s452422/uczenie-maszynowe
1
0
Fork 0
forked from pms/uczenie-maszynowe
Code Pull Requests Activity
55b3c14f03
uczenie-maszynowe/wyk/10_Sieci_neuronowe.ipynb

1348 lines
122 KiB
Plaintext
Raw Normal View History

Wykład 11. Sieci neuronowe
2023-01-17 12:26:02 +01:00
{
"cells": [
{
Zamiana kolejności wykładów 7-12
2023-04-14 10:47:15 +02:00
"attachments": {},
Wykład 11. Sieci neuronowe
2023-01-17 12:26:02 +01:00
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "slide"
}
},
"source": [
"### Uczenie maszynowe\n",
Zamiana kolejności wykładów 7-12
2023-04-14 10:47:15 +02:00
"# 10. Sieci neuronowe – wprowadzenie"
Wykład 11. Sieci neuronowe
2023-01-17 12:26:02 +01:00
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 1,
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "notes"
}
},
"outputs": [],
"source": [
"# Przydatne importy\n",
"\n",
"import matplotlib\n",
"import matplotlib.pyplot as plt\n",
"import numpy as np\n",
"\n",
"%matplotlib inline"
]
},
{
Zamiana kolejności wykładów 7-12
2023-04-14 10:47:15 +02:00
"attachments": {},
Wykład 11. Sieci neuronowe
2023-01-17 12:26:02 +01:00
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
Zamiana kolejności wykładów 7-12
2023-04-14 10:47:15 +02:00
"## 10.1. Perceptron"
Wykład 11. Sieci neuronowe
2023-01-17 12:26:02 +01:00
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"source": [
"https://www.youtube.com/watch?v=cNxadbrN_aI"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"### Pierwszy perceptron liniowy\n",
"\n",
"* Frank Rosenblatt, 1957\n",
"* aparat fotograficzny podłączony do 400 fotokomórek (rozdzielczość obrazu: 20 x 20)\n",
"* wagi – potencjometry aktualizowane za pomocą silniczków"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"### Uczenie perceptronu\n",
"\n",
"Cykl uczenia perceptronu Rosenblatta:\n",
"\n",
"1. Sfotografuj planszę z kolejnym obiektem.\n",
"1. Zaobserwuj, która lampka zapaliła się na wyjściu.\n",
"1. Sprawdź, czy to jest właściwa lampka.\n",
"1. Wyślij sygnał „nagrody” lub „kary”."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"### Funkcja aktywacji perceptronu\n",
"\n",
"Funkcja bipolarna:\n",
"\n",
"$$ g(z) = \\left\\{ \n",
"\\begin{array}{rl}\n",
"1 & \\textrm{gdy $z > \\theta_0$} \\\\\n",
"-1 & \\textrm{wpp.}\n",
"\\end{array}\n",
"\\right. $$\n",
"\n",
"gdzie $z = \\theta_0x_0 + \\ldots + \\theta_nx_n$,<br/>\n",
"$\\theta_0$ to próg aktywacji,<br/>\n",
"$x_0 = 1$. "
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 3,
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "notes"
}
},
"outputs": [],
"source": [
"def bipolar_plot():\n",
" matplotlib.rcParams.update({'font.size': 16})\n",
"\n",
" plt.figure(figsize=(8,5))\n",
" x = [-1,-.23,1] \n",
" y = [-1, -1, 1]\n",
" plt.ylim(-1.2,1.2)\n",
" plt.xlim(-1.2,1.2)\n",
" plt.plot([-2,2],[1,1], color='black', ls=\"dashed\")\n",
" plt.plot([-2,2],[-1,-1], color='black', ls=\"dashed\")\n",
" plt.step(x, y, lw=3)\n",
" ax = plt.gca()\n",
" ax.spines['right'].set_color('none')\n",
" ax.spines['top'].set_color('none')\n",
" ax.xaxis.set_ticks_position('bottom')\n",
" ax.spines['bottom'].set_position(('data',0))\n",
" ax.yaxis.set_ticks_position('left')\n",
" ax.spines['left'].set_position(('data',0))\n",
"\n",
" plt.annotate(r'$\\theta_0$',\n",
" xy=(-.23,0), xycoords='data',\n",
" xytext=(-50, +50), textcoords='offset points', fontsize=26,\n",
" arrowprops=dict(arrowstyle=\"->\"))\n",
"\n",
" plt.show()"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 4,
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"outputs": [
{
"data": {
Zamiana kolejności wykładów 7-12
2023-04-14 10:47:15 +02:00
"image/png": "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
Wykład 11. Sieci neuronowe
2023-01-17 12:26:02 +01:00
"text/plain": [
"<Figure size 576x360 with 1 Axes>"
]
},
"metadata": {
"needs_background": "light"
},
"output_type": "display_data"
}
],
"source": [
"bipolar_plot()"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"### Schemat perceptronu\n",
"\n",
"<img src=\"perceptron.png\" alt=\"Rys. 11.1. Schemat perceptronu\" style=\"height: 80%\"/>"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"### Zasada działania perceptronu\n",
"\n",
"1. Ustal wartości początkowe $\\theta$ (wektor 0 lub liczby losowe blisko 0).\n",
"1. Dla każdego przykładu $(x^{(i)}, y^{(i)})$, dla $i=1,\\ldots,m$\n",
" * Oblicz wartość wyjścia $o^{(i)} = g(\\theta^{T}x^{(i)}) = g(\\sum_{j=0}^{n} \\theta_jx_j^{(i)})$\n",
" * Wykonaj aktualizację wag (tzw. *perceptron rule*):\n",
" $$ \\theta := \\theta + \\Delta \\theta $$\n",
" $$ \\Delta \\theta = \\alpha(y^{(i)}-o^{(i)})x^{(i)} $$"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"$$\\theta_j := \\theta_j + \\Delta \\theta_j $$\n",
"\n",
"Jeżeli przykład został sklasyfikowany **poprawnie**:\n",
"\n",
"* $y^{(i)}=1$ oraz $o^{(i)}=1$ : $$\\Delta\\theta_j = \\alpha(1 - 1)x_j^{(i)} = 0$$\n",
"* $y^{(i)}=-1$ oraz $o^{(i)}=-1$ : $$\\Delta\\theta_j = \\alpha(-1 - -1)x_j^{(i)} = 0$$"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"source": [
"Czyli: jeżeli trafiłeś, to nic nie zmieniaj."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"$$\\theta_j := \\theta_j + \\Delta \\theta_j $$\n",
"\n",
"Jeżeli przykład został sklasyfikowany **niepoprawnie**:\n",
"\n",
"* $y^{(i)}=1$ oraz $o^{(i)}=-1$ : $$\\Delta\\theta_j = \\alpha(1 - -1)x_j^{(i)} = 2 \\alpha x_j^{(i)}$$\n",
"* $y^{(i)}=-1$ oraz $o^{(i)}=1$ : $$\\Delta\\theta_j = \\alpha(-1 - 1)x_j^{(i)} = -2 \\alpha x_j^{(i)}$$"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"source": [
"Czyli: przesuń wagi w odpowiednią stronę."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"### Zalety perceptronu\n",
"\n",
"* intuicyjny i prosty\n",
"* łatwy w implementacji\n",
"* jeżeli dane można liniowo oddzielić, algorytm jest zbieżny w skończonym czasie"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"### Wady perceptronu\n",
"\n",
"* jeżeli danych nie można oddzielić liniowo, algorytm nie jest zbieżny"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 5,
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "notes"
}
},
"outputs": [],
"source": [
"def plot_perceptron():\n",
" plt.figure(figsize=(12,3))\n",
"\n",
" plt.subplot(131)\n",
" plt.ylim(-0.2,1.2)\n",
" plt.xlim(-0.2,1.2)\n",
"\n",
" plt.title('AND')\n",
" plt.plot([1,0,0], [0,1,0], 'ro', markersize=10)\n",
" plt.plot([1], [1], 'go', markersize=10)\n",
"\n",
" ax = plt.gca()\n",
" ax.spines['right'].set_color('none')\n",
" ax.spines['top'].set_color('none')\n",
" ax.xaxis.set_ticks_position('none')\n",
" ax.spines['bottom'].set_position(('data',0))\n",
" ax.yaxis.set_ticks_position('none')\n",
" ax.spines['left'].set_position(('data',0))\n",
"\n",
" plt.xticks(np.arange(0, 2, 1.0))\n",
" plt.yticks(np.arange(0, 2, 1.0))\n",
"\n",
"\n",
" plt.subplot(132)\n",
" plt.ylim(-0.2,1.2)\n",
" plt.xlim(-0.2,1.2)\n",
"\n",
" plt.plot([1,0,1], [0,1,1], 'go', markersize=10)\n",
