Алгоритм обучения многослойной нейронной сети методом обратного распространения ошибки. Алгоритм обратного распространения ошибки (Back propagation algorithm)

Для обучения многослойной сети в 1986 г. Руммельхартом и Хинтоном (Rummelhart D.E., Hinton G.E., Williams R.J., 1986) был предложен алгоритм обратного распостранения ошибок (error back propagation). Многочисленные публикации о промышленных применениях многослойных сетей с этим алгоритмом обучения подтвердили его принципиальную работоспособность на практике.

В начале возникает резонный вопрос - а почему для обучения многослойного персептрона нельзя применить уже известное -правило Розенблатта (см. Лекцию 4)? Ответ состоит в том, что для применения метода Розенблатта необходимо знать не только текущие выходы нейронов y, но и требуемыеправильные значенияY . В случае многослойной сети эти правильные значения имеются только для нейроноввыходного слоя. Требуемые значения выходов для нейронов скрытых слоев неизвестны, что и ограничивает применение-правила.

Основная идея обратного распространения состоит в том, как получить оценку ошибки для нейронов скрытых слоев. Заметим, что известные ошибки, делаемые нейронами выходного слоя, возникают вследствиенеизвестных пока ошибок нейронов скрытых слоев. Чем больше значение синаптической связи между нейроном скрытого слоя и выходным нейроном, тем сильнее ошибка первого влияет на ошибку второго. Следовательно, оценку ошибки элементов скрытых слоев можно получить, как взвешенную сумму ошибок последующих слоев. При обучении информация распространяется от низших слоев иерархии к высшим, а оценки ошибок, делаемые сетью - в обратном напаравлении, что и отражено в названии метода.

Перейдем к подробному рассмотрению этого алгоритма. Для упрощения обозначений ограничимся ситуацией, когда сеть имеет только один скрытый слой. Матрицу весовых коэффициентов от входов к скрытому слою обозначим W, а матрицу весов, соединяющих скрытый и выходной слой - как V. Для индексов примем следующие обозначения: входы будем нумеровать только индексом i, элементы скрытого слоя - индексом j, а выходы, соответственно, индексом k.

Пусть сеть обучается на выборке (X,Y),=1..p. Активности нейронов будем обозначать малыми буквами y с соотвествующим индексом, а суммарные взвешенные входы нейронов - малыми буквами x.

Общая структура алгоритма аналогична рассмотренной в Лекции 4, с усложнением формул подстройки весов.

Таблица 6.1. Алгоритм обратного распространения ошибки.

Как видно из описания шагов 2-3, обучение сводится к решению задачи оптимизации функционала ошибки градиентным методом. Вся “соль” обратного распространения ошибки состоит в том, что для ее оценки для нейронов скрытых слоев можно принять взвешенную сумму ошибок последующего слоя.

Параметр h имеет смысл темпа обучения и выбирается достаточно малым для сходимости метода. О сходимости необходимо сделать несколько дополнительных замечаний. Во-первых, практика показывает что сходимость метода обратного распространения весьма медленная. Невысокий тепм сходимости является “генетической болезнью” всех градиентных методов, так как локальное направление градиента отнюдь не совпадает с направлением к минимуму. Во-вторых, подстройка весов выполняется независимо для каждой пары образов обучающей выборки. При этом улучшение функционирования на некоторой заданной паре может, вообще говоря, приводить к ухудшению работы на предыдущих образах. В этом смысле, нет достоверных (кроме весьма обширной практики применения метода) гарантий сходимости.

Исследования показывают, что для представления произвольного функционального отображения, задаваемого обучающей выборкой, достаточно всего два слоя нейронов. Однако на практике, в случае сложных функций, использование более чем одного скрытого слоя может давать экономию полного числа нейронов.

В завершение лекции сделаем замечание относительно настройки порогов нейронов. Легко заметить, что порог нейрона может быть сделан эквивалентным дополнительному весу, соединенному с фиктивным входом, равным -1. Действительно, выбирая W 0 =, x 0 =-1 и начиная суммирование с нуля, можно рассматривать нейрон с нулевым порогом и одним дополнительным входом:

Дополнительные входы нейронов, соотвествующие порогам, изображены на Рис. 6.1 темными квадратиками. С учетом этого замечания, все изложенные в алгоритме обратного распространения формулы суммирования по входам начинаются с нулевого индекса.

Алгоритм обратного распространения ошибки является одним из методов обучения многослойных нейронных сетей прямого распространения, называемых также многослойными персептронами. Многослойные персептроны успешно применяются для решения многих сложных задач.

Обучение алгоритмом обратного распространения ошибки предполагает два прохода по всем слоям сети: прямого и обратного. При прямом проходе входной вектор подается на входной слой нейронной сети, после чего распространяется по сети от слоя к слою. В результате генерируется набор выходных сигналов, который и является фактической реакцией сети на данный входной образ. Во время прямого прохода все синаптические веса сети фиксированы. Во время обратного прохода все синаптические веса настраиваются в соответствии с правилом коррекции ошибок, а именно: фактический выход сети вычитается из желаемого, в результате чего формируется сигнал ошибки. Этот сигнал впоследствии распространяется по сети в направлении, обратном направлению синаптических связей. Отсюда и название – алгоритм обратного распространения ошибки . Синаптические веса настраиваются с целью максимального приближения выходного сигнала сети к желаемому.

