1.4.1. Обучение с учителем. Алгоритм обратного распространения ошибки

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 2. Рассчитать для выходного слоя по формуле (1.16).

Рассчитать по формуле (1.17) или (1.18) изменения весов слоя Q.

ШАГ 3. Рассчитать по формулам (1.15) и (1.17) (или (1.15) и соответственно для всех остальных слоев, .

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);

• отжиг.

3) Процедуры определения направления шага.

• с использованием матрицы производных второго порядка (метод Ньютона);

• с использованием направлений на нескольких шагах (партан метод).