2.4. Обучение нейронных сетей как минимизация функции ошибки

Построение обучения как оптимизации дает универсальный метод создания нейронных сетей для решения задач. Если сформулировать требования к нейронной сети, как задачу минимизации некоторой функции - оценки, зависящей от части сигналов (входных, выходных, ...) и от параметров сети, то обучение можно рассматривать как оптимизацию и строить соответствующие алгоритмы, программное обеспечение и, наконец, устройства. Функция оценки обычно довольно просто (явно) зависит от части сигналов - входных и выходных, но ее зависимость от настраиваемых параметров сети может быть сложнее и включать как явные компоненты (слагаемые, сомножители,...), так и неявные - через сигналы (сигналы, очевидно, зависят от параметров, а функция оценки - от сигналов).

За пределами задач, в которых нейронные сети формируются по явным правилам (сети Хопфилда, проективные сети, минимизация аналитически заданных функций и т.п.) требования к нейронной сети обычно можно представить в форме минимизации функции оценки. Не следует путать такую постановку задачи и ее весьма частный случай - "обучение с учителем".

Если для решения задачи не удается явным образом сформировать сеть, то проблему обучения можно, как правило, сформулировать как задачу минимизации оценки. Осторожность предыдущей фразы ("как правило") связана с тем, что на самом деле неизвестны и никогда не будут известны все возможные задачи для нейронных сетей, и, быть может, где-то в неизвестности есть задачи, которые несводимы к минимизации оценки.

Минимизация оценки - сложная проблема: параметров астрономически много (для стандартных примеров, реализуемых на РС - от 100 до 1000000), адаптивный рельеф (график оценки как функции от подстраиваемых параметров) сложен, может содержать много локальных минимумов, извилистых оврагов и т.п.

Наконец, даже для того, чтобы воспользоваться простейшими методами гладкой оптимизации, нужно вычислять градиент функции оценки. В данном разделе описывается связь двойственного функционирования сетей - автоматов с преобразованием Лежандра и неопределенными множителями Лагранжа.

Переменные обратного функционирования m появляются как вспомогательные при вычислении производных сложной функции. Переменные такого типа появляются не случайно. Они постоянно возникают в задачах оптимизации и являются множителями Лагранжа.

Для всех сетей автоматов, встречавшихся в предыдущих разделах, можно выделить три группы переменных:

внешние входные сигналы x...,

переменные функционирования - значения на выходах всех элементов сети f...,

переменные обучения a...
(многоточиями заменяются различные наборы индексов).

Объединим их в две группы - вычисляемые величины y... - значения f... и задаваемые - b... (включая a... и x...). Упростим индексацию, перенумеровав f и b натуральными числами: f1,...,fN ; b1 ,...,bM .

Пусть функционирование системы задается набором из N уравнений

yi(y1 ,...,yN ,b1 ,...,bM)=0 (i=1,...,N).                                (1)

Для послойного вычисления сложных функций вычисляемые переменные - это значения вершин для всех слоев, кроме нулевого, задаваемые переменные - это значения вершин первого слоя (константы и значения переменных), а уравнения функционирования имеют простейший вид (4), для которого

Предполагается, что система уравнений (1) задает способ вычисления yi .

Пусть имеется функция (лагранжиан) H(y1 ,...,yN ,b1 ,...,bM). Эта функция зависит от b и явно, и неявно - через переменные функционирования y. Если представить, что уравнения (1) разрешены относительно всех y (y=y(b)), то H можно представить как функцию от b:

H=H1(b)=H(y1(b),...,yN(b),b).                                          (2)

где b - вектор с компонентами bi .

Для задачи обучения требуется найти производные Di=¶H1(b)/¶bi . Непосредственно и явно это сделать трудно.

Поступим по-другому. Введем новые переменные m1,...,mN (множители Лагранжа) и производящую функцию W:

В функции W аргументы y, b и m - независимые переменные.

Уравнения (1) можно записать как

                                                                                      (3)

Заметим, что для тех y, b, которые удовлетворяют уравнениям (13), при любых m

W(y,b,m)ºH(y,b).                                                                                         (4)

Это означает, что для истинных значений переменных функционирования y при данных b функция W(y,b,m) совпадает с исследуемой функцией H.

Попытаемся подобрать такую зависимость mi(b), чтобы, используя (4), получить для Di=¶H1(b)/¶bi наиболее простые выражения . На многообразии решений (15)

Поэтому

     (5)

Всюду различается функция H(y,b), где y и b - независимые переменные, и функция только от переменных b H(y(b),b), где y(b) определены из уравнений (13). Аналогичное различение принимается для функций W(y,b,m) и W(y(b),b,m (b)).

Произвол в определении m(b) надо использовать наилучшим образом - все равно от него придется избавляться, доопределяя зависимости. Если выбрать такие m, что слагаемые в первой сумме последней строки выражения (5) обратятся в нуль, то формула для Di резко упростится. Положим поэтому

.                                  (6)

Это - система уравнений для определения mk (k=1,...,N). Если m определены согласно (6), то

Основную идею двойственного функционирования можно понять уже на простейшем примере. Рассмотрим вычисление производной сложной функции одного переменного. Пусть заданы функции одного переменного f1(A) ,f2(A) ,...,fn(A) . Образуем из них сложную функцию

F(x)=fn (fn-1 (...(f1 (x))...)). (1)

Можно представить вычисление F(x) как результат работы n автоматов, каждый из которых имеет один вход и выдает на выходе значение fi (A), где A - входной сигнал (рис.8, а). Чтобы построить систему автоматов, вычисляющую F¢(x), надо дополнить исходные автоматы такими, которые вычисляют функции fi¢(A), где A - входной сигнал (важно различать производную fi по входному сигналу, то есть по аргументу функции fi, и производную сложной функции fi(A(x)) по x; fi¢(A) ‑ производные по A).

Для вычисления F¢(x) потребуется еще цепочка из n-1 одинаковых автоматов, имеющих по два входа, по одному выходу и подающих на выход произведение входов. Тогда формулу производной сложной функции

можно реализовать с помощью сети автоматов, изображенной на рис. 8, б. Сначала по этой схеме вычисления идут слева направо: на входы f1 и f1' подаются значения x, после вычислений f1(x) это число подается на входы f2 и f2' и т.д. В конце цепочки оказываются вычисленными все fi (fi-1 (...)) и fi'(fi-1 (...)).

Можно представить вычисление любой сложной функции многих переменных, как движение по графу: в каждой его вершине производится вычисление простой функции (рис 9. а). Вычисление градиента представляется обратным движением (рис 9. б). Отсюда и термин: методы (алгоритмы) обратного распространения.