Рассмотрим работу алгоритма подробней. Допустим необходимо обучить следующую нейронную сеть, применив алгоритм обратного распространения ошибки:

На приведенном рисунке использованы следующие условные обозначения:

В качестве активационной функции в многослойных персептронах, как правило, используется сигмоидальная активационная функция, в частности логистическая:

где – параметр наклона сигмоидальной функции. Изменяя этот параметр, можно построить функции с различной крутизной. Оговоримся, что для всех последующих рассуждений будет использоваться именно логистическая функция активации, представленная только, что формулой выше.

Сигмоид сужает диапазон изменения так, что значение лежит между нулем и единицей. Многослойные нейронные сети обладают большей представляющей мощностью, чем однослойные, только в случае присутствия нелинейности. Сжимающая функция обеспечивает требуемую нелинейность. В действительности имеется множество функций, которые могли бы быть использованы. Для алгоритма обратного распространения ошибки требуется лишь, чтобы функция была всюду дифференцируема. Сигмоид удовлетворяет этому требованию. Его дополнительное преимущество состоит в автоматическом контроле усиления. Для слабых сигналов (т.е. когда близко к нулю) кривая вход-выход имеет сильный наклон, дающий большое усиление. Когда величина сигнала становится больше, усиление падает. Таким образом, большие сигналы воспринимаются сетью без насыщения, а слабые сигналы проходят по сети без чрезмерного ослабления.

Целью обучения сети алгоритмом обратного распространения ошибки является такая подстройка ее весов, чтобы приложение некоторого множества входов приводило к требуемому множеству выходов. Для краткости эти множества входов и выходов будут называться векторами. При обучении предполагается, что для каждого входного вектора существует парный ему целевой вектор, задающий требуемый выход. Вместе они называются обучающей парой. Сеть обучается на многих парах.

Следующий:

1. Инициализировать синаптические веса маленькими случайными значениями.
2. Выбрать очередную обучающую пару из обучающего множества; подать входной вектор на вход сети.
3. Вычислить выход сети.
4. Вычислить разность между выходом сети и требуемым выходом (целевым вектором обучающей пары).
5. Подкорректировать веса сети для минимизации ошибки (как см. ниже).
6. Повторять шаги с 2 по 5 для каждого вектора обучающего множества до тех пор, пока ошибка на всем множестве не достигнет приемлемого уровня.

Операции, выполняемые шагами 2 и 3, сходны с теми, которые выполняются при функционировании уже обученной сети, т.е. подается входной вектор и вычисляется получающийся выход. Вычисления выполняются послойно. На рис. 1 сначала вычисляются выходы нейронов слоя (слой входной, а значит никаких вычислений в нем не происходит), затем они используются в качестве входов слоя , вычисляются выходы нейронов слоя , которые и образуют выходной вектор сети . Шаги 2 и 3 образуют так называемый «проход вперед», так как сигнал распространяется по сети от входа к выходу.

Шаги 4 и 5 составляют «обратный проход», здесь вычисляемый сигнал ошибки распространяется обратно по сети и используется для подстройки весов.

Рассмотрим подробней 5 шаг – корректировка весов сети. Здесь следует выделить два нижеописанных случая.

Случай 1. Корректировка синаптических весов выходного слоя

Например, для модели нейронной сети на рис. 1, это будут веса имеющие следующие обозначения: и . Определимся, что индексом будем обозначать нейрон, из которого выходит синаптический вес, а – нейрон в который входит:

Введем величину , которая равна разности между требуемым и реальным выходами, умноженной на производную логистической функции активации (формулу логистической функции активации см. выше):

Тогда, веса выходного слоя после коррекции будут равны:

Приведем пример вычислений для синаптического веса :

Случай 2. Корректировка синаптических весов скрытого слоя

Для модели нейронной сети на рис. 1, это будут веса соответствующие слоям и . Определимся, что индексом будем обозначать нейрон из которого выходит синаптический вес, а – нейрон в который входит (обратите внимание на появление новой переменной ).

Строго говоря, метод обратного распространения ошибки - это способ быстрого расчета градиента, основанный на особенностях функции пересчета сети, которые позволяют сократить вычислительную сложность расчета градиента. Метод использует ошибку на выходе сети для расчета частных производных по весам последнего слоя обучаемых связей, затем по весам последнего слоя и ошибке сети определяется ошибка на выходе предпоследнего слоя и процесс повторяется.

Описание алгоритма

Обратное распространение ошибки применяется к многослойным сетям, нейроны которых имеют нелинейность с непрерывной производной, например такую:

Нелинейность такого вида удобна простотой расчета производной:

Для обучения сети используется P пар векторов сигналов: входной вектор I и вектор, который должен быть получен на выходе сети D. Сеть, в простом случае, состоит из N слоев, причем каждый нейрон последующего слоя связан со всеми нейронами предыдущего слоя связями, с весами w [n].

