← Zpět na přehledROZ / 09
VýkladS komentářem
ROZ 09 · Výklad s komentářem

Neuronové sítě jako model

Rozpoznávání obrazců IX · Michal Haindl · podklady 2023–2024.

Od biologické inspirace přejdeme k matematickému neuronu, aktivacím, grafu sítě, zpětné vazbě a reprezentaci. Historické soudy podkladu neprezentujeme jako dnešní měření.

x₁x₂x₃Σ + bfy
Nově kreslené schéma GRAFIT · ilustrační konstrukce.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 1

ROZ 09 · Výklad s komentářem

Biologická inspirace a její meze

Biologický neuron, synapse a výpočetní jednotka nejsou zaměnitelné objekty. Umělá síť je účelový model; její úspěch nevyžaduje věrnou simulaci celého mozku.

Podklad připomíná vývoj od logických neuronů přes perceptron k rekurentním a hlubokým sítím. Staré energetické a kapacitní odhady závisí na definici operace a způsobu měření; nepřebíráme je jako aktuální srovnání.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 1, 2, 3, 4

ROZ 09 · Výklad s komentářem

Symbolické systémy a naučené reprezentace

Expertní systém pracuje s explicitními znalostmi a pravidly. Síť přizpůsobuje parametry podle dat. Rozdíl je v reprezentaci a procesu učení, ne v jednoduchém dělení na logiku a inteligenci.

Historické příklady zahrnují ART, LVQ, asociativní paměti, klasifikaci i optimalizaci. Symbolické a numerické postupy lze kombinovat.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 4, 5, 6

ROZ 09 · Výklad s komentářem

Vážený součet, bias a aktivace

Neuron vypočte afinní kombinaci vstupů a poté aktivační funkci. Bias posune přechod; pokud používáme práh θ, odpovídá biasu b=−θ.

Konstantní vstup 1 s vahou b umožní bias zahrnout do rozšířeného vektoru. Pečlivě odlišujeme znaménka prahu a biasu.

z=w⊤x+b
y=f(z)
x₁x₂x₃Σ + bfy
Nově kreslené schéma GRAFIT · ilustrační konstrukce.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 6, 7

ROZ 09 · Výklad s komentářem

Práh, sigmoid a tanh

Skoková funkce dává tvrdé rozhodnutí, sigmoid hladký přechod mezi 0 a 1. Tanh je symetrický kolem nuly.

Saturace malých derivací může ztížit přenos gradientu. Hodnota sigmoidového výstupu není automaticky kalibrovaná pravděpodobnost.

σ(z)=11+e−z
σ′(z)=σ(z)(1−σ(z))
tanh′(z)=1−tanh2(z)

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 7, 8

ROZ 09 · Výklad s komentářem

ReLU a její varianty

ReLU zachová kladnou část a zápornou vynuluje. Leaky ReLU ponechá v záporné části malý sklon; parametrická varianta se tento sklon učí.

Nespojitá derivace v nule neznamená, že funkce je nespojitá. Hard tanh výstup omezí mezi −1 a 1.

ReLU(z)=max(0,z)
LeakyReLU(z)=max(αz,z)
0<α<1

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 9

ROZ 09 · Výklad s komentářem

Hladké aktivační funkce

Swish násobí vstup sigmoidovou bránou, GELU vstup distribuční funkcí standardní normály. Softplus je hladká aproximace kladné části.

CELU, SELU, Mish a TanhExp mění růst a saturaci. Srovnání má používat stejný protokol učení a uvést volné parametry; samotná hladkost nezaručí nejlepší výkon.

Swish(z)=zσ(βz)
GELU(z)=zΦ(z)
softplus(z)=log(1+ez)

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 10, 11

ROZ 09 · Výklad s komentářem

Další aktivace a meze závěrů

Polynomiální, sinusové a erf aktivace přinášejí odlišnou spektrální a růstovou charakteristiku. Volba souvisí s úlohou i normalizací vstupu.

Podklad odkazuje na experiment s modelováním BRDF z roku 2023. Jeho výsledek není univerzální důkaz převahy jedné aktivace. Teoretické limity nekonečné šířky či hloubky vyžadují konkrétní předpoklady.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 12, 13

ROZ 09 · Výklad s komentářem

Síť je orientovaný výpočetní graf

Hrany přenášejí vážené signály, uzel je sčítá a aplikuje vlastní transformaci. Rozvětvení kopíruje signál do více navazujících výpočtů.

Nelineární vrstvy umožňují složité mapování. Čistě lineární vrstvy bez nelinearity lze složit do jediné lineární transformace.

h(l+1)=fl(Wlh(l)+bl)
Nově kreslené schéma GRAFIT · ilustrační konstrukce.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 13, 14, 15

ROZ 09 · Výklad s komentářem

Zpětná vazba a stabilita

Rekurentní síť vrací minulý stav do dalšího kroku. U lineárního skalárního příkladu hₜ=a hₜ₋₁+uₜ bez vstupu stav násobíme v každém kroku a.

Podmínka |a|<1 znamená odeznívání počátečního stavu. Při |a|=1 může stav přetrvávat nebo oscilovat, takže tvrzení o automatické divergenci na celé hranici by bylo příliš silné.

ht=ath0+∑j=1tat−juj

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 15

ROZ 09 · Výklad s komentářem

Architektura určuje povolené vazby

Dopředná síť nemá cykly, rekurentní má stav nebo zpětné vazby. Plně propojené a lokální vrstvy používají jiné sdílení parametrů a předpoklady.