" plt.plot([0], [0], 'ro', markersize=10)\n",
"\n",
" ax = plt.gca()\n",
" ax.spines['right'].set_color('none')\n",
" ax.spines['top'].set_color('none')\n",
" ax.xaxis.set_ticks_position('none')\n",
" ax.spines['bottom'].set_position(('data',0))\n",
" ax.yaxis.set_ticks_position('none')\n",
" ax.spines['left'].set_position(('data',0))\n",
"\n",
" plt.title('OR')\n",
" plt.xticks(np.arange(0, 2, 1.0))\n",
" plt.yticks(np.arange(0, 2, 1.0))\n",
"\n",
"\n",
" plt.subplot(133)\n",
" plt.ylim(-0.2,1.2)\n",
" plt.xlim(-0.2,1.2)\n",
"\n",
" plt.title('XOR')\n",
" plt.plot([1,0], [0,1], 'go', markersize=10)\n",
" plt.plot([0,1], [0,1], 'ro', markersize=10)\n",
"\n",
" ax = plt.gca()\n",
" ax.spines['right'].set_color('none')\n",
" ax.spines['top'].set_color('none')\n",
" ax.xaxis.set_ticks_position('none')\n",
" ax.spines['bottom'].set_position(('data',0))\n",
" ax.yaxis.set_ticks_position('none')\n",
" ax.spines['left'].set_position(('data',0))\n",
"\n",
" plt.xticks(np.arange(0, 2, 1.0))\n",
" plt.yticks(np.arange(0, 2, 1.0))\n",
"\n",
" plt.show()"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 6,
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"outputs": [
{
"data": {
Zamiana kolejności wykładów 7-12
2023-04-14 10:47:15 +02:00
"image/png": "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
Wykład 11. Sieci neuronowe
2023-01-17 12:26:02 +01:00
"text/plain": [
"<Figure size 864x216 with 3 Axes>"
]
},
"metadata": {
"needs_background": "light"
},
"output_type": "display_data"
}
],
"source": [
"plot_perceptron()"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"### Perceptron – funkcje aktywacji\n",
"\n",
"Zamiast funkcji bipolarnej możemy zastosować funkcję sigmoidalną jako funkcję aktywacji."
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 7,
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "notes"
}
},
"outputs": [],
"source": [
"def plot_activation_functions():\n",
" plt.figure(figsize=(16,7))\n",
" plt.subplot(121)\n",
" x = [-2,-.23,2] \n",
" y = [-1, -1, 1]\n",
" plt.ylim(-1.2,1.2)\n",
" plt.xlim(-2.2,2.2)\n",
" plt.plot([-2,2],[1,1], color='black', ls=\"dashed\")\n",
" plt.plot([-2,2],[-1,-1], color='black', ls=\"dashed\")\n",
" plt.step(x, y, lw=3)\n",
" ax = plt.gca()\n",
" ax.spines['right'].set_color('none')\n",
" ax.spines['top'].set_color('none')\n",
" ax.xaxis.set_ticks_position('bottom')\n",
" ax.spines['bottom'].set_position(('data',0))\n",
" ax.yaxis.set_ticks_position('left')\n",
" ax.spines['left'].set_position(('data',0))\n",
"\n",
" plt.annotate(r'$\\theta_0$',\n",
" xy=(-.23,0), xycoords='data',\n",
" xytext=(-50, +50), textcoords='offset points', fontsize=26,\n",
" arrowprops=dict(arrowstyle=\"->\"))\n",
"\n",
" plt.subplot(122)\n",
" x2 = np.linspace(-2,2,100)\n",
" y2 = np.tanh(x2+ 0.23)\n",
" plt.ylim(-1.2,1.2)\n",
" plt.xlim(-2.2,2.2)\n",
" plt.plot([-2,2],[1,1], color='black', ls=\"dashed\")\n",
" plt.plot([-2,2],[-1,-1], color='black', ls=\"dashed\")\n",
" plt.plot(x2, y2, lw=3)\n",
" ax = plt.gca()\n",
" ax.spines['right'].set_color('none')\n",
" ax.spines['top'].set_color('none')\n",
" ax.xaxis.set_ticks_position('bottom')\n",
" ax.spines['bottom'].set_position(('data',0))\n",
" ax.yaxis.set_ticks_position('left')\n",
" ax.spines['left'].set_position(('data',0))\n",
"\n",
" plt.annotate(r'$\\theta_0$',\n",
" xy=(-.23,0), xycoords='data',\n",
" xytext=(-50, +50), textcoords='offset points', fontsize=26,\n",
" arrowprops=dict(arrowstyle=\"->\"))\n",
