Réseau de neurones artificiels

Vue d'ensemble

Il y a deux façons de concevoir un réseau de neurones. La première est comme un cerveau humain. La seconde est comme une équation mathématique.

Un réseau commence par une entrée, un peu comme un organe sensoriel. L'information circule ensuite à travers des couches de neurones, où chaque neurone est connecté à de nombreux autres neurones. Si un neurone particulier reçoit suffisamment de stimuli, il envoie un message à n'importe quel autre neurone auquel il est connecté par son axone. De même, un réseau neuronal artificiel possède une couche d'entrée de données, une ou plusieurs couches cachées de classificateurs, et une couche de sortie. Chaque nœud de chaque couche cachée est connecté à un nœud de la couche suivante. Lorsqu'un nœud reçoit des informations, il en envoie une certaine quantité aux nœuds auxquels il est connecté. Cette quantité est déterminée par une fonction mathématique appelée fonction d'activation, telle que sigmoïde ou tanh.

Si l'on considère un réseau de neurones comme une équation mathématique, un réseau de neurones est simplement une liste d'opérations mathématiques à appliquer à une entrée. L'entrée et la sortie de chaque opération est un tenseur (ou plus précisément un vecteur ou une matrice). Chaque paire de couches est reliée par une liste de poids. Plusieurs tenseurs sont stockés dans chaque couche. Un tenseur individuel dans une couche est appelé un nœud. Chaque nœud est relié à certains ou à tous les nœuds de la couche suivante par un poids. Chaque nœud possède également une liste de valeurs appelées biais. La valeur de chaque couche est alors le résultat de la fonction d'activation des valeurs de la couche actuelle (appelée X) multipliée par les poids.

A c t i v a t i o n ( W ( e i g h t s ) ∗ X + b ( i a s ) ) Activation du style d'affichage(W(eights)*X+b(ias))}

Une fonction de coût est définie pour le réseau. La fonction de perte tente d'estimer la performance du réseau de neurones à la tâche qui lui est assignée. Enfin, une technique d'optimisation est appliquée pour minimiser la production de la fonction de coût en modifiant les poids et les biais du réseau. Ce processus s'appelle la formation. L'entraînement se fait petit à petit. Après des milliers d'étapes, le réseau est généralement capable d'accomplir la tâche qui lui a été assignée.

Exemple

Envisagez un programme qui vérifie si une personne est vivante. Si une personne a un pouls ou respire, le programme indique "vivant", sinon, il indique "mort". Dans un programme qui n'apprend pas avec le temps, cela s'écrirait comme suit

Un réseau de neurones très simple, constitué d'un seul neurone qui résout le même problème, ressemblera à ceci :

Les valeurs du pouls, de la respiration et de la vie seront soit 0 soit 1, ce qui représente le faux et le vrai. