Нейросеть на пальцах: как работает ИИ и как его использовать?

Андрей Зубков

Нейросеть на пальцах: как работает ИИ и как его использовать?

Глава 1: Что такое нейросеть?

Искусственный интеллект в повседневной жизни

Нейросети стали частью нашей повседневной жизни: они рекомендуют нам фильмы и музыку, помогают разбирать фотографии по темам, упрощают обработку текстов и поддерживают связь в онлайн-чатах. Мы встречаем их в системах безопасности, банковских приложениях, даже в приложениях для фитнеса и здоровья.

Порой кажется, что нейросети могут даже «думать», но как это происходит? На самом деле, за видимым «интеллектом» нейросетей скрыты тщательно разработанные математические алгоритмы и огромные объёмы данных.

Исторический путь нейросетей: от идеи к реализации

История нейронных сетей началась с идеи создать искусственную модель мозга, способную обрабатывать информацию, как это делают нейроны человека. Ещё в середине XX века такие исследователи, как Уоррен МакКаллок и Уолтер Питтс, разработали первые теоретические модели искусственного нейрона. Это были простейшие алгоритмы, которые могли принимать простые решения, например, различать «да» и «нет».

Однако эти модели были далеки от современных нейросетей и с трудом решали даже элементарные задачи. Настоящий прорыв в развитии нейросетей произошёл благодаря двум важным открытиям:

Многослойные нейронные сети, которые позволили обрабатывать более сложные данные.

Алгоритмы обучения, которые позволили нейросетям корректировать свои внутренние параметры и становиться «умнее» с каждым шагом.

С развитием вычислительных мощностей и появлением графических процессоров (GPU), способных обрабатывать большие объёмы данных, нейросети вышли на новый уровень. Теперь они могут анализировать изображения, понимать речь и даже генерировать новый контент.

Обучение нейросети: от ошибок к точности

Для того чтобы нейросеть давала правильные ответы, её необходимо обучить на наборе данных. Например, если мы обучаем сеть распознавать изображения кошек и собак, мы будем предоставлять ей изображения, указывая, где кошки, а где собаки. На основе этих данных нейросеть будет учиться различать признаки, характерные для каждого класса.

На первых этапах обучения нейросеть допускает много ошибок, так как её внутренние параметры настроены произвольно. Для корректировки этих ошибок используется метод обратного распространения ошибки. Процесс выглядит так:

Входные данные проходят через слои нейросети, пока не достигнут выхода.

Сравнение результата с правильным ответом: если результат не совпадает с истинным значением, вычисляется величина ошибки.

Коррекция ошибок: используя алгоритм градиентного спуска, сеть корректирует веса на каждом уровне, чтобы минимизировать ошибку.

Этот путь можно представить как процесс спуска по склону к самой низкой точке, где ошибка минимальна. С каждым шагом нейросеть становится «умнее», и её ошибки уменьшаются.

Примеры применения нейросетей: от распознавания до создания

Применение нейросетей настолько разнообразно, что они нашли место практически в каждой сфере деятельности:

Распознавание речи и изображений: голосовые помощники, такие как Siri или Google Assistant, распознают команды и отвечают на вопросы, используя сложные нейронные сети.

Медицина: анализ изображений рентгеновских снимков, МРТ и других медицинских данных позволяет диагностировать заболевания на ранних стадиях.

Финансы: банки используют нейросети для оценки кредитоспособности, выявления мошенничества и анализа финансовых рисков.

Создание контента: нейросети способны генерировать тексты, музыку и изображения. Например, системы на основе алгоритмов вроде GPT могут писать статьи, стихи и даже книги.

Каждая из этих задач предъявляет свои требования к нейросетям, и для решения каждой из них разрабатываются специальные архитектуры. На основе этих примеров видно, что потенциал нейросетей безграничен, и, вероятно, в будущем их роль в нашей жизни будет только возрастать.

Почему важно изучать нейросети уже сейчас?

