Как создать и обучить нейросеть

Нейронные сети помогают решать сложные задачи, используя данные для обучения и принятия решений. Они применяются в медицине, финансовых прогнозах, переводе текстов и других областях. Разберём основные этапы разработки нейросети — от постановки задачи до внедрения в реальные системы.

Основы нейронных сетей

Чтобы компьютеры помогали людям решать повседневные задачи, их нужно научить не просто ориентироваться в цифрах, но и понимать окружающий мир. Представьте, что вы учите ребёнка отличать кошку от собаки, показывая ему много фотографий.

Похожая идея лежит в основе обучения нейронных сетей — технологии, которая помогает компьютерам обучаться на примерах и решать проблемы, которые раньше были под силу только человеку, например понимать рукописный текст или синтезировать речь.

Понятие искусственного нейрона и архитектура нейросетей

Искусственные нейроны, своего рода маленькие вычислительные блоки, отвечают за работу нейросетей. Нейроны получают информацию, например фотографии или текст, обрабатывают её и выдают результат — к примеру, определяют, что изображено на картинке.

Представьте, что каждый нейрон — это человек, принимающий решение на основе полученной ранее информации. Как люди собираются в команды, каждая из которых отвечает за свой участок работы, так и искусственные нейроны объединяются в нейросети.

Специалисты разработали разные типы архитектуры нейронной сети, которые подходят для разных задач. Среди наиболее востребованных в последнее время:

  • свёрточные сети «смотрят» на маленькие кусочки изображения и ищут специфические особенности вроде линий или текстур. Они используются в распознавании лиц на фотографиях или в медицине для обнаружения опухолей;

  • рекуррентные сети работают с последовательностями данных, например текстом или звуком, и позволяют учитывать контекст. Принцип их работы можно сравнить с чтением книги: мы понимаем каждую страницу, основываясь на предыдущих. Они используются, к примеру, в онлайн-переводчиках.

Области применения нейронных сетей

Нейросети применяются в медицине, например для анализа снимков МРТ, ускоряя диагностику и повышая качество лечения. В области финансов они прогнозируют изменения на рынке. В развлечениях искусственный интеллект персонализирует рекомендации музыки, видео и другого контента. Наконец, нейросети используются в чат-ботах и голосовых помощниках для улучшения пользовательского опыта.

Этапы создания нейросети

Разработка нейросетей включает несколько этапов — от постановки задачи до выбора архитектуры. Каждый из этих шагов определяет, насколько эффективна будет модель и какие результаты сможет получать.

Постановка задачи и подготовка данных

Процесс обучения нейросетей начинается с постановки задачи: нужно точно определить, какую задачу предстоит решать. Например, если нужно определить, изображена на фотографии корова или лошадь, то это задача классификации. Если нужно предсказать цены акций на бирже, это задача временных рядов.

Подготовка данных включает их очистку, удаление ошибок, а также нормализацию, то есть приведение входящих данных к единому масштабу. Например, при работе с изображениями это может быть преобразование всех картинок, чтобы сделать их одного размера или формата, а в случае с текстами — удаление лишних символов и приведение всех слов к нижнему регистру. Кроме того, на этом этапе большие массивы текста делят на токены (грубо говоря, отдельные слова), с которыми будет работать модель.

Разработка архитектуры и инициализация весов

Архитектура нейросети — это, по сути, скелет, который определяет её структуру: сколько слоёв будет в сети, сколько нейронов в каждом слое и как они будут связаны между собой. Выбор архитектуры влияет на то, как эффективно нейросеть сможет решать поставленную задачу.

К примеру, для работы с фото наиболее подходящей архитектурой часто оказывается свёрточная нейронная сеть. В задаче распознавания лиц первые слои такой сети могут обнаруживать общие черты вроде контура головы, а более глубокие слои — детали вроде глаз или носа.