При прямом распространении, для каждого слоя рассчитывается (и запоминается) суммарный сигнал на выходе слоя (S [n]) и сигнал на выходе нейрона. Так, сигнал на входе i-го нейрона n-го слоя:

Здесь w (i,j) - веса связей n-го слоя. Сигнал на выходе нейрона рассчитывается применением к суммарному сигналу нелинейности нейрона.

Сигнал выходного слоя x [N] считается выходным сигналом сети O.

По выходному сигналу сети O и сигналу D, который должен получится на выходе сети для данного входа, рассчитываться ошибка сети. Обычно используется средний квадрат отклонения по всем векторам обучающей выборки:

Для обучения сети используется градиент функции ошибки по весам сети. Алгоритм обратного распространения предполагает расчет градиента функции ошибки "обратным распространением сигнала" ошибки. Тогда частная производная ошибки по весам связей рассчитывается по формуле:

Здесь д - невязка сети, которая для выходного слоя рассчитывается по функции ошибки:

А для скрытых слоев - по невязке предыдущего слоя:

Для случая сигмоидной нелинейности и среднего квадрата отклонения как функции ошибки:

Собственно обучение сети состоит в нахождении таких значений весов, которые минимизируют ошибку на выходах сети. Существует множество методов, основанных или использующих градиент, позволяющих решить эту задачу. В простейшем случае, обучение сети проводится при помощи небольших приращений весов связей в направлении, противоположенном вектору градиента:

Такой метод обучения называется "оптимизация методом градиентного спуска" и, в случае нейросетей, часто считается частью метода обратного распространения ошибки.

Реализация алгоритма обратного распространения ошибки на примере аппроксимации функции

Задание: Пусть имеется таблица значений аргумента (x i ) и соответствующих значений функции (f (x i )) (эта таблица могла возникнуть при вычислениях некоторой аналитически заданной функции при проведении эксперимента по выявлению зависимости силы тока от сопротивления в электрической сети, при выявлении связи между солнечной активностью и количеством обращений в кардиологический центр, между размером дотаций фермерам и объемом производства сельхозпродукции и т.п.).

В среде Matlab необходимо построить и обучить нейронную сеть для аппроксимации таблично заданной функции, i=1, 20. Разработать программу, которая реализует нейросетевой алгоритм аппроксимации и выводит результаты аппроксимации в виде графиков.

Аппроксимация заключается в том, что, используя имеющуюся информацию по f (x), можно рассмотреть аппроксимирующую функцию z (x) близкую в некотором смысле к f (x), позволяющую выполнить над ней соответствующие операции и получить оценку погрешности такой замены.

Под аппроксимацией обычно подразумевается описание некоторой, порой не заданной явно, зависимости или совокупности представляющих ее данных с помощью другой, обычно более простой или более единообразной зависимости. Часто данные находятся в виде отдельных узловых точек, координаты которых задаются таблицей данных. Результат аппроксимации может не проходить через узловые точки. Напротив, задача интерполяции - найти данные в окрестности узловых точек. Для этого используются подходящие функции, значения которых в узловых точках совпадают с координатами этих точек .

Задача. В среде Matlab необходимо построить и обучить нейронную сеть для аппроксимации таблично заданной функции (см. рисунок 5).

Рисунок 5. Таблица значений функции В математической среде Matlab в командном окне записываем код программы создания и обучения нейронной сети.

Для решения воспользуемся функцией newff (.) - создание "классической" многослойной НС с обучением по методу обратного распространения ошибки, т.е. изменение весов синапсов происходит с учетом функции ошибки, разница между реальными и правильными ответами нейронной сети, определяемыми на выходном слое, распространяется в обратном направлении - навстречу потоку сигналов. Сеть будет иметь два скрытых слоя. В первом слое 5 нейронов, во втором - 1. Функция активации первого слоя - "tansig" (сигмоидная функция, возвращает выходные векторы со значениями в диапазоне от - 1 до 1), второго - "purelin" (линейная функция активации, возвращает выходные векторы без изменений). Будет проведено 100 эпох обучения. Обучающая функция "trainlm" - функция, тренирующая сеть (используется по умолчанию, поскольку она обеспечивает наиболее быстрое обучение, но требует много памяти) .

Код программы:

P = zeros (1, 20);

for i = 1: 20 %создание массива P (i) = i*0.1; %входные данные (аргумент) end T= ; %входные данные (значение функции) net = newff ([-1 2.09], ,{"tansig" "purelin"}); %создание нейронной сети net. trainParam. epochs = 100; %задание числа эпох обучения net=train (net,P,T); %обучение сети y = sim (net,P); %опрос обученной сети figure (1);

plot (P,T,P,y,"o"),grid; %прорисовка графика исходных данных и функции, сформированной нейронной сетью.