DenseNet využívá dopředná propojení mezi vrstvami; nepropojuje libovolně všechny vrstvy v obou směrech. Siamská síť používá sdílený převod dvou vstupů a následné porovnání.

Nově kreslené schéma GRAFIT · ilustrační konstrukce.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 16, 17, 18

ROZ 09 · Výklad s komentářem

Generátor a diskriminátor

GAN společně trénuje generátor syntetických dat a diskriminátor odlišující jejich rozdělení od reálných dat. Obě části se mění, takže se mění i učení protistrany.

Vizuálně přesvědčivý výstup není důkazem stejného rozdělení ani vědeckým měřením. Režimy kolapsu a kvalita generování vyžadují vlastní hodnocení.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 18

ROZ 09 · Výklad s komentářem

Otevřené problémy a volba kapacity

Přenos mimo trénovací rozdělení, předsudky, zapomínání, vysvětlitelnost a náklady jsou samostatné osy hodnocení. Číselná tvrzení o energii či úspěšnosti z původních slajdů jsou dobově podmíněná.

Síť lze zmenšovat prořezáváním nebo postupně rozšiřovat. Více neuronů automaticky neznamená ani lepší výkon, ani nevyhnutelné selhání. Kapacitu, regularizaci a učení ověřujeme validací.

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 19, 20

ROZ 09 · Výklad s komentářem

Co má reprezentace zachovat

Užitečná reprezentace přibližuje relevantně podobné případy a odděluje různé třídy. Předem známou symetrii můžeme vložit do architektury nebo podpořit augmentací.

Symetrická matice vah sama nezaručuje rotační invarianci. Musíme přesně popsat transformaci vstupu a požadovanou invarianci nebo ekvivarianci výstupu.

f(Tx)=f(x)(invariance)
f(Tx)=T′f(x)(ekvivariance)

Michal Haindl · podklad 2023–2024 · tematický přepis GRAFIT. Zdrojové PDF · strany 21

ROZ 09 · Interaktivní doplněk GRAFIT

Jeden sigmoidální neuron

Vyzkoušejte · doplněk GRAFIT

Konstruovaný didaktický model. Měňte vstupy a sledujte výpočet; nejde o naměřený výkon ani plný učící algoritmus.

ROZ 09 · Řešený příklad · doplněk GRAFIT

Jediný sigmoidální neuron

Pro x = 2, w = 1 a b = −1 je z = 1 a σ(z) = 1/(1+e⁻¹) ≈ 0,731. Toto číslo lze chápat jako pravděpodobnost jen při odpovídajícím modelu a výcviku; samotná sigmoidální funkce kalibraci nezaručuje.

Hodnota aktivace není automaticky spolehlivá pravděpodobnost. Hodnocení vyžaduje nezávislá data, vhodnou ztrátu a případně kontrolu kalibrace.

ROZ 09 · Ověření porozumění · doplněk GRAFIT

Zkuste si odpovědět

Získáme nelineární hranici pouhým skládáním afinních vrstev bez nelinearity?

Zobrazit vysvětlení

Ne. Složením afinních transformací dostaneme opět afinní transformaci.

ROZ 09 · Shrnutí souvislostí · komentář GRAFIT

Neuron je funkce

Základní jednotka nejprve počítá z = wᵀx + b a poté aktivaci y = φ(z). Váhy a bias jsou parametry. Biologická inspirace není tvrzení, že tento model věrně simuluje biologický neuron.

ROZ 09 · Shrnutí souvislostí · komentář GRAFIT

Proč nelinearita

Složení čistě lineárních a afinních vrstev je opět afinní transformace. Nelineární aktivace umožňují bohatší rozhodovací funkce. Zvolená aktivace ovlivňuje i průchod gradientu.

ROZ 09 · Shrnutí souvislostí · komentář GRAFIT

Gradient není rozhodnutí

Zpětné šíření efektivně počítá derivace složené funkce. Optimalizátor je používá k úpravě parametrů. Ztráta a rychlost učení určují optimalizační úlohu; ani dlouhé trénování samo nezaručí dobré zobecnění.

ROZ 09 · Shrnutí souvislostí · komentář GRAFIT

Architektura přináší předpoklady

Konvoluce využívá sdílení vah a lokální strukturu, rekurence návaznost kroků. Různé architektury odpovídají různým předpokladům. Počet parametrů není sám o sobě důkazem kvality.

ROZ 09 · Provenience

Podklady a způsob zpracování

Autor původních podkladů: Michal Haindl, FIT ČVUT / ÚTIA AV ČR, 2023–2024. Český tematický přepis, vysázení a didaktické doplňky: GRAFIT, 2026.

Tato verze slučuje postupná odhalení a vysvětluje témata vlastními větami. Není doslovnou reprodukcí každé původní tabulky ani náhradou aktuálních organizačních pokynů. Zdrojové PDF zůstává beze změny; žádný původní snímek zde není vložen jako obrázek.

Stáhnout původní PDFAutorský zdrojMapa témat a SHA-256

Obsah přednášky

Moje poznámky

Ukládají se jen v tomto prohlížeči.