После того как архитектура выбрана, разработчики переходят к инициализации весов. Веса — это параметры сети, которые определяют, как сильно входной сигнал влияет на выходной. Плохая инициализация может привести к проблемам с обучением. Например, если инициализировать все веса константными значениями, сеть может слишком медленно обучаться. Решить проблему можно с помощью метода Xavier, когда веса равномерно распределяются, что позволяет сети быстрее находить правильное решение.

Обучение нейронной сети

В процессе обучения нейросеть настраивает внутренние параметры, чтобы оптимально решать поставленную задачу. Проще говоря, сеть учится на примерах и постепенно улучшает свои предсказания, минимизируя ошибки.

Методы обучения и алгоритмы оптимизации

Обучение начинается с того, что нейросеть получает данные и их метки, своего рода правильные ответы (например, подписи к картинкам). Сеть пропускает данные через себя и делает предсказание. После этого она сравнивает предсказание с правильным ответом и вычисляет, насколько оно отличается — это будет ошибкой, которую предстоит минимизировать.

Один из популярных методов обучения — обратное распространение ошибки (backpropagation). Он заключается в том, что после каждого предсказания сеть передаёт ошибку обратно через все слои и эта информация используется для корректировки весов.

Чтобы эффективно находить правильные значения весов, используется градиентный спуск — метод, который помогает сети шаг за шагом приближаться к наилучшему решению. Алгоритмы оптимизации помогают ускорить процесс, настраивая шаги обновления весов так, чтобы сеть быстрее сходилась к оптимальному решению. К примеру, при распознавании речи нейросеть сначала «угадывает» слова неправильно, но через обратное распространение постепенно учится и улучшает способность различать звуки, настраивая внутренние параметры с помощью градиентного спуска.

Функции потерь, регуляризация и техники ускорения обучения

Когда сеть делает предсказание, нужно знать, насколько она ошиблась. Для этого используются функции потерь. Например, для задач классификации часто применяется кросс-энтропия, которая измеряет разницу между предсказанными и реальными классами. В свою очередь, для регрессии применяют среднеквадратичную ошибку (MSE), которая показывает, насколько предсказанные значения отклоняются от реальных.

Чтобы избежать переобучения, когда нейросеть слишком хорошо осваивает обучающие данные и плохо справляется с примерами из реальной жизни, используются методы регуляризации. К примеру, Dropout случайным образом отключает часть нейронов во время обучения, снижая вероятность переобучения.

Скажем, при моделировании спроса на продукты регуляризация помогает сети не переобучиться на данных определённого сезона (например, осенних распродаж) и давать более точные предсказания с учётом общих тенденций.

Для ускорения обучения часто применяется пакетная нормализация (batch normalization). Этот метод нормализует входы каждого слоя сети, помогая стабилизировать распределение данных и ускорить обучение. В сложных задачах, например в распознавании объектов на видео, нормализация помогает быстрее достичь хороших результатов, уменьшая влияние изменений в масштабах входных данных на скорость обучения.

Онлайн-фестиваль 8БИТ от Яндекса

Знакомиться с нейросетями нужно уже в школе, поэтому Яндекс ежегодно проводит онлайн-фестиваль 8БИТ для подростков, которые хотят разобраться в digital-профессиях и понять, чем стоит заниматься в будущем.

Погружение в мир нейросетей и технологий

В течение нескольких дней участники фестиваля погружаются в мир искусственного интеллекта и нейросетей. Они знакомятся с тем, как создаются сложные ИИ-системы, которые используются не только в повседневной жизни, но и в научных проектах. Например, нейросети помогают учёным считать рачков в Байкале.

Рассказы экспертов о создании сервисов на базе ИИ

На фестивале 8БИТ выступают разработчики Яндекса, которые делятся своим опытом и раскрывают секреты создания сервисов на основе искусственного интеллекта. К примеру, эксперты объясняют, что помогает Алисе разговаривать более естественно и как алгоритмы учатся писать тексты.