Результат работы нейронной сети.

Результат обучения (см. рис.2): график показывает время обучения нейронной сети и ошибку обучения. В этом примере нейронная сеть прошла все 100 эпох постепенно обучаясь и уменьшая ошибки, дошла до 10 -2,35 (0,00455531).

Рисунок 2. Результат обучения нейронной сети

График исходных данных и функции, сформированной нейронной сетью (см. рис.3): кружками обозначены исходные данные, а линия - функция, сформированная нейронной сетью. Далее по полученным точкам можно построить регрессию и получить уравнение аппроксимации (см. рисунок 8). Мы использовали кубическую регрессию, так как ее график наиболее точно проходит через полученные точки. Полученное уравнение имеет вид:

y=0.049x 3 +0.88x 2 -0.006x+2.1.

Таким образом, видим, что используя нейронную сеть, можно довольно быстро найти функцию, зная лишь координаты точек, через которые она проходит.

Рисунок 3. График исходных данных и функции, сформированной нейронной сетью

Рисунок 4. График функции аппроксимации

Целью обучения сети является такая подстройка ее весов, чтобы приложение некоторого множества входов приводило к требуемому множеству выходов . Для краткости эти множества входов и выходов будут называться векторами. При обучении предполагается, что для каждого входного вектора существует парный ему целевой вектор, задающий требуемый выход. Вместе они называются обучающей парой. Как правило, сеть обучается на многих парах.

Перед началом обучения всем весам должны быть присвоены небольшие начальные значения, выбранные случайным образом. Это гарантирует, что в сети не произойдет насыщения большими значениями весов, и предотвращает ряд других патологических случаев. Например, если всем весам придать одинаковые начальные значения, а для требуемого функционирования нужны неравные значения, то сеть не сможет обучиться.

Обучение сети обратного распространения требует

выполнения следующих операций:

1. Выбрать очередную обучающую пару из обучающего множества, подать входной вектор на вход сети.

2. Вычислить выход сети.

3. Вычислить разность между выходом сети и требуемым выходом (целевым вектором обучающей пары)

4. Подкорректировать веса сети так, чтобы минимизировать ошибку.

5. Повторять шаги с 1 по 4 для каждого вектора обучающего множества до тех пор, пока ошибка на всем множестве не достигнет приемлемого уровня.

Операции, выполняемые шагами 1 и 2, сходны с теми, которые выполняются при функционировании уже обученной сети, т.е. подается входной вектор и вычисляется получающийся выход. Вычисления выполняются послойно. На рис.3 сначала вычисляются выходы нейронов слоя j затем они используются в качестве входов слоя k , вычисляются выходы нейронов слоя k, которые и образуют выходной вектор сети.

На шаге 3 каждый из выходов сети, которые на рис.3 обозначены OUT, вычитается из соответствующей компоненты целевого вектора, чтобы получить ошибку. Эта ошибка используется на шаге 4 для коррекции весов сети, причем знак и величина изменений весов определяются алгоритмом обучения (см. ниже).

После достаточного числа повторений этих четырех шагов разность между действительными выходами и целевыми выходами должна уменьшиться до приемлемой величины, при этом говорят, что сеть обучилась. Теперь сеть используется для распознавания и веса не изменяются.

На шаги 1 и 2 можно смотреть как на «проход вперед», так как сигнал распространяется по сети от входа к выходу. Шаги 3, 4 составляют «обратный проход», здесь вычисляемый сигнал ошибки распространяется обратно по сети и используется для подстройки весов. Эти два прохода теперь будут детализированы и выражены в более математической форме.

Проход вперед. Шаги 1 и 2 могут быть выражены в векторной форме следующим образом: подается входной вектор X и на выходе получается вектор Y . Векторная пара вход-цель X и T берется из обучающего множества. Вычисления проводятся над вектором X , чтобы получить выходной векторY .

Как мы видели, вычисления в многослойных сетях выполняются слой за слоем, начиная с ближайшего к входу слоя. Величина NET каждого нейрона первого слоя вычисляется как взвешенная сумма входов нейрона. Затем активационная функция F «сжимает» NET и дает величину OUT для каждого нейрона в этом слое. Когда множество выходов слоя получено, оно является входным множеством для следующего слоя. Процесс повторяется слой за слоем, пока не будет получено заключительное множество выходов сети.

Этот процесс может быть выражен в сжатой форме с помощью векторной нотации. Веса между нейронами могут рассматриваться как матрица W . Например, вес от нейрона 8 в слое 2 к нейрону 5 слоя 3 обозначается w 8,5 . Тогда NET-вектор слоя N может быть выражен не как сумма произведений, а как произведение X и W . В векторном обозначении N = XW . Покомпонентным применением функции F к NET-вектору N получается выходной вектор О . Таким образом, для данного слоя вычислительный процесс описывается следующим выражением:

O =F(XW ) (3)

Выходной вектор одного слоя является входным вектором для следующего.