Сегодня нейросети – это не просто инструмент в арсенале исследователей и программистов. Они становятся важной частью множества сфер, от медицины и финансов до образования и развлечений. Уже сейчас понятно, что знание основ нейросетей и понимание их применения даёт значительные преимущества: помогает не только идти в ногу с технологическим прогрессом, но и оставаться востребованным в мире, где искусственный интеллект всё больше заменяет привычные методы работы.

Технологии ИИ развиваются быстрыми темпами, и их роль в обществе и экономике будет расти. Те, кто начнёт изучать нейросети сейчас, уже завтра смогут чувствовать себя уверенно, пользуясь их возможностями и понимая их ограничения. В будущем такие знания могут стать не просто полезными, но и необходимыми для комфортной жизни и успешной карьеры.

Глава 2: Как нейросеть учится?

Зачем нейросетям нужно обучение?

Чтобы нейросеть могла правильно выполнять задачи – например, распознавать лица или рекомендовать фильмы, – её нужно «научить». Представьте себе процесс, похожий на обучение ребёнка: в начале он ничего не знает, но, сталкиваясь с примерами и получая обратную связь, постепенно начинает разбираться, что хорошо, а что плохо. Обучение нейросети тоже строится на большом количестве примеров, но происходит оно по математическим правилам, а не на основе опыта и эмоций.

Эта глава объяснит, как именно нейросети учатся и что заставляет их становиться умнее и точнее после каждого пройденного примера.

Два основных типа обучения нейросетей

Процесс обучения нейросетей обычно делится на два типа, в зависимости от того, есть ли у нас готовые правильные ответы для примеров.

С учителем. Это как учёба с преподавателем: каждому примеру уже приписан правильный ответ. Например, у нас есть набор фотографий кошек и собак, и каждая картинка помечена: это кошка, это собака. Нейросеть видит пример, сравнивает результат со своим ответом и, если ошибается, исправляется. Постепенно, на сотнях или тысячах изображений, она запоминает, как выглядят кошки и собаки.

Без учителя. Здесь нет готовых ответов, и нейросеть сама пытается найти общие черты или закономерности в данных. Например, она может сгруппировать клиентов по похожим характеристикам, хотя не будет знать, что одни из них – «постоянные покупатели», а другие – «новые».

Есть и третий, более особенный способ – обучение с подкреплением, когда нейросеть учится через взаимодействие с миром, например, обучаясь играть в игры или управлять роботом. Она получает награду или штраф за свои действия и со временем выбирает наиболее выгодные шаги.

Шаги обучения нейросети

Когда мы начинаем обучение нейросети, все её внутренние параметры изначально выставлены случайно. Поэтому сначала сеть работает хаотично и выдаёт неточные результаты. Чтобы сеть начала разбираться в задачах, процесс обучения повторяется множество раз:

Обработка данных. В начале обучения нейросеть пропускает входные данные – например, изображение – через свои слои, обрабатывая информацию на каждом этапе и выдавая результат. Этот процесс называется «прямой проход».

Сравнение результата с правильным ответом. Сеть сравнивает свой ответ с правильным, чтобы понять, насколько он отличается. Эта разница называется ошибкой.

Коррекция ошибок. Нейросеть исправляет свои внутренние параметры так, чтобы в следующий раз сделать меньшую ошибку. Она «возвращается» от результата к началу, изменяя настройки в каждом слое. Этот процесс называют «обратное распространение ошибки».

Обновление параметров. Нейросеть обновляет параметры, то есть корректирует их, чтобы ошибки становились меньше. С каждым новым проходом она немного улучшает свои навыки.

Нейросеть многократно повторяет эти шаги, пока её прогнозы не станут достаточно точными.

Как нейросеть понимает, в какую сторону двигаться?

Когда нейросеть исправляет свои ошибки, она использует метод, который называется градиентный спуск. Этот метод позволяет сети находить правильные значения параметров, чтобы ошибки были как можно меньше. Представьте, что градиентный спуск – это как спуск с холма в поисках самой низкой точки (или минимальной ошибки). На каждом шаге нейросеть «спускается» по холму, приближаясь к правильному ответу.

