PV021: Neuronové sítě
Tomáš Brázdil
i
Organizační poznámky
Zdroje:
► hlavní zdroj: přednáška
► Jiří Šíma a Jan Neruda, Teoretické otázky neuronových sítí http://www2.cs.cas.cz/~sima/kniha.pdf
(nás se týká především Část I.)
► (přednáška je založena na částech dalších knih, např. Christopher M. Bishop, Pattern Recognition and Machine Learning)
Závěrečné hodnocení:
► projekt
► dvoučlenné týmy; implementace vybraného modelu + analýza vlastních dat
► implementace v jazycích C++ nebo Java bez využití knihoven pro strojové učení a data mining
► data pokud možno reálná, která je nutno připravit pro analýzu
► ústní zkouška (cokoliv z přednášky včetně důkazů, které budu psát na tabuli)
Strojové učení obecně
► Strojové učení = konstrukce systémů, které se mohou učit z dat (a tudíž je není třeba explicitně programovat)
► spam filter
► učí se na databázi "označkovaných" emailů
► poté samostatně rozpozná nový spam
► čtečka rukou psaných písmen
ad« a
► ucí se na databázi rukou psaných ^ ^ 1/1 _L n písmen s označením správné odpovědi j^s A g
► poté samostatně rozpoznává písmena L <. / T 1
*ee, e
► a další obrovské množství aplikací...
► Základní požadavky na daný učící algoritmus:
► reprezentace: schopnost zachytit strukturu učících dat
► generalizace: schopnost dobře fungovat na nových datech
3
Strojové učení - přístupy
Učení (obvykle) spočívá v konstrukci matematického modelu dat a jeho následné aplikaci na nová data.
Existuje mnoho druhů modelu:
► rozhodovací stromy
► induktivní logické programování
► Bayesovské sítě (a tzv. grafické modely)
► neuronové sítě
► support vector machines
► skryté Markovovy modely
► ...
Neuronové sítě, vycházející z modelu lidského mozku, jsou přirozeným základem pro učící algoritmy!
Co jsou umělé neuronové sítě
► Umělý neuron je hrubou matematickou aproximací biologického neuronu.
► (Umělá) neuronová síť se skládá ze vzájemně propojených (umělých) neuronů. "Schopnosti" sítě jsou zakódovány v síle spojů mezi neurony.
Zdroj obrázku: http://tulane.edu/sse/crab/people/schrader/
Proč umělé neuronové sítě ..
Modelování biologických neuronových sítí (computational neuroscience).
► zjednodušený matematický model pomáhá identifikovat důležité mechanismy
► Jak mozek přijímá a zpracovává informace?
► Jak uchovává informace? Jak se mozek vyvíjí?
► neurovědy jsou silně multidisciplinární - precizní (matematický) popis usnadňuje komunikaci mezi odborníky na jednotlivé podoblasti
Této oblasti se nebudu příliš věnovat!
6
Proč umělé neuronové sítě
Neuronové sítě ve strojovém učení.
► Většinou mnohem "primitivnější" modely, které se postupně odchylují od biologické motivace.
► Silně zaměřené na aplikace v různých oblastech, např.
► řízení a rozhodování - autonomní řízení vozidel, řízení výrobních procesů, zpráva přírodních zdrojů
► hry - vrhcáby, poker
► finančnictví - vývoj cen akcií a měnových kurzů, analýza rizik, dělení klientů do specifických skupin
► medicína - diagnostika, zpracování signálu (EKG, EEG, ...), analýza obrazu (MRI, rentgen,...)
► další rozpoznávání vzorů - rozpoznávání řeči, textu, obrazu, radarových a sonarových signálů
► zpracování signálu - filtrace, odstranění šumu
Této oblasti se budu věnovat!
Významné vlastnosti neuronových sítí
► Masivní paralelismus
► mnoho pomalých výpočetních prvků zpracovává informace paralelně na mnoha úrovních
► Adaptace a učení
► dítě se naučí poznat králíka poté, co se mu ukáže několik králíků
► Schopnost generalizace
► po shlédnutí několika králíků je dítě schopno poznat další (jiné) králíky
► Odolnost vůči nepřesnosti vstupu
► rozmazaná fotka králíka může být stále klasifikována správně jako obraz králíka
► Odolnost vůči poškození
► mnoho experimentů prokázalo, že i poškozená neuronová síť je stále schopna uspokojivě fungovat
► poškozená síť se může přeadaptovat, stávající neurony mohou převzít funkci poškozených
8
Cíl předmětu
► Na co se zaměříme
► Základní techniky a principy neuronových sítí (NS)
► Přehled základních modelů NS a jejich použití
► Co si (doufám) odnesete
► Znalost základních modelů NS
(perceptron, vícevrstvá síť, hluboké sítě, Hopfieldova síť, Boltzmannův stroj, Kohonenova mapa)
► Znalost jednoduchých aplikací těchto modelů
► Znalost základních principů učení NS
► Přehled elementárních "implementačních" technik pro učení a aplikaci NS
► přehled některých souvisejících modelů a technik (redukce dimenze dat, PCA)
9
Základy neuronových sítí
► Biologický neuron a neuronová síť
► Formální neuron
► Neuronové sítě a jejich dynamika
Biologická neuronová síť
► Nervová soustava člověka se skládá z přibližně 1011 neuronů (centimetr krychlový lidského mozku obsahuje až 50 milionů nervových buňek)
► Každý neuron je spojen s přibližně 104 neurony
► Neurony jsou velmi komplexní systémy
Velmi hrubý popis funkce nervové soustavy:
Vnější podněty jsou přijímány receptory (např. buňky oka).
► Informace jsou dále přenášeny pomocí periferní nervové soustavy (PNS) do centrální nervové soustavy (CNS -mícha, mozek) kde jsou zpracovávány (integrovány)
► Po zpracování informace jsou (pomocí PNS) případně aktivovány efektory (např. svalové buňky)
Biologická neuronová síť - příklad
Cell body of Gray
Zdroj: N. Campbell and J. Reece; Biology, 7th Edition; ISBN: 080537146X
Mozková
kůra
Biologický neuron
Dendrity
Zakončení axoiiu
Schwannova buňka
Axon     Myelinová pochva
Buněčné jádro
Zdroj: http://www.web-books.com/eLibrary/Medicine/Physiology/Nervous/Nervous.htm
umace a akční potenciál
► Klidový potenciál v těle neuronu « -70 mV
*■ Vnější podněty mění potenciál v axonovém hrbolku
*■ Po překročení prahu « -50 mV je generován akční potenciál« 40 mV
*- Poté nastane krátká refrakce « -80 mV
*■ akční potenciál se šíří axonem, v axonovém zakončení vyvolá chemický
Zdroj obraz9u?^rtf3 fytywv^. ^fflex^col^ameQ^p™^
Akční potenciál - podrobněji
Copyright 0 Pearson Eduealtcn. Inc.. publisfilng as Benjamin Cum m Higs.
íření akčního potenciálu axonem
(Í)AP begins ^at axon hillock
ŕ r r
■A @ electrical current spreads...
(^current spread is the electrical d   event that triggers V-gated channels (A thus the AP) a tiny bit down the axon
■*(A)electrical current spreads...
w->
f§)current spread is the electrica *■    event that triggers V-gated channels (& thus the AP) a tiny bit down the axon
^f&electrical current \^-^7^ spreads^
etcetera...
Zdroj: D. A. Tamarkin; STCC Foundation Press
Synaptický přenos
Copyright O Pserson Education Inc.. publishing as Benjamín Currirriiriqs.
Figure 48.11(a), page 972, Campbell's Biology, 5th Edition
Formální neuron bez biasu
► x-i,..., xn jsou reálné vstupy
(„dendrity")
► w-|,.. .,wn jsou reálné váhy („propustnost synapsí")
► £ je vnitřní potenciál;
většinou £ = L/Li wixi
► y je výstup daný y = a(£) kde o aktivační funkce;
např. ostrá nelinearita
kde h je reálný práh.
