Машинное обучение. Нейронные сети (часть 1): Процесс обучения персептрона
В данной же статье мы с помощью нейронной сети смоделируем выполнение логических операций OR; XOR, которые являются своеобразным Hello World приложением для нейронных сетей.
В статье будет последовательно описан процесс такого моделирования с использованием TensorFlow.js.
Итак построим нейронную сеть для логической операции ИЛИ. На вход мы будем всегда подавать два сигнала X1 и X2, а на выходе будем получать один выходной сигнал Y. Для обучения нейронный сети нам также потребуется тренировочный набор данных (рисунок 1).
Рисунок 1 Тренировочный набор данных и модель для моделирования логической операции ИЛИ
Чтобы понять какую структуру нейронной сети задать, давайте представим тренировочный набор данных на координатной плоскости с осями X1 и X2 (рисунок 2, слева).
Рисунок 2 Тренировочный набор на координатной плоскости для логической операции ИЛИ
Обратите внимание, что для решения этой задачи нам достаточно провести линию, которая разделяла бы плоскость таким образом, чтобы по одну сторону линии были все TRUE значения, а по другую все FALSE значения (рисунок 2, справа). Мы также знаем, что с этой целью прекрасно может справиться один нейрон в нейронной сети (персептрон), выходное значение которое по входным сигналам вычисляется как:
Ввиду того, что наши значения находятся в промежутке от 0 до 1, то также применим сигмоидную активационную функцию. Таким образом, наша нейронная сеть выглядит так, как на рисунке 3.
Рисунок 3 Нейронная сеть для обучения логической операции ИЛИ
Итак решим данную задачу с помощью TensorFlow.js
Для начала нам надо тренировочный набор данных преобразовать в тензоры. Тензор это контейнер данных, который может иметь
осей и произвольное число элементов
вдоль каждой из осей. Большинство с тензорами знакомы с математики
векторы (тензор с одной осью), матрицы (тензор с двумя осями
строки, колонки).Для задания тренировочного набора данных первая ось (axis 0) это всегда ось вдоль которой располагаются все находящиеся в наличии экземпляры выборок данных (рисунок 4).
Рисунок 4 Структура тензора
В нашем конкретном случае мы имеем 4 экземпляра выборок данных (рисунок 1), значит входной тензор вдоль первой оси будет иметь 4 элемента. Каждый элемент тренировочной выборки представляет собой вектор, состоящий из двух элементов X1, X2. Таким образом, входной тензор имеет 2 оси (матрица), вдоль первой оси расположено 4 элемента, вдоль второй оси 2 элемента.
const input = [[0, 0], [1, 0], [0, 1], [1, 1]];const inputTensor = tf.tensor(input, [input.length, 2]);
Аналогично, преобразуем выходные данные в тензор. Как и для входных сигналов, вдоль первой оси имеем 4 элемента, а в каждом элементе располагается вектор, содержащий одно значение:
const output = [[0], [1], [1], [1]]const outputTensor = tf.tensor(output, [output.length, 1]);
Создадим модель, используя TensorFlow API:
const model = tf.sequential();model.add( tf.layers.dense({ inputShape: [2], units: 1, activation: 'sigmoid' }));
Создание модели всегда будет начинаться с вызова tf.sequential(). Основным строительным блоком модели это слои. Мы можем подключать к модели столько слоев в нейронную сеть, сколько нам надо. Тут мы используем dense слой, что означает что каждый нейрон последующего слоя имеет связь с каждым нейроном предыдущего слоя. Например, если у нас есть два dense слоя, в первом слое
нейронов, а во втором 
, то общее число соединений между
слоями будет 
.В нашем случае как видим нейронная сеть состоит из одного слоя, в котором один нейрон, поэтому units задан единице.
Также для первого слоя нейронной сети мы обязательно должны задать inputShape, так как у нас каждый входной экземпляр представлен вектором из двух значений X1 и X2, поэтому inputShape=[2]. Обратите внимание, что задавать inputShape для промежуточных слоев нет необходимости TensorFlow может определить эту величину по значению units предыдущего слоя.
Также каждому слою в случае необходимости можно задать активационную функцию, мы определились выше, что это будет сигмоидная функция. Доступные на данных момент активационные функции в TensorFlow можно найти здесь.
Далее нам надо откомпилировать модель (см АПИ здесь), при этом нам надо задать два обязательных параметра это функция-ошибки и вид оптимизатора, который будет искать ее минимум:
model.compile({ optimizer: tf.train.sgd(0.1), loss: 'meanSquaredError'});
Мы задали в качестве оптимизатора stochastic gradient descent с обучающим шагом 0.1.
Список реализованных оптимизаторов в библиотеке: tf.train.sgd, tf.train.momentum, tf.train.adagrad, tf.train.adadelta, tf.train.adam, tf.train.adamax, tf.train.rmsprop.
На практике по умолчанию сразу можно выбирать adam оптимизатор, который имеет лучшие показатели сходимости модели, в отличии от sgd обучающий шаг (learning rate) на каждом этапе обучения задается в зависимости от истории предыдущих шагов и не является постоянным на протяжении всего процесса обучения.
