Backpropagatie

Backpropagatie is een algoritme voor het trainen van kunstmatige neurale netwerken. Door gewichten aan te passen om de fout in voorspellingen te minimaliseren, zorgt backpropagatie ervoor dat neurale netwerken efficiënt leren. In deze woordenlijst leggen we uit wat backpropagatie is, hoe het werkt en geven we een overzicht van de stappen die betrokken zijn bij het trainen van een neuraal netwerk.

Wat is Backpropagatie?

Backpropagatie, kort voor “achterwaartse propagatie van fouten”, is een supervised learning-algoritme dat wordt gebruikt voor het trainen van kunstmatige neurale netwerken. Het is de methode waarmee het neurale netwerk zijn gewichten bijwerkt op basis van de fout die is behaald in de vorige epoch (iteratie). Het doel is om de fout te minimaliseren totdat de voorspellingen van het netwerk zo nauwkeurig mogelijk zijn.

Hoe Werkt Backpropagatie?

Backpropagatie werkt door de fout achterwaarts door het netwerk te propageren. Hier volgt een stapsgewijze uitleg van het proces:

1. Voorwaartse Pass

• Inputlaag: De invoergegevens worden in het netwerk gevoerd.
• Verborgen lagen: De gegevens worden verwerkt door een of meer verborgen lagen, waar neuronen gewichten en activatiefuncties toepassen om uitgangen te genereren.
• Uitgangslaag: De uiteindelijke output wordt gegenereerd op basis van de gewogen som van de invoer uit de laatste verborgen laag.

2. Verliesberekening

• Foutberekening: De output van het netwerk wordt vergeleken met de werkelijke doelwaarden om de fout (verlies) te berekenen. Veelgebruikte verliesfuncties zijn Mean Squared Error (MSE) en Cross-Entropy Loss.

3. Achterwaartse Pass

• Gradiëntberekening: De gradiënt van de verliesfunctie wordt berekend ten opzichte van elk gewicht door de kettingregel van de calculus toe te passen. Deze stap omvat het berekenen van de partiële afgeleiden van het verlies ten opzichte van elk gewicht.
• Gewichtsupdate: De gewichten worden bijgewerkt met behulp van de berekende gradiënten. De leersnelheid, een hyperparameter, bepaalt de stapgrootte voor het bijwerken van de gewichten. De update-regel wordt meestal gegeven door:
  w_nieuw = w_oud – η ∂L/∂w
  waarbij η de leersnelheid is en ∂L/∂w de gradiënt van het verlies (L) ten opzichte van het gewicht (w).

4. Iteratie

• Herhalen: Stappen 1 tot 3 worden herhaald voor een vooraf bepaald aantal epochs of totdat het verlies een acceptabele drempel bereikt.

Een Neuraal Netwerk Trainen met Backpropagatie

Het trainen van een neuraal netwerk omvat verschillende belangrijke stappen:

1. Gegevensvoorbereiding

• Dataset: Verzamel en preprocess de dataset.
• Normalisatie: Normaliseer de gegevens zodat alle invoerkenmerken op dezelfde schaal liggen.

2. Modelinitialisatie

• Architectuur: Definieer de architectuur van het neurale netwerk, inclusief het aantal lagen en neuronen.
• Gewichtinitialisatie: Initialiseer de gewichten, vaak met kleine willekeurige waarden.

3. Trainingslus

• Voorwaartse Pass: Bereken de output van het netwerk.
• Verliesberekening: Bereken het verlies tussen de voorspelde en werkelijke uitgangen.
• Achterwaartse Pass: Bereken de gradiënten van het verlies ten opzichte van elk gewicht.
• Gewichtsupdate: Werk de gewichten bij met behulp van de gradiënten en de leersnelheid.
• Epoch: Herhaal het proces voor meerdere epochs om de gewichten te verfijnen.

4. Evaluatie

• Validatie: Test het getrainde model op een aparte validatieset om de prestaties te beoordelen.
• Aanpassingen: Stel hyperparameters zoals leersnelheid, batchgrootte en aantal epochs bij op basis van de validatieresultaten.

Principes van Backpropagatie

• Kettingregel: Het kernwiskundige principe dat het mogelijk maakt gradiënten te berekenen in een meerlaags netwerk.
• Gradient Descent: Een optimalisatie-algoritme dat wordt gebruikt om de verliesfunctie te minimaliseren.
• Leersnelheid: Een hyperparameter die bepaalt hoeveel het model wordt aangepast aan de hand van de geschatte fout bij elke gewichtsupdate.

Bronnen:

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