Обратный проход . Подстройка весов выходного слоя. Так как для каждого нейрона выходного слоя задано целевое значение, то подстройка весов легко осуществляется с использованием модифицированного дельта-правила. Внутренние слои называют «скрытыми слоями», для их выходов не имеется целевых значений для сравнения. Поэтому обучение усложняется.

Обучение последнего слоя Рис. 2.4

На рис. 2.4 показан процесс обучения для одного веса от нейрона р. в скрытом слое j к нейрону q в выходном слое k. Выход нейрона слоя k, вычитаясь из целевого значения (Target), дает сигнал ошибки. Он умножается на производную сжимающей функции , вычисленную для этого нейрона слоя 6, давая, таким образом, величину d.

d = OUT(1 - OUT)(Target - OUT). (2.4)

Затем d умножается на величину OUT нейрона j, из которого выходит рассматриваемый вес. Это произведение в свою очередь умножается на коэффициент скорости обучения h (обычно от 0,01 до 1,0), и результат прибавляется к весу. Такая же процедура выполняется каждого веса от нейрона скрытого слоя к нейрону в выходном слое.

Следующие уравнения иллюстрируют это вычисление:

Dw pq, k = hd q, k OUT p, j (2.5)

w pq,k (n+1) = w pq, k (n) + Dw pq, k (2.6)

где w pq, k (n) - величина веса от нейрона h в скрытом слое к нейрону q в выходном слое на шаге n (до коррекции), отметим, что индекс k относится к слою, в котором заканчивается данный вес, т.е., согласно принятому в этой книге соглашению, с которым он объединен; w pq, k (n+1) - величина веса на шаге n+1 (после коррекции), d q, k - величина d для нейрона в выходном слое k, OUT p, j - величина OUT для нейрона р в скрытом слое j.

Подстройка весов скрытого слоя . Рассмотрим один нейрон в скрытом слое, предшествующем выходному слою. При проходе вперед этот нейрон передает свой выходной сигнал нейронам в выходном слое через соединяющие их веса. Во время обучения эти веса функционируют в обратном порядке, пропуская величину d от выходного слоя назад к скрытому слою. Каждый из этих весов умножается на величину d нейрона, к которому он присоединен в выходном слое. Величина d, необходимая для нейрона скрытого слоя, получается суммированием всех таких произведений и умножением на производную сжимающей функции:

(см. рис.5)Когда значение d получено, веса, питающие первый скрытый уровень, могут быть подкорректированы с помощью уравнений (5) и (6), где индексы модифицируются в соответствии со слоем.

Обучение внутреннего слоя Рис. 2.5

Для каждого нейрона в данном скрытом слое должно вычислено d и подстроены все веса, ассоциированные с этим слоем. Этот процесс повторяется слой за слоем по направлению к входу, пока все веса не будут подкорректированы.

С помощью векторных обозначений операция обратного распространения ошибки может быть, записана значительно компактнее. Обозначим множество величин d выходного слоя через D k и множество весов выходного слоя как массив W k . Чтобы получить D j , d-вектор выходного слоя, достаточно следующих двух операций:

1. Умножить d-вектор выходного слоя D k на транспонированную матрицу весов W k , соединяющую скрытый уровень с выходным уровнем.

2. Умножить каждую компоненту полученного произведения на производную сжимающей функции соответствующего нейрона в скрытом слое.

В символьной записи:

,

где оператор $ обозначает покомпонентное произведение векторов. О j - выходной вектор слоя j и I - вектор, все компоненты которого равны 1.

Паралич сети. В процессе обучения сети значения весов могут в результате коррекции стать очень большими величинами. Это может привести к тому, что все или большинство нейронов будут функционировать при очень больших значениях OUT, в области, где производная сжимающей функции очень мала. Так как посылаемая обратно в процессе обучения ошибка пропорциональна этой производной, то процесс обучения может практически замереть. В теоретическом отношении эта проблема плохо изучена. Обычно этого избегают уменьшением размера шага n, но это увеличивает время обучения. Различные эвристики использовались для предохранения от паралича или для восстановления после него, но пока что они могут рассматриваться лишь как экспериментальные.

Локальные минимумы. Обратное распространение использует разновидность градиентного спуска, т.е. осуществляет спуск вниз по поверхности ошибки, непрерывно подстраивая веса в направлении к минимуму. Поверхность ошибки сложной сети сильно изрезана и состоит из холмов, долин, складок и оврагов в пространстве высокой размерности. Сеть может попасть в локальный минимум (неглубокую долину), когда рядом имеется гораздо более глубокий минимум. В точке локального минимума все направления ведут вверх, и сеть неспособна из него выбраться. Статистические методы обучения могут помочь избежать этой ловушки, но они медленны. В предложен метод, объединяющий статистические методы машины Каши с градиентным спуском обратного распространения и приводящий к системе, которая находит глобальный минимум, сохраняя высокую скорость обратного распространения. Это обсуждается в гл. 5.