В качестве функции ошибки задана функцией среднеквадратичной ошибки:
Модель задана, и следующим шагом является процесс обучения модели, для этого у модели должен быть вызван метод fit:
async function initModel() { // skip for brevity await model.fit(trainingInputTensor, trainingOutputTensor, { epochs: 1000, shuffle: true, callbacks: { onEpochEnd: async (epoch, { loss }) => { // any actions on during any epoch of training await tf.nextFrame(); } } })}
Мы задали, что процесс обучения должен состоять из 100 обучающих шагов (количество эпох обучений); также на каждой очередной эпохе входные данные следует перетасовать в произвольном порядке (shuffle=true) что ускорит процесс сходимости модели, так в нашем тренировочном наборе данных мало экземпляров (4).
После завершения процесса обучения мы можем использовать predict метод, который по новым входным сигналам, будет вычислять выходное значение.
const testInput = generateInputs(10);const testInputTensor = tf.tensor(testInput, [testInput.length, 2]);const output = model.predict(testInputTensor).arraySync();
Метод generateInputs просто создает набор тестовых данных с количеством элементов 10x10, которые делят координатную плоскость на 100 квадратов:
![$[[0,0], [0, 0.1], [0, 0.2], . [1, 1]]$](http://personeltest.ru/aways/habrastorage.org/getpro/habr/formulas/f91/9bc/fd8/f919bcfd80f6371a82df847f46515a68.svg)
Полный код приведен тут
import React, { useEffect, useState } from 'react';import LossPlot from './components/LossPlot';import Canvas from './components/Canvas';import * as tf from "@tensorflow/tfjs";let model;export default () => { const [data, changeData] = useState([]); const [lossHistory, changeLossHistory] = useState([]); useEffect(() => { async function initModel() { const input = [[0, 0], [1, 0], [0, 1], [1, 1]]; const inputTensor = tf.tensor(input, [input.length, 2]); const output = [[0], [1], [1], [1]] const outputTensor = tf.tensor(output, [output.length, 1]); const testInput = generateInputs(10); const testInputTensor = tf.tensor(testInput, [testInput.length, 2]); model = tf.sequential(); model.add( tf.layers.dense({ inputShape:[2], units:1, activation: 'sigmoid'}) ); model.compile({ optimizer: tf.train.adam(0.1), loss: 'meanSquaredError' }); await model.fit(inputTensor, outputTensor, { epochs: 100, shuffle: true, callbacks: { onEpochEnd: async (epoch, { loss }) => { changeLossHistory((prevHistory) => [...prevHistory, { epoch, loss }]); const output = model.predict(testInputTensor) .arraySync(); changeData(() => output.map(([out], i) => ({ out, x1: testInput[i][0], x2: testInput[i][1] }))); await tf.nextFrame(); } } }) } initModel(); }, []); return ( <div> <Canvas data={data} squareAmount={10}/> <LossPlot loss={lossHistory}/> </div> );}function generateInputs(squareAmount) { const step = 1 / squareAmount; const input = []; for (let i = 0; i < 1; i += step) { for (let j = 0; j < 1; j += step) { input.push([i, j]); } } return input;}
На следующем рисунке вы увидите частично процесс обучения:
Реализация в планкере:
Моделирование логической операции XOR
Тренировочный набор для данной функции приведен на рисунке 6, а также расставим эти точки также как делали для логической операции ИЛИ на координатной плоскости
Рисунок 6 Тренировочный набор данных и модель для моделирования логической операции ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (XOR)
Обратите внимание, что в отличии от логической операции ИЛИ вы не сможете разделить плоскость одной прямой линией, чтобы по одну сторону находились все TRUE значения, а по другую сторону все FALSE. Однако, мы это можем сделать с помощью двух кривых (рисунок 7).
Очевидно, что в данном случае одним нейроном в слое не обойтись нужен как минимум дополнительно еще один слой с двумя нейронами, каждый из которых определил бы одну из двух линий на плоскости.
Рисунок 7 Модель нейронной сети для логической операции ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (XOR)
В прошлом коде нам необходимо сделать изменения в нескольких местах, одни из которых это непосредственно сам тренировочный набор данных:
const input = [[0, 0], [1, 0], [0, 1], [1, 1]];const inputTensor = tf.tensor(input, [input.length, 2]);const output = [[0], [1], [1], [0]]const outputTensor = tf.tensor(output, [output.length, 1]);
Вторым местом это изменившаяся структура модели, согласно рисунку 7:
model = tf.sequential();model.add( tf.layers.dense({ inputShape: [2], units: 2, activation: 'sigmoid' }));model.add( tf.layers.dense({ units: 1, activation: 'sigmoid' }));
Процесс обучения в этом случае выглядит так:
Реализация в планкере:
Тема следующей статьи:
В следующей статье мы опишем каким образом решать задачи, связанных с классификацией объектов по категориям, базируясь на списке каких-то признаков.
