \]

\[ \left(\begin{matrix} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \end{matrix}\right)^\intercal = \left(\begin{matrix} 1 & 4 \\ 2 & 5 \\ 3 & 6 \end{matrix}\right) \]

Мы получили то, что хотели — простую формулу для расчета матрицы погрешностей нейронов скрытого слоя:

\[ \mathbf{E}_{\text{hid}} = \mathbf{W}^\intercal \times \mathbf{E}_{\text{out}} \]

Это все конечно отлично, но правильно ли мы поступили, просто проигнорировав знаменатели? Да.

Дело в том, что сеть обучается не мгновенно, а проходит через множество шагов обучения. Таким образом она постепенно калибрует и корректирует собственные веса до приемлемого значения. Поэтому способ, с помощью которого мы находим погрешность не так важен. Я уже упоминал ранее, что мы могли бы разделить всю погрешность просто пополам между всеми весами, вносящими вклад в выход нейрона и даже тогда, по окончанию обучения, сеть выдавала бы неплохие результаты.

Безусловно, игнорирование знаменателей повлияет на процесс обучения сети, но рано или поздно, через сотни и тысячи шагов обучения, она дойдет до правильных результатов что со знаменателями, что без них.

Убрав знаменатели, мы сохранили общую суть обратного распространения ошибки — чем больше вес, тем больше его надо скорректировать. Мы просто убрали смягчающий фактор.

Ключевые моменты

• Обратное распространение ошибки может быть выражено через произведение матриц.
• Это позволяет нам удобно и эффективно производить расчеты вне зависимости от размеров нейросети.
• Получается что и прямой проход сигнала по нейросети и обратно распространение ошибки можно выразить через матрицы с помощью очень похожих формул.

Сделайте перерыв. Вы его заслужили. Следующие несколько разделов будут финальными и очень крутыми. Но их надо проходить на свежую голову.