Размер шага. Внимательный разбор доказательства сходимости показывает, что коррекции весов предполагаются бесконечно малыми. Ясно, что это неосуществимо на практике, так как ведет к бесконечному времени обучения. Размер шага должен браться конечным, и в этом вопросе приходится опираться только на опыт. Если размер шага очень мал, то сходимость слишком медленная, если же очень велик, то может возникнуть паралич или постоянная неустойчивость.

Временная неустойчивость. Если сеть учится распознавать буквы, то нет смысла учить Б, если при этом забывается А. Процесс обучения должен быть таким, чтобы сеть обучалась на всем обучающем множестве без пропусков того, что уже выучено. В доказательстве сходимости это условие выполнено, но требуется также, чтобы сети предъявлялись все векторы обучающего множества прежде, чем выполняется коррекция весов. Необходимые изменения весов должны вычисляться на всем множестве, а это требует дополнительной памяти; после ряда таких обучающих циклов веса сойдутся к минимальной ошибке. Этот метод может оказаться бесполезным, если сеть находится в постоянно меняющейся внешней среде, так что второй раз один и тот же вектор может уже не повториться. В этом случае процесс обучения может никогда не сойтись, бесцельно блуждая или сильно осциллируя. В этом смысле обратное распространение не похоже на биологические системы.

В многослойных нейронных сетях оптимальные выходные значения нейронов всех слоев, кроме последнего, как правило, неизвестны трех- или более слойный персептрон уже невозможно обучить, руководствуясь только величинами ошибок на выходах сети

Один из вариантов решения этой проблемы - разработка наборов выходных сигналов, соответствующих входным, для каждого слоя нейронной сети, что, конечно, является очень трудоемкой операцией и не всегда осуществимо Второй вариант - динамическая подстройка весовых коэффициентов синапсов, в ходе которой выбираются, как правило, наиболее слабые связи и изменяются на малую величину в ту или иную сторону, а сохраняются только те изменения, которые повлекли уменьшение ошибки на выходе всей сети Очевидно, что данный метод, несмотря на

кажущуюся простоту, требует громоздких рутинных вычислений И, наконец, третий, более приемлемый вариант - распространение сигналов ошибки от выходов нейронной сети к ее входам, в направлении, обратном прямому распространению сигналов в обычном режиме работы Этот алгоритм обучения получил название процедуры обратного распространения ошибки (error back propagation) Именно он рассматривается ниже

Алгоритм обратного распространения ошибки - это итеративный градиентный алгоритм обучения, который используется с целью минимизации среднеквадратичного отклонения текущих от требуемых выходов многослойных нейронных сетей с последовательными связями

Согласно методу наименьших квадратов, минимизируемой целевой функцией ошибки нейронной сети является величина

где - реальное выходное состояние нейрона у выходного слоя нейронной сети при подаче на ее входы образа, требуемое выходное состояние этого нейрона

Суммирование ведется по всем нейронам выходного слоя и по всем обрабатываемым сетью образам Минимизация методом градиентного спуска обеспечивает подстройку весовых коэффициентов следующим образом

где - весовой коэффициент синаптической связи, соединяющей нейрон слоя нейроном слоя - коэффициент скорости обучения,

В соответствии с правилом дифференцирования сложной функции

где - взвешенная сумма входных сигналов нейрона аргумент активационной функции Так как производная активационной функции должна быть определена на всей оси абсцисс, то функция единичного скачка и прочие активационные функции с неоднородностями не подходят для рассматриваемых нейронных сетей В них применяются такие гладкие функции, как гиперболический тангенс или классический сигмоид с экспонентой (см табл 1 1) Например, в случае гиперболического тангенса

Третий множитель равен выходу нейрона предыдущего слоя

Что касается первого множителя в (1.11), он легко раскладывается следующим образом:

Здесь суммирование по выполняется среди нейронов слоя Введя новую переменную:

получим рекурсивную формулу для расчетов величин слоя из величин более старшего слоя

Для выходного слоя:

Теперь можно записать (1.10) в раскрытом виде:

Иногда для придания процессу коррекции весов некоторой инерционности, сглаживающей резкие скачки при перемещении по поверхности целевой функции, (1.17) дополняется значением изменения веса на предыдущей итерации.

где коэффициент инерционности; номер текущей итерации.

Таким образом, полный алгоритм обучения нейронной сети с помощью процедуры обратного распространения строится следующим образом.

ШАГ 1. Подать на входы сети один из возможных образов и в режиме обычного функционирования нейронной сети, когда сигналы распространяются от входов к выходам, рассчитать значения последних. Напомним, что:

где - число нейронов в слое с учетом нейрона с постоянным выходным состоянием задающего смещение; вход нейрона у слоя

где - сигмоид,

где компонента вектора входного образа.

ШАГ 4. Скорректировать все веса в нейронной сети:

ШАГ 5. Если ошибка сети существенна, перейти на шаг 1. В противном случае - конец.

Сети на шаге 1 попеременно в случайном порядке предъявляются все тренировочные образы, чтобы сеть, образно говоря, не забывала одни по мере запоминания других.