Formální neuron (s biasem)
bias
x0 = 1
x-i,.. .,xn jsou reálné vstupy
x0 je speciální vstup, který má vždy hodnotu 1
w0, w-i,..., wn jsou reálné váhy
£ je vnitřní potenciál;
většinou £ = w0 + £,"=1 w,-X/
y je výstup daný y = a(£)
kde a je aktivační funkce; např.
osřrá nelinearita
( práh aktivační funkce  je roven 0; reálný práh byl nahrazen vstupem x0 = 1 a váhou w0 = -h)
Neuron a lineární separace
► vnitřní potenciál
22
Zde n = 8 • 8 tedy počet pixelů v obrazcích. Vstupy jsou binární vektory dimenze n (tmavý bod « 1, světlý bod « 0).
23
lineární separace
x,- = O
wo +        wixi = 0
B
B
Červená přímka nesprávně klasifikuje
Zelená klasifikuje správně (může být výsledkem korekce učícího algoritmu)
B
24
Neuron a lineární separace
*1
(0,1)  | (1,1)
o—©
(0,0)
Neexistuje přímka, která by oddělila body 1 od bodů 0.
(0,1)
*2
25
Neuronové sítě
► Neuronová síť se skládá z formálních neuronů, které jsou vzájemně propojeny tak, že výstup jednoho neuronu je vstupem obecně více neuronů.
► Architektura sítě je určena počtem a vzájemným propojením neuronů.
► Stav sítě je vektor hodnot všech neuronů. (Stavy sítě s n neurony jsou prvky R")
► Stavový prostor sítě je množina všech stavů.
► Konfigurace sítě je vektor hodnot všech vah v síti. (Konfigurace sítě s m spoji jsou prvky Rm)
► Váhový prostor sítě je množina všech konfigurací.
26
Neurony rozdělujeme
► Výstupní
► Skryté
► Vstupní
Neuronové sítě
Dynamiku sítě dělíme do tří režimů
- Organizační
► architektura sítě a její případná změna
► Aktivní
► počáteční stav sítě (hodnoty neuronů) a jeho změny v čase (při pevné architektuře a konfiguraci)
(mimo jiné určuje způsob výpočtu vnitřních potenciálů E, a aktivační funkce o všech neuronů)
► Adaptivní
► počáteční konfigurace sítě (hodnoty vah) a její změna v čase (učení)
28
Organizační dynamika
Organizační dynamika určuje strukturu sítě.
Rozlišujeme dva typy architektury: ► Cyklická (resp. rekurentní), pokud obsahuje orientovaný cyklus.
O—O
O
Acyklická (resp. dopředná)
Q
O O
Organizační dynamika - vícevrstvé sítě
Výstupní
Skryté
Vstupní
(XQ OD
Neurony jsou rozděleny do vrstev (vstupní a výstupní vrstva, obecně několik skrytých vrstev)
Vrstvy číslujeme od 0; vstupní vrstva je nultá
► Např. třívrstvá síť se skládá z
jedné vstupní, dvou skrytých a
jedné výstupní vrstvy.
Neurony v /-té vrstvě jsou spojeny se všemi neurony ve vrstvě ; + 1.
Vícevrstvou síť lze zadat počty neuronů v jednotlivých vrstvách (např. 2-4-3-2)
30
Aktivní dynamika určuje, jakým způsobem síť počítá.
Mějme síť s n neurony z nichž k je vstupních a l výstupních.
► Vstup sítě je vektor k reálných čísel, tedy prvek Rfc.
(někdy se omezíme pouze na jistou podmnožinu Rk)
Vstupní prostor sítě je množina všech vstupů.
► Počáteční stav
Vstupní neurony jsou nastaveny na hodnoty ze vstupu sítě (každá složka vstupu má přiřazen příslušný vstupní neuron)
Ostatní neurony jsou iniciálně nastaveny na 0.
► Výpočet (obvykle) probíhá v diskrétních krocích. V každém kroku se provede následující:
1. Podle pravidla aktivní dynamiky je vybrán jeden neuron (sekvenční výpočet) nebo více neuronů (paralelní výpočet).
2. Vybraný neuron změní svůj stav v závislosti na hodnotách svých vstupů.
(Hodnota neuronu, který nemá vstupy, zůstává konstantní.) Výpočet je konečný pokud se od jistého kroku dál nemění stav sítě.
► Výstup sítě je vektor hodnot všech výstupních neuronů (tedy prvek Rr). Výstup se mění v průběhu výpočtu!
Pro vícevrstvé sítě používáme následující pravidlo aktivní dynamiky:
V /-těm kroku vyhodnoť právě všechny neurony v /-té vrstvě.