"\n",
" plt.show()"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 8,
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"outputs": [
{
"data": {
Zamiana kolejności wykładów 7-12
2023-04-14 10:47:15 +02:00
"image/png": "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
Wykład 11. Sieci neuronowe
2023-01-17 12:26:02 +01:00
"text/plain": [
"<Figure size 1152x504 with 2 Axes>"
]
},
"metadata": {
"needs_background": "light"
},
"output_type": "display_data"
}
],
"source": [
"plot_activation_functions()"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"### Perceptron a regresja liniowa\n",
"\n",
"<img src=\"reglin.png\" alt=\"Rys. 11.2. Perceptron a regresja liniowa\" style=\"height: 60%\">"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"#### Uczenie regresji liniowej:\n",
"* Model: $$h_{\\theta}(x) = \\sum_{i=0}^n \\theta_ix_i$$\n",
"* Funkcja kosztu (błąd średniokwadratowy): $$J(\\theta) = \\frac{1}{m} \\sum_{i=1}^{m} (h_{\\theta}(x^{(i)}) - y^{(i)})^2$$\n",
"* Po obliczeniu $\\nabla J(\\theta)$ - zwykły SGD."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"### Perceptron a dwuklasowa regresja logistyczna\n",
"\n",
"<img src=\"reglog.png\" alt=\"Rys. 11.3. Perceptron a dwuklasowa regresja logistyczna\" style=\"height:60%\">"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"#### Uczenie dwuklasowej regresji logistycznej:\n",
"* Model: $h_{\\theta}(x) = \\sigma(\\sum_{i=0}^n \\theta_ix_i) = P(1|x,\\theta)$\n",
"* Funkcja kosztu (entropia krzyżowa): $$\\begin{eqnarray} J(\\theta) &=& -\\frac{1}{m} \\sum_{i=1}^{m} \\big( y^{(i)}\\log P(1|x^{(i)},\\theta) \\\\ && + (1-y^{(i)})\\log(1-P(1|x^{(i)},\\theta)) \\big) \\end{eqnarray}$$\n",
"* Po obliczeniu $\\nabla J(\\theta)$ - zwykły SGD."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"### Perceptron a wieloklasowa regresja logistyczna\n",
"\n",
"<img src=\"multireglog.png\" alt=\"Rys. 11.4. Perceptron a wieloklasowa regresja logistyczna\" style=\"height:60%\">"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"#### Wieloklasowa regresja logistyczna\n",
"* Model (dla $c$ klasyfikatorów binarnych): \n",
"$$\\begin{eqnarray}\n",
"h_{(\\theta^{(1)},\\dots,\\theta^{(c)})}(x) &=& \\mathrm{softmax}(\\sum_{i=0}^n \\theta_{i}^{(1)}x_i, \\ldots, \\sum_{i=0}^n \\theta_i^{(c)}x_i) \\\\ \n",
"&=& \\left[ P(k|x,\\theta^{(1)},\\dots,\\theta^{(c)}) \\right]_{k=1,\\dots,c} \n",
"\\end{eqnarray}$$"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"* Funkcja kosztu (**przymując model regresji binarnej**): $$\\begin{eqnarray} J(\\theta^{(k)}) &=& -\\frac{1}{m} \\sum_{i=1}^{m} \\big( y^{(i)}\\log P(k|x^{(i)},\\theta^{(k)}) \\\\ && + (1-y^{(i)})\\log P(\\neg k|x^{(i)},\\theta^{(k)}) \\big) \\end{eqnarray}$$\n",
"* Po obliczeniu $\\nabla J(\\theta)$, **c-krotne** uruchomienie SGD, zastosowanie $\\mathrm{softmax}(X)$ do niezależnie uzyskanych klasyfikatorów binarnych."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"* Przyjmijmy: \n",
"$$ \\Theta = (\\theta^{(1)},\\dots,\\theta^{(c)}) $$\n",
"\n",
"$$h_{\\Theta}(x) = \\left[ P(k|x,\\Theta) \\right]_{k=1,\\dots,c}$$\n",
"\n",
"$$\\delta(x,y) = \\left\\{\\begin{array}{cl} 1 & \\textrm{gdy } x=y \\\\ 0 & \\textrm{wpp.}\\end{array}\\right.$$"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"* Wieloklasowa funkcja kosztu $J(\\Theta)$ (kategorialna entropia krzyżowa):\n",
"$$ J(\\Theta) = -\\frac{1}{m}\\sum_{i=1}^{m}\\sum_{k=1}^{c} \\delta({y^{(i)},k}) \\log P(k|x^{(i)},\\Theta) $$"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"source": [