Возможность применить знания для реализации идей

В рамках мастер-классов участники фестиваля самостоятельно пишут код и создают чат-боты. Это позволяет начинающим разработчикам или подросткам, которые только задумываются о карьере в IТ, попробовать свои силы на практике, получить советы от экспертов и вдохновение для будущих проектов.

Тестирование и практическое применение нейросети

На этапе тестирования разработчики проверяют, насколько хорошо нейросеть работает на новых данных, которые не использовались в процессе обучения. Это позволяет оценить способность модели обобщать полученные знания и справляться с реальными задачами.

Оценка качества работы на тестовых данных

Чтобы убедиться, что нейросеть готова к использованию, её нужно протестировать на специальном наборе данных, который она раньше не видела. Тестовый датасет позволяет объективно оценить, насколько модель может применять свои знания в новых ситуациях.

К примеру, модель для перевода нужно проверить на материалах, которые не входили в обучающую выборку, чтобы убедиться, что нейросеть действительно научилась переводить, а не просто запомнила конкретные тексты.

Требуется также проводить кросс-валидацию, при которой данные разбиваются на несколько частей и нейросеть обучается и тестируется на разных комбинациях. Это позволяет избежать случайных ошибок и делает оценку модели более точной.

Развёртывание и интеграция с другими системами

После успешного тестирования нейросеть готова к практическому использованию. Это включает этап развёртывания, когда модель интегрируют в реальные приложения или системы — от чат-ботов и программ обработки фотографий до голосовых помощников и систем автоматического перевода.

Например, в голосовых помощниках нейросети используются для понимания запросов и формулирования ответов. После развёртывания модель получает данные от пользователей и предсказывает наиболее вероятный ответ или действие.

Важно учитывать оптимизацию модели перед развёртыванием. Большие и сложные нейросети требуют значительных вычислительных ресурсов, поэтому часто применяют квантование (уменьшение точности весов) и сжатие модели после обучения для ускорения работы сети и снижения требований к железу.

После развёртывания нейросеть нужно интегрировать с другими системами вроде баз данных или внешних API. Это позволяет использовать модель для автоматизации процессов и улучшения пользовательского опыта.

Скажем, в платформах онлайн-торговли нейросети могут быть интегрированы с системами рекомендаций, чтобы анализировать поведение пользователей и предлагать товары на основе предыдущих покупок.

Современные тенденции в разработке нейросетей

Каждый год появляются новые технологии и подходы к созданию нейронных сетей, а существующие модели постоянно совершенствуются, становясь более эффективными, гибкими и мощными.

Трансферное обучение и генеративные модели

Один из самых интересных современных методов машинного обучения — это трансферное обучение. Его суть заключается в том, что обученную решению определённой задачи модель можно настроить на выполнение других задач.

Этот метод особенно полезен, когда есть ограниченное количество данных для обучения. Он ускоряет разработку и снижает требования к ресурсам. К примеру, модель BERT, созданная для обработки естественного языка, после небольшого дообучения может применяться для классификации текстов или поиска ответов.

Генеративные модели (пожалуй, самые известные из них сегодня — генеративно-состязательные сети, или GAN) способны генерировать осмысленные тексты и реалистичные изображения, аудио или видео. Это делает их незаменимыми в создании разного типа контента. Кроме того, такие модели применяются для синтезирования данных, когда разработчикам не хватает реальных данных для обучения нейросетей.

Архитектура трансформеров и нейросимвольные подходы

Трансформеры — сравнительно новая архитектура, которая позволяет нейросетям сразу видеть весь текст вместо того, чтобы читать его слово за словом. Они хорошо подходят для понимания больших объёмов данных и активно применяются в системах машинного перевода, чат-ботах и для генерации текста.

Нейросимвольные системы сочетают нейросети с методами искусственного интеллекта на основе логики и правил. Этот гибридный подход позволяет моделям не только учиться на данных, но и использовать знания, заданные в виде логических выражений, что улучшает их способность к рассуждению и принятию решений. Этот метод востребован для решения сложных задач, требующих логического мышления, например в области робототехники.