Статья Автор: Деникина Н.В., Деникин А.В.

Прямой проход сети

Два шага вместо одного

Одного слоя мало: он умеет вычислять только взвешенную сумму.

Каждый свободный курьер сокращает ожидание - но лишь до предела: ниже минуты оно не падает. Влияние признака зависит от его же величины, а один слой такое не выразит.

Поэтому слои ставят друг за другом: выход одного становится входом следующего.

Что происходит при прямом проходе

Прямой проход - прогон данных через слои по очереди, от входа к предсказанию. Ничего не обучается, только считается.

Скрытый слой - тот, чей выход наружу не показывают. Его числа не значат ни «минуты», ни «километры»: промежуточные признаки сеть придумывает сама, и человеческого смысла у них обычно нет. Истолковывать их не надо.

Функция активации

Функция активации - то, что применяют к выходу нейрона, прежде чем передать число дальше. Работает поэлементно: берёт число, возвращает число, форму не меняет и параметров не имеет.

ReLU - сокращение от rectified linear unit, «линейный выпрямитель». Правило простое: отрицательное превращаем в ноль, положительное оставляем как есть. Название из электроники: выпрямитель пропускает ток только в одну сторону.

Ровно этого не хватало в прошлом примере с минус шестнадцатью минутами.

Ставят активацию между слоями, а не после последнего. Иначе сеть не сможет выдать отрицательный ответ там, где он нужен.

Исторически здесь стоял знак числа: плюс или минус один. Его заменили, потому что он не обучается градиентным спуском - об этом на следующем уроке.

import numpy as np

X = np.array([[4.0, 2.0, 6.0],
              [1.0, 8.0, 2.0]])          # 2 заказа, 3 признака

# веса взяты из обученной сети и округлены; у скрытого слоя смысла нет
W1 = np.array([[-0.5, -0.5,  0.25,  2.0],
               [-0.5,  0.0,  0.0,   1.0],
               [-0.25, -0.5, -0.5, -0.25]])   # 3 -> 4
b1 = np.array([-0.5, 0.0, 3.75, 4.25])

W2 = np.array([[-0.25, 0.25],
               [0.5,  -0.25],
               [0.0,   3.0],
               [1.5,   0.0]])                 # 4 -> 2
b2 = np.array([1.25, 1.0])

h = X @ W1 + b1              # первый слой
a = np.maximum(h, 0)         # ReLU: отрицательное становится нулём
y = a @ W2 + b2              # второй слой

print(h)
print(a)
print(y)

Вывод

[[-5.   -5.    1.75 12.75]
 [-5.5  -1.5   3.   13.75]]
[[ 0.    0.    1.75 12.75]
 [ 0.    0.    3.   13.75]]
[[20.375  6.25 ]
 [21.875 10.   ]]

Веса взяты из настоящей обученной сети и округлены. В первом массиве видно, где значения ушли в минус: во втором на их месте нули. На выходе 20.375 минуты на дорогу и 6.25 на подачу.

Как это называется

Перцептрон - предок нейрона: взвешенная сумма признаков с порогом на выходе. Придуман Розенблаттом в 1958 году.

Многослойный перцептрон - несколько полносвязных слоёв подряд с активацией между ними. Ровно то, что мы собрали. Сокращают как MLP.

Тот же расчёт, нарисованный иначе

Сеть часто рисуют графом вычислений: кружки — числа, стрелки — веса, подписи над кружками — смещения. Матричная запись короче, граф нагляднее.

Читается так: z₁ = 3·x₁ + 1·x₂ + 8, z₂ = −1·x₁ + 2·x₂ − 6, затем ReLU, затем ŷ = 1·z₁ + 2·z₂ − 2.

Почему без нелинейности не работает

Уберём ReLU и посчитаем два слоя подряд. Рядом соберём один слой с матрицей W1 @ W2.

import numpy as np

X = np.array([[4.0, 2.0, 6.0],
              [1.0, 8.0, 2.0]])

W1 = np.array([[-0.5, -0.5,  0.25,  2.0],
               [-0.5,  0.0,  0.0,   1.0],
               [-0.25, -0.5, -0.5, -0.25]])
b1 = np.array([-0.5, 0.0, 3.75, 4.25])
W2 = np.array([[-0.25, 0.25],
               [0.5,  -0.25],
               [0.0,   3.0],
               [1.5,   0.0]])
b2 = np.array([1.25, 1.0])

y_two = (X @ W1 + b1) @ W2 + b2      # два слоя без ReLU

W = W1 @ W2                          # один слой, собранный из двух
b = b1 @ W2 + b2
y_one = X @ W + b

print(W.shape)
print(y_two)
print(y_one)
print(np.allclose(y_two, y_one))

Вывод

(3, 2)
[[19.125  6.25 ]
 [22.5    9.   ]]
[[19.125  6.25 ]
 [22.5    9.   ]]
True

Числа совпали до последнего знака. Два слоя без нелинейности - в точности один слой, только записанный длиннее.

Отсюда правило: между любыми двумя слоями стоит функция активации. Без неё сеть из ста слоёв не сильнее сети из одного.

Без нелинейности слои схлопываются.

ReLU добавляет нелинейность — способность учить сложные закономерности.

Сеть устроена так: 3 входа, скрытый слой из 4 нейронов, выход из 2. Сколько всего параметров вместе со смещениями?

Проверить ответ

Печать