"* Gradient $\\nabla J(\\Theta)$:\n",
"$$ \\dfrac{\\partial J(\\Theta)}{\\partial \\Theta_{j,k}} = -\\frac{1}{m}\\sum_{i = 1}^{m} (\\delta({y^{(i)},k}) - P(k|x^{(i)}, \\Theta)) x^{(i)}_j \n",
"$$\n",
"\n",
"* Liczymy wszystkie wagi jednym uruchomieniem SGD"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"### Perceptron – podsumowanie\n",
"\n",
"* W przypadku jednowarstowej sieci neuronowej wystarczy znać gradient funkcji kosztu.\n",
"* Wtedy liczymy tak samo jak w przypadku regresji liniowej, logistycznej, wieloklasowej logistycznej itp. (wymienione modele to szczególne przypadki jednowarstwowych sieci neuronowych).\n",
"* Regresja liniowa i binarna regresja logistyczna to jeden neuron.\n",
"* Wieloklasowa regresja logistyczna to tyle neuronów, ile klas."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"source": [
"Funkcja aktywacji i funkcja kosztu są **dobierane do problemu**."
]
},
{
Zamiana kolejności wykładów 7-12
2023-04-14 10:47:15 +02:00
"attachments": {},
Wykład 11. Sieci neuronowe
2023-01-17 12:26:02 +01:00
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "slide"
}
},
"source": [
Zamiana kolejności wykładów 7-12
2023-04-14 10:47:15 +02:00
"## 10.2. Funkcje aktywacji"
Wykład 11. Sieci neuronowe
2023-01-17 12:26:02 +01:00
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"* Operacje, które każdy neuron wykonuje, to dodawanie i mnożenie. Są to **funkcje liniowe**."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"source": [
"* Złożenie funkcji liniowych jest funkcją liniową."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"source": [
"* Gdyby nie było funkcji aktywacji, cała sieć neuronowa działałaby jak regresja liniowa."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"source": [
"* **Najważniejszym celem** stosowania funkcji aktywacji jest **wprowadzenie nieliniowości**, dzięki której sieć może uczyć się zależności bardziej skomplikowanych niż tylko liniowe."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"Jakie cechy powinna mieć dobra funkcja aktywacji?"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"source": [
"* **różniczkowalna** (co najmniej **przedziałami różniczkowalna**), aby można było obliczyć jej gradient"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"source": [
"* **prosta obliczeniowo**, ponieważ podczas uczenia sieci jej wartość obliczana jest wiele razy"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"source": [
"* odporna na **problem zanikającego gradientu** (wyjaśnienie kilka slajdów dalej)"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 1,
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "notes"
}
},
"outputs": [
{
"name": "stderr",
"output_type": "stream",
"text": [
"/home/pawel/.local/lib/python2.7/site-packages/h5py/__init__.py:36: FutureWarning: Conversion of the second argument of issubdtype from `float` to `np.floating` is deprecated. In future, it will be treated as `np.float64 == np.dtype(float).type`.\n",
" from ._conv import register_converters as _register_converters\n",
"Using TensorFlow backend.\n"
]
}
],
"source": [
"%matplotlib inline\n",
"\n",
"import math\n",
"import matplotlib.pyplot as plt\n",
"import numpy as np\n",
"import random\n",
"\n",
"import keras\n",
"from keras.datasets import mnist\n",
"from keras.models import Sequential\n",
"from keras.layers import Dense, Dropout, SimpleRNN, LSTM\n",