Aktivní dynamika - funkce sítě
Definice
Mějme neuronovou síť s n neurony z nichž k je vstupních a í výstupních. Nechť A cRka6c Rr. Předpokládejme, že výpočet této sítě skončí pro každý vstup z A. Řekneme, že tato síť počítá funkci F : A —> B pokud pro každý vstup v e A je F(v) výstupem sítě po skončení výpočtu.
Podle toho, zda je funkce sítě diskrétní nebo spojitá rozlišujeme diskrétní a analogové neuronové sítě.
Příklad 1
Tato síť počítá funkci z R2 do R.
33
Aktivní dynamika - aktivační funkce
Aktivní dynamika určuje aktivační funkci a pro každý neuron.
► Ostrá nelinearita
•<«-{;
► Logistická sigmoida
oU) =--——   kde A e R je prametr strmosti.
1 + e_A«
► Hyperbolický tangens
1 -
34
Aktivní dynamika - vnitřní potenciál
Aktivní dynamika určuje způsob výpočtu vnitřního potenciálu £ každého neuronu.
Pokud nebude uvedeno jinak, předpokládáme, že
Později využijeme další možnosti, např.
r-        11 ~»       ~* 11
£ = ||x - w\\
kde INI je daná vektorová norma (nejčastěji Euklidovská), x = (x-i,.. .,xn) jsou vstupy neuronu a w = (w-,,..., wn) jsou váhy.
n
Wi ■ X;
35
Aktivní dynamika - XOR
1010 1001
► Aktivační funkce je ostrá nelinearita
► Síť počítá funkci XOfí(x-|,x2)
X1	x2	y
1	1	0
1	0	1
0	1	1
0	0	0
Neuron a lineární separace
3-2xi- 2x2 = 0
Aktivační funkce ostrá nelinearita
Adaptivní dynamika
Adaptivní dynamika určuje, jakým způsobem se síť učí.
► počáteční konfigurace
váhy mohou být nastaveny buď náhodně nebo na základě předběžné znalosti vstupů sítě
► učící pravidlo pro (postupnou) adaptaci vah
cílem je adaptovat váhy tak, aby síť počítala danou funkci
39
Adaptivní dynamika - učící pravidla
► učení s učitelem
► Požadovaná funkce je zadána množinou tréninkových vzorů což jsou dvojice tvaru (vstup, výstup).
► Při učení se hledá konfigurace sítě, která nejlépe odpovídá daným vzorům (vzhledem k danému kvalitativnímu kritériu).
► učení bez učitele
► Tréninková množina obsahuje pouze vstupy sítě.
► Cílem je odhalit strukturu v množině vstupů (shlukování, samoorganizace)
Učení s učitelem - ilustrace
klasifikace v rovině pomocí jednoho neuronu
tréninkové vzory jsou tvaru (bod, hodnota) kde hodnota je buď 1 nebo 0 podle toho zda je bod ze skupiny A nebo B
po předložení nesprávně klasifikovaného vzoru skupiny A (červená přímka), učící algoritmus pootočí přímku ve směru nesprávně klasifikovaného bodu (zelená přímka).
Učení bez učitele - ilustrace
0 ► hledáme dva reprezentanty „shluků"
A q ► červené křížky odpovídají
•    x< reprezentantům před aplikací
^ X učícího algoritmu, zelené po aplikaci
► učící algoritmus může např. napočítat množinu bodů, které jsou nejblíže danému reprezentantovi a potom reprezentanta posunout do těžiště této množiny bodů
42
Výhody umělých neuronových
► Masivní paralelismus
► neurony mohou být vyhodnocovány současně
► Adaptace a učení
► existuje mnoho učících algoritmů, které „programují" neuronové sítě na základě příkladů požadovaného chování
► Schopnost generalizace a odolnost vůči nepřesnosti vstupu
► informace jsou v síti kódovány přibližně pomocí vah mnoha neuronů
► na vstup podobný vstupu tréninkového vzoru, reaguje naučená síť podobným výstupem
► takto je schopna extrahovat charakteristické vlastnosti dat
► Odolnost vůči poškození
► poškození se obvykle projevuje postupnou ztrátou přesnosti výsledků
43