Очень важно выбрать, с какой скоростью делать эти шаги, что называется скоростью обучения. Если скорость слишком высокая, нейросеть может перескочить правильный ответ. Если скорость слишком низкая, обучение займёт много времени. Правильно выбранная скорость помогает сети эффективно учиться.

Почему обучение требует времени и что может пойти не так?

Обучение нейросети – процесс небыстрый, и иногда результаты могут быть не такими, как хотелось бы. Вот некоторые из самых распространённых трудностей:

Переобучение. Сеть запоминает обучающие данные слишком хорошо и перестаёт адекватно работать с новыми данными. Это похоже на заучивание вместо понимания.

Недообучение. Нейросеть недостаточно хорошо настроена для понимания данных и не улавливает их закономерности.

Затухание ошибки. В глубоких сетях ошибка может скрываться алгоритмами, что замедляет обучение.

Чтобы избежать этих проблем, учёные добавляют больше данных, используют специальные архитектуры сети и тестируют разные параметры. Это помогает сети лучше понимать и обрабатывать данные, что повышает её точность.

Обучение нейросети – это её основа

Именно этот процесс позволяет ей решать сложные задачи, такие как распознавание лиц или диагностика болезней. Зная, как нейросети обучаются, можно лучше понять, почему они так быстро стали популярны и как они меняют подход к работе с данными в разных областях: от медицины до маркетинга.

Сегодня понимание принципов обучения нейросетей помогает оставаться в курсе новых технологий и получать больше преимуществ от их использования. Те, кто начинает изучать нейросети сейчас, в будущем будут лучше адаптироваться к изменениям в мире и находить интересные возможности для себя.

Глава 3: Как нейросеть принимает решения?

Что значит «решение» для нейросети?

Когда мы говорим, что нейросеть приняла какое-то решение, это не совсем похоже на человеческий выбор. Сеть не раздумывает, не оценивает «за» и «против». На уровне алгоритма решение – это просто результат обработки данных: сеть взвешивает информацию, анализирует её по своим настройкам и выдаёт ответ. Например, обученная сеть, которая распознаёт изображения, видит картинку с животным и на выходе выдаёт результат: «кошка» или «собака». Но что стоит за этим?

Входные данные: с чего начинается решение

Для принятия решения нейросети нужны данные – это могут быть пиксели изображения, текст или числовые значения. Каждое значение – как отдельный кусочек информации, который сеть будет обрабатывать, чтобы выявить важные признаки.

Внутри сети данные проходят через слои нейронов, которые, можно сказать, «спрашивают»: соответствует ли этот кусочек информации ожидаемому шаблону? Каждый нейрон анализирует и передаёт сигнал дальше, добавляя свою «оценку» к общему выводу сети.

Важная роль весов: как нейросеть «оценивает» данные

Основной принцип работы нейросети – это использование весов. Вес показывает, насколько важно определённое значение. Представьте себе весы: если один признак важен, то его вес увеличивается, если не важен – уменьшается. Так нейросеть может выделить те признаки, которые действительно важны для решения задачи.

Во время обучения сеть подбирает такие значения весов, которые минимизируют ошибки. Например, если нейросеть учат распознавать кошек, то она постепенно «научится» придавать больше значения круглым ушам и маленькому носу, которые характерны для кошек.

Принятие решений с помощью вероятностей

На практике нейросети не всегда выдают «чёткий» ответ, особенно в сложных задачах. Вместо этого они используют вероятностную оценку. Например, если сеть распознаёт изображение, она может указать, что уверена на 90%, что это кошка, и на 10%, что это собака. Вероятность позволяет сети быть гибкой: она может сказать «скорее всего» или «вероятнее всего», а не давать однозначные утверждения.