"from keras.optimizers import Adagrad, Adam, RMSprop, SGD\n",
"\n",
"from IPython.display import YouTubeVideo"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 2,
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "notes"
}
},
"outputs": [],
"source": [
"def plot(fun):\n",
" x = np.arange(-3.0, 3.0, 0.01)\n",
" y = [fun(x_i) for x_i in x]\n",
" fig = plt.figure(figsize=(14, 7))\n",
" ax = fig.add_subplot(111)\n",
" fig.subplots_adjust(left=0.1, right=0.9, bottom=0.1, top=0.9)\n",
" ax.set_xlim(-3.0, 3.0)\n",
" ax.set_ylim(-1.5, 1.5)\n",
" ax.grid()\n",
" ax.plot(x, y)\n",
" plt.show()"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "slide"
}
},
"source": [
"### Funkcja logistyczna"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"source": [
"$$ g(x) = \\frac{1}{1 + e^{-x}} $$"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"#### Funkcja logistyczna – wykres"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 3,
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"outputs": [
{
"data": {
Zamiana kolejności wykładów 7-12
2023-04-14 10:47:15 +02:00
"image/png": "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
Wykład 11. Sieci neuronowe
2023-01-17 12:26:02 +01:00
"text/plain": [
"<matplotlib.figure.Figure at 0x7fdda9490fd0>"
]
},
"metadata": {},
"output_type": "display_data"
}
],
"source": [
"plot(lambda x: 1 / (1 + math.exp(-x)))"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"* Funkcja logistyczna przyjmuje wartości z przedziału $(0, 1)$."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "slide"
}
},
"source": [
"### Tangens hiperboliczny"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"source": [
"$$ g(x) = \\tanh x = \\frac{e^{x} - e^{-x}}{e^{x} + e^{-x}} $$"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"#### Tangens hiperboliczny – wykres"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 4,
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"outputs": [
{
"data": {
Zamiana kolejności wykładów 7-12
2023-04-14 10:47:15 +02:00
"image/png": "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
Wykład 11. Sieci neuronowe
2023-01-17 12:26:02 +01:00
"text/plain": [
"<matplotlib.figure.Figure at 0x7fdda93e9590>"
]
},
"metadata": {},
"output_type": "display_data"
}
],
"source": [
"plot(lambda x: math.tanh(x))"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"* Tangens hiperboliczny przyjmuje wartości z przedziału $(-1, 1)$."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"source": [
"* Powstaje z funkcji logistytcznej przez przeskalowanie i przesunięcie."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"source": [
"* Daje szybszą zbieżność niż funkcja logistyczna dzięki temu, że przedział wartości jest symetryczny względem zera."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"source": [
"* Ze względu na ograniczony przedział wartości, obie funkcje (logistyczna i $\\tanh$) są podatne na problem zanikającego gradientu."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "slide"
}
},
"source": [
"### Problem zanikającego gradientu (*vanishing gradient problem*)"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"source": [
"* Sigmoidalne funkcje aktywacji ograniczają wartości na wyjściach neuronów do niewielkich przedziałów ($(-1, 1)$, $(0, 1)$ itp.).\n",
"* Jeżeli sieć ma wiele warstw, to podczas propagacji wstecznej mnożymy przez siebie wiele małych wartości → obliczony gradient jest mały.\n",
