Backpropagace

Backpropagace je algoritmus pro trénování umělých neuronových sítí. Úpravou vah za účelem minimalizace chyby predikce zajišťuje backpropagace efektivní učení neuronových sítí. V tomto slovníkovém hesle vysvětlíme, co je backpropagace, jak funguje, a nastíníme kroky potřebné k trénování neuronové sítě.

Co je backpropagace?

Backpropagace, zkráceně „zpětné šíření chyby“, je algoritmus učení s učitelem využívaný pro trénování umělých neuronových sítí. Jedná se o metodu, při které síť aktualizuje své váhy na základě chybové hodnoty získané v předchozí epoše (iteraci). Cílem je minimalizovat chybu, dokud predikce sítě nejsou co nejpřesnější.

Jak backpropagace funguje?

Backpropagace funguje tak, že šíří chybu zpět sítí. Zde je kroky procesu krok za krokem:

1. Průchod vpřed

• Vstupní vrstva: Vstupní data jsou předána do sítě.
• Skryté vrstvy: Data jsou zpracována skrz jednu nebo více skrytých vrstev, kde neurony aplikují váhy a aktivační funkce pro generování výstupů.
• Výstupní vrstva: Výsledný výstup je vygenerován na základě váženého součtu vstupů z poslední skryté vrstvy.

2. Výpočet ztráty

• Výpočet chyby: Výstup sítě je porovnán se skutečnými cílovými hodnotami pro výpočet chyby (ztráty). Běžné ztrátové funkce zahrnují střední kvadratickou chybu (MSE) a křížovou entropii.

3. Zpětný průchod

• Výpočet gradientu: Gradient ztrátové funkce je spočítán vzhledem ke každé váze aplikací řetězového pravidla. Tento krok zahrnuje výpočet parciálních derivací ztráty vzhledem ke každé váze.
• Aktualizace vah: Váhy jsou aktualizovány pomocí vypočtených gradientů. Rychlost učení, hyperparametr, určuje velikost kroku pro aktualizaci vah. Pravidlo aktualizace je obvykle dáno vzorcem:
  w_nové = w_staré – η ∂L/∂w
  kde η je rychlost učení a ∂L/∂w je gradient ztráty (L) vzhledem k váze (w).

4. Iterace

• Opakování: Kroky 1 až 3 se opakují pro předem stanovený počet epoch nebo dokud ztráta nedosáhne přijatelné hodnoty.

Trénování neuronové sítě pomocí backpropagace

Trénování neuronové sítě zahrnuje několik klíčových kroků:

1. Příprava dat

• Dataset: Shromáždění a předzpracování datové sady.
• Normalizace: Normalizace dat, aby všechny vstupní charakteristiky byly ve stejném měřítku.

2. Inicializace modelu

• Architektura: Definujte architekturu neuronové sítě, včetně počtu vrstev a neuronů.
• Inicializace vah: Inicializujte váhy, obvykle malými náhodnými hodnotami.

3. Trénovací smyčka

• Průchod vpřed: Spočítejte výstup sítě.
• Výpočet ztráty: Spočítejte ztrátu mezi predikovanými a skutečnými výstupy.
• Zpětný průchod: Spočítejte gradienty ztráty vzhledem ke každé váze.
• Aktualizace vah: Aktualizujte váhy pomocí gradientů a rychlosti učení.
• Epcha: Opakujte proces po více epochách pro zpřesnění vah.

4. Vyhodnocení

• Validace: Otestujte natrénovaný model na oddělené validační datové sadě pro vyhodnocení jeho výkonu.
• Úpravy: Doladění hyperparametrů jako je rychlost učení, velikost dávky a počet epoch na základě validačních výsledků.

Principy backpropagace

• Řetězové pravidlo: Základní matematický princip umožňující výpočet gradientů ve vícevrstvých sítích.
• Gradientní sestup: Optimalizační algoritmus používaný ke minimalizaci ztrátové funkce.
• Rychlost učení: Hyperparametr určující, o kolik se při každé aktualizaci vah model změní v reakci na odhadovanou chybu.

Odkazy:

• GeeksforGeeks – Backpropagation in Neural Network
• Wikipedia – Backpropagation
• Neptune.ai – A Comprehensive Guide to the Backpropagation Algorithm in Neural Networks