Из выражения (1.17) следует, что когда выходное значение стремится к нулю, эффективность обучения заметно снижается. При двоичных входных векторах в среднем половина весовых коэффициентов не будет корректироваться, поэтому область возможных значений выходов нейронов желательно сдвинуть в пределы что достигается простыми модификациями логистических функций. Например, сигмоид с экспонентой преобразуется к виду:

Рассмотрим вопрос о емкости нейронной сети, т. е. числа образов, предъявляемых на ее входы, которые она способна научиться распознавать. Для сетей с числом слоев больше двух, этот вопрос остается открытым. Для сетей с двумя слоями, детерминистская емкость сети оценивается следующим образом:

где - число подстраиваемых весов, - число нейронов в выходном слое.

Данное выражение получено с учетом некоторых ограничений. Во-первых, число входов и нейронов в скрытом слое должно удовлетворять неравенству Во-вторых, Однако приведенная оценка выполнена для сетей с пороговыми активационными функциями нейронов, а емкость сетей с гладкими активационными функциями, например (1.23), обычно больше. Кроме того, термин детерминистский означает, что полученная оценка емкости подходит для всех входных образов, которые могут быть представлены входами. В действительности распределение входных образов, как правило, обладает некоторой регулярностью, что позволяет нейронной сети проводить обобщение и, таким образом, увеличивать реальную емкость. Так как распределение образов, в общем случае, заранее не известно, можно говорить о реальной емкости только предположительно, но обычно она раза в два превышает детерминистскую емкость.

Вопрос о емкости нейронной сети тесно связан с вопросом о требуемой мощности выходного слоя сети, выполняющего окончательную классификацию образов. Например, для разделения множества входных образов по двум классам достаточно одного выходного нейрона. При этом каждый логический уровень будет обозначать отдельный класс. На двух выходных нейронах с пороговой функцией активации можно закодировать уже четыре класса. Для повышения достоверности классификации желательно ввести избыточность путем выделения каждому классу одного нейрона в выходном слое или, что еще лучше, нескольких, каждый из которых обучается определять принадлежность образа к классу со своей степенью достоверности, например: высокой, средней и низкой. Такие нейронные сети позволяют проводить классификацию входных образов, объединенных в нечеткие (размытые или пересекающиеся) множества. Это свойство приближает подобные сети к реальным условиям функционирования биологических нейронных сетей.

Рассматриваемая нейронная сеть имеет несколько «узких мест». Во-первых, в процессе большие положительные или отрицательные значения весов могут сместить рабочую точку на сигмоидах нейронов в область насыщения. Малые величины производной от логистической функции приведут в соответствии с (1.15) и (1.16) к остановке обучения, что парализует сеть. Во-вторых, применение метода градиентного спуска не гарантирует нахождения глобального минимума целевой функции. Это тесно связано вопросом выбора скорости обучения. Приращения весов и, следовательно, скорость обучения для нахождения экстремума должны быть бесконечно малыми, однако в этом случае обучение будет

происходить неприемлемо медленно. С другой стороны, слишком большие коррекции весов могут привести к постоянной неустойчивости процесса обучения. Поэтому в качестве коэффициента скорости обучения 1] обычно выбирается число меньше 1 (например, 0,1), которое постепенно уменьшается в процессе обучения. Кроме того, для исключения случайных попаданий сети в локальные минимумы иногда, после стабилизации значений весовых коэффициентов, 7 кратковременно значительно увеличивают, чтобы начать градиентный спуск из новой точки. Если повторение этой процедуры несколько раз приведет сеть в одно и то же состояние, можно предположить, что найден глобальный минимум.

Существует другой метод исключения локальных минимумов и паралича сети, заключающийся в применении стохастических нейронных сетей.

Дадим изложенному геометрическую интерпретацию.

В алгоритме обратного распространения вычисляется вектор градиента поверхности ошибок. Этот вектор указывает направление кратчайшего спуска по поверхности из текущей точки, движение по которому приводит к уменьшению ошибки. Последовательность уменьшающихся шагов приведет к минимуму того или иного типа. Трудность здесь представляет вопрос подбора длины шагов.

При большой величине шага сходимость будет более быстрой, но имеется опасность перепрыгнуть через решение или в случае сложной формы поверхности ошибок уйти в неправильном направлении, например, продвигаясь по узкому оврагу с крутыми склонами, прыгая с одной его стороны на другую. Напротив, при небольшом шаге и верном направлении потребуется очень много итераций. На практике величина шага берется пропорциональной крутизне склона, так что алгоритм замедляет ход вблизи минимума. Правильный выбор скорости обучения зависит от конкретной задачи и обычно делается опытным путем. Эта константа может также зависеть от времени, уменьшаясь по мере продвижения алгоритма.

Обычно этот алгоритм видоизменяется таким образом, чтобы включать слагаемое импульса (или инерции). Это способствует продвижению в фиксированном направлении, поэтому, если было сделано несколько шагов в одном и том же направлении, то алгоритм увеличивает скорость, что иногда позволяет избежать локального минимума, а также быстрее проходить плоские участки.