"* Im więcej warstw, tym silniejszy efekt zanikania."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"#### Sposoby na zanikający gradient\n",
"\n",
"* Modyfikacja algorytmu optymalizacji (*RProp*, *RMSProp*)\n",
"* Użycie innej funckji aktywacji (ReLU, softplus)\n",
"* Dodanie warstw *dropout*\n",
"* Nowe architektury (LSTM itp.)\n",
"* Więcej danych, zwiększenie mocy obliczeniowej"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "slide"
}
},
"source": [
"### ReLU (*Rectifier Linear Unit*)"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"source": [
"$$ g(x) = \\max(0, x) $$"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"#### ReLU – wykres"
]
},
{
"cell_type": "code",
"execution_count": 5,
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"outputs": [
{
"data": {
Zamiana kolejności wykładów 7-12
2023-04-14 10:47:15 +02:00
"image/png": "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
Wykład 11. Sieci neuronowe
2023-01-17 12:26:02 +01:00
"text/plain": [
"<matplotlib.figure.Figure at 0x7fdda936c6d0>"
]
},
"metadata": {},
"output_type": "display_data"
}
],
"source": [
"plot(lambda x: max(0, x))"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"#### ReLU – zalety\n",
"* Mniej podatna na problem zanikającego gradientu (*vanishing gradient*) niż funkcje sigmoidalne, dzięki czemu SGD jest szybciej zbieżna.\n",
"* Prostsze obliczanie gradientu.\n",
"* Dzięki zerowaniu ujemnych wartości, wygasza neurony, „rozrzedzając” sieć (*sparsity*), co przyspiesza obliczenia."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"#### ReLU – wady\n",
"* Dla dużych wartości gradient może „eksplodować”.\n",
"* Za dużo „wygaszonych” neuronów może mieć negatywny wpływ na przepływ gradientu do poprzedzających warstw."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "slide"
}
},
"source": [
"### Inne funkcje aktywacji\n",
"\n",
"W literaturze zaproponowano też inne funkcje aktywacji, które są lepsze od ReLU pod niektórymi względami:\n",
"* softplus\n",
"* ELU\n",
"* leaky ReLU\n",
"* SiLU / swish\n",
"\n",
"W praktyce jednak ReLU pozostaje najpopularniejszą funkcją aktywacji ze względu na jej prostotę, skuteczność i szybkość obliczania."
]
},
{
Zamiana kolejności wykładów 7-12
2023-04-14 10:47:15 +02:00
"attachments": {},
Wykład 11. Sieci neuronowe
2023-01-17 12:26:02 +01:00
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "slide"
}
},
"source": [
Zamiana kolejności wykładów 7-12
2023-04-14 10:47:15 +02:00
"## 10.3. Wielowarstwowe sieci neuronowe\n",
Wykład 11. Sieci neuronowe
2023-01-17 12:26:02 +01:00
"\n",
"czyli _Artificial Neural Networks_ (ANN) lub _Multi-Layer Perceptrons_ (MLP)"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"![Rys. 9.5. Wielowarstwowa sieć neuronowa](nn1.png \"Rys. 9.5. Wielowarstwowa sieć neuronowa\")"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"#### Architektura sieci\n",
"\n",
"* Sieć neuronowa jako graf neuronów. \n",
"* Organizacja sieci przez warstwy.\n",
"* Najczęściej stosowane są sieci jednokierunkowe i gęste.\n",
"* $n$-warstwowa sieć neuronowa ma $n+1$ warstw (nie liczymy wejścia).\n",
"* Rozmiary sieci określane poprzez liczbę neuronów lub parametrów."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "slide"
}
},
"source": [
"### Sieć neuronowa jednokierunkowa (*feedforward*)\n",
"\n",
"* Mając daną $n$-warstwową sieć neuronową oraz jej parametry $\\Theta^{(1)}, \\ldots, \\Theta^{(L)} $ oraz $\\beta^{(1)}, \\ldots, \\beta^{(L)} $, liczymy:<br/><br/> \n",