Вероятности помогают избежать ошибок в неоднозначных ситуациях. Например, если сеть обрабатывает медицинские снимки, то высокий уровень вероятности может означать, что врачу следует обратить внимание на конкретные области изображения. Если вероятность низкая, алгоритм может запросить дополнительные данные.

Порог принятия решений: как сеть выдаёт окончательный ответ

Когда сеть вычисляет вероятности, она применяет пороговое значение. Например, если вероятность выше 50%, сеть может выдать ответ «да», а если ниже – «нет». Это пороговое значение можно регулировать в зависимости от задачи.

Такой порог удобен для настройки точности: в задачах, где ошибка может быть критичной (например, в медицине), порог делают выше, чтобы сеть выдавала результаты только при высокой уверенности. А в задачах, где важна скорость, порог можно немного снизить, чтобы сеть быстрее реагировала.

Проблемы при принятии решений

Хотя нейросети могут эффективно обрабатывать данные и выдавать точные результаты, в процессе принятия решений могут возникать проблемы:

Шум и погрешности в данных. Если данные содержат ошибки или случайные элементы, сеть может запутаться и выдать неверный результат. Например, размытое изображение или некачественный текст может ввести сеть в заблуждение.

Избыточная уверенность. Иногда сеть может слишком уверенно принимать неправильные решения, если обучалась на некачественных или однотипных данных. Например, сеть, обученная на ярких и чётких изображениях, может допустить ошибки на фотографиях с плохим освещением.

Сложные зависимости. Некоторые задачи, такие как анализ эмоций или предсказание временных рядов, требуют от нейросети понимания более сложных закономерностей. Если сеть недостаточно сложна или не обучена, она может не уловить эти тонкие связи.

Для решения таких проблем нейросети проходят тщательное тестирование и адаптацию на новых данных, что позволяет улучшить их точность.

Путь к точным решениям

Процесс принятия решений в нейросети – это результат анализа, настройки весов, функций активации и вероятностей. Эти элементы позволяют сети эффективно обрабатывать сложные данные и принимать точные решения. Понимание механики принятия решений помогает настроить нейросеть для выполнения задач в разных областях – от распознавания лиц до диагностики заболеваний.

Нейросети становятся всё более универсальными инструментами, и знание того, как они принимают решения, помогает нам использовать их возможности на полную мощность. Тот, кто начинает изучать нейросети сейчас, сможет в будущем принимать решения на основе их рекомендаций и находить новые точки роста в своей деятельности.

Глава 4: Обучение нейросети на ошибках

Почему ошибки важны для нейросети?

Ошибки – неотъемлемая часть процесса обучения нейросети. Они помогают сети понять, как ей нужно скорректировать свои действия, чтобы в будущем давать более точные результаты. Обучение нейросети – это основа её работы, так как именно благодаря исправлению ошибок сеть «учится» и улучшает свою точность.

Как сеть понимает, что она ошиблась?

Когда сеть выполняет задачу, она выдаёт ответ, который затем сравнивается с правильным решением. Например, если нейросеть анализирует изображения и должна определить, что на картинке изображена кошка, но вместо этого предполагает, что это собака, значит, она совершила ошибку.

Цель сети – минимизировать эту ошибку, чтобы её предсказания были как можно ближе к правильным ответам.

Как работает обратное распространение?

Когда ошибка найдена, сеть должна понять, что именно она сделала неправильно, и скорректировать свои параметры, чтобы избежать этой ошибки в будущем. Для этого используется обратное распространение:

Процесс обратного распространения ошибки:

Вычисление на выходе сети. Например, если сеть должна была распознать кошку, но ошиблась, её результат сравнивается с правильным ответом, чтобы найти величину ошибки.

Передача информации назад через каждый слой. Ошибка делится между слоями, начиная с выходного, чтобы каждый слой получил свою долю ответственности.

Корректировка весов нейронов. На основе полученной информации сеть корректирует значения весов, что позволяет ей делать более точные предсказания в следующий раз.

Эти шаги повторяются множество раз, что позволяет сети постепенно улучшать свои результаты.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.