На каждом шаге алгоритма на вход сети поочередно подаются все обучающие примеры, реальные выходные значения сети сравниваются с требуемыми значениями, и вычисляется ошибка. Значение ошибки, а также градиента поверхности ошибок

используется для корректировки весов, после чего все действия повторяются. Процесс обучения прекращается либо когда пройдено определенное количество эпох, либо когда ошибка достигнет некоторого определенного малого уровня, либо когда ошибка перестанет уменьшаться.

Рассмотрим проблемы обобщения и переобучения нейронной сети более подробно. Обобщение - это способность нейронной сети делать точный прогноз на данных, не принадлежащих исходному обучающему множеству. Переобучение же представляет собой чрезмерно точную подгонку, которая имеет место, если алгоритм обучения работает слишком долго, а сеть слишком сложна для такой задачи или для имеющегося объема данных.

Продемонстрируем проблемы обобщения и переобучения на примере аппроксимации некоторой зависимости не нейронной сетью, а посредством полиномов, при этом суть явления будет абсолютно та же.

Графики полиномов могут иметь различную форму, причем, чем выше степень и число членов, тем более сложной может быть эта форма. Для исходных данных можно подобрать полиномиальную кривую (модель) и получить, таким образом, объяснение имеющейся зависимости. Данные могут быть зашумлены, поэтому нельзя считать, что лучшая модель в точности проходит через все имеющиеся точки. Полином низкого порядка может лучше объяснять имеющуюся зависимость, однако, быть недостаточно гибким средством для аппроксимации данных, в то время как полином высокого порядка может оказаться чересчур гибким, но будет точно следовать данным, принимая при этом замысловатую форму, не имеющую никакого отношения к настоящей зависимости.

Нейронные сети сталкивается с такими же трудностями. Сети с большим числом весов моделируют более сложные функции и, следовательно, склонны к переобучению. Сети же с небольшим числом весов могут оказаться недостаточно гибкими, чтобы смоделировать имеющиеся зависимости. Например, сеть без скрытых слоев моделирует лишь обычную линейную функцию.

Как же выбрать правильную степень сложности сети? Почти всегда более сложная сеть дает меньшую ошибку, но это может свидетельствовать не о хорошем качестве модели, а о переобучении сети.

Выход состоит в использовании контрольной кросс-проверки. Для этого резервируется часть обучающей выборки, которая используется не для обучения сети по алгоритму обратного распространения ошибки, а для независимого контроля результата в ходе алгоритма. В начале работы ошибка сети на обучающем и

контрольном множествах будет одинаковой. По мере обучения сети ошибка обучения убывает, как и ошибка на контрольном множестве. Если же контрольная ошибка перестала убывать или даже стала расти, это указывает на то, что сеть начала слишком близко аппроксимировать данные (переобучилась) и обучение следует остановить. Если это случилось, то следует уменьшить число скрытых элементов и/или слоев, ибо сеть является слишком мощной для данной задачи. Если же обе ошибки (обучения и кросспроверки) не достигнут достаточного малого уровня, то переобучения, естественно не произошло, а сеть, напротив, является недостаточно мощной для моделирования имеющейся зависимости.

Описанные проблемы приводят к тому, что при практической работе с нейронными сетями приходится экспериментировать с большим числом различных сетей, порой обучая каждую из них по несколько раз и сравнивая полученные результаты. Главным показателем качества результата является здесь контрольная ошибка. При этом, в соответствии с общесистемным принципом, из двух сетей с приблизительно равными ошибками контроля имеет смысл выбрать ту, которая проще.

Необходимость многократных экспериментов приводит к тому, что контрольное множество начинает играть ключевую роль в выборе модели и становится частью процесса обучен-ия. Тем самым ослабляется его роль как независимого критерия качества модели. При большом числе экспериментов есть большая вероятность выбрать удачную сеть, дающую хороший результат на контрольном множестве. Однако для того чтобы придать окончательной модели должную надежность, часто (когда объем обучающих примеров это позволяет) поступают следующим образом: резервируют тестовое множество примеров. Итоговая модель тестируется на данных из этого множества, чтобы убедиться, что результаты, достигнутые на обучающем и контрольном множествах примеров, реальны, а не являются артефактами процесса обучения. Разумеется, для того чтобы хорошо играть свою роль, тестовое множество должно быть использовано только один раз: если его использовать повторно для корректировки процесса обучения, то оно фактически превратится в контрольное множество.

С целью ускорения процесса обучения сети предложены многочисленные модификации алгоритма обратного распространения ошибки, связанные с использованием различных функций ошибки, процедур определения направления и величин шага.

1) Функции ошибки:

Интегральные функции ошибки по всей совокупности обучающих примеров;

Функции ошибки целых и дробных степеней

2) Процедуры определения величины шага на каждой итерации

Дихотомия;

Инерционные соотношения (см выше);

3) Процедуры определения направления шага.

С использованием матрицы производных второго порядка (метод Ньютона);

С использованием направлений на нескольких шагах (партан метод).