"$$a^{(l)} = g^{(l)}\\left( a^{(l-1)} \\Theta^{(l)} + \\beta^{(l)} \\right). $$"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"![Rys. 11.6. Wielowarstwowa sieć neuronowa - feedforward](nn2.png \"Rys. 11.6. Wielowarstwowa sieć neuronowa - feedforward\")"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"* Funkcje $g^{(l)}$ to tzw. **funkcje aktywacji**.<br/>\n",
"Dla $i = 0$ przyjmujemy $a^{(0)} = \\mathrm{x}$ (wektor wierszowy cech) oraz $g^{(0)}(x) = x$ (identyczność)."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"source": [
"* Parametry $\\Theta$ to wagi na połączeniach miedzy neuronami dwóch warstw.<br/>\n",
"Rozmiar macierzy $\\Theta^{(l)}$, czyli macierzy wag na połączeniach warstw $a^{(l-1)}$ i $a^{(l)}$, to $\\dim(a^{(l-1)}) \\times \\dim(a^{(l)})$."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"* Parametry $\\beta$ zastępują tutaj dodawanie kolumny z jedynkami do macierzy cech.<br/>Macierz $\\beta^{(l)}$ ma rozmiar równy liczbie neuronów w odpowiedniej warstwie, czyli $1 \\times \\dim(a^{(l)})$."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "fragment"
}
},
"source": [
"* **Klasyfikacja**: dla ostatniej warstwy $L$ (o rozmiarze równym liczbie klas) przyjmuje się $g^{(L)}(x) = \\mathop{\\mathrm{softmax}}(x)$.\n",
"* **Regresja**: pojedynczy neuron wyjściowy jak na obrazku. Funkcją aktywacji może wtedy być np. funkcja identycznościowa."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"* Pozostałe funkcje aktywacji najcześciej mają postać sigmoidy, np. sigmoidalna, tangens hiperboliczny.\n",
"* Mogą mieć też inny kształt, np. ReLU, leaky ReLU, maxout."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "slide"
}
},
"source": [
"### Uczenie wielowarstwowych sieci neuronowych"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"Mając algorytm SGD oraz gradienty wszystkich wag, moglibyśmy trenować każdą sieć."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"* Niech:\n",
"$$\\Theta = (\\Theta^{(1)},\\Theta^{(2)},\\Theta^{(3)},\\beta^{(1)},\\beta^{(2)},\\beta^{(3)})$$\n",
"\n",
"* Funkcja sieci neuronowej z grafiki:\n",
"\n",
"$$\\small h_\\Theta(x) = \\tanh(\\tanh(\\tanh(x\\Theta^{(1)}+\\beta^{(1)})\\Theta^{(2)} + \\beta^{(2)})\\Theta^{(3)} + \\beta^{(3)})$$\n",
"* Funkcja kosztu dla regresji:\n",
"$$J(\\Theta) = \\dfrac{1}{2m} \\sum_{i=1}^{m} (h_\\Theta(x^{(i)})- y^{(i)})^2 $$"
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"Jak obliczymy gradienty?\n",
"\n",
"$$\\nabla_{\\Theta^{(l)}} J(\\Theta) = ? \\quad \\nabla_{\\beta^{(l)}} J(\\Theta) = ?$$\n",
"\n",
"* Postać funkcji kosztu zależna od wybranej architektury sieci oraz funkcji aktywacji."
]
},
{
"cell_type": "markdown",
"metadata": {
"slideshow": {
"slide_type": "subslide"
}
},
"source": [
"$$\\small J(\\Theta) = \\frac{1}{2}(a^{(L)} - y)^2 $$\n",
"$$\\small \\dfrac{\\partial}{\\partial a^{(L)}} J(\\Theta) = a^{(L)} - y$$\n",
"\n",
"$$\\small \\tanh^{\\prime}(x) = 1 - \\tanh^2(x)$$"
]
}
],
"metadata": {
"celltoolbar": "Slideshow",
"kernelspec": {
"display_name": "Python 3 (ipykernel)",
"language": "python",
"name": "python3"
},
"language_info": {
"codemirror_mode": {
"name": "ipython",
"version": 3
},
"file_extension": ".py",
"mimetype": "text/x-python",
"name": "python",
"nbconvert_exporter": "python",
"pygments_lexer": "ipython3",
"version": "3.10.6"
},
"livereveal": {
"start_slideshow_at": "selected",
"theme": "white"
}
},
"nbformat": 4,
"nbformat_minor": 4
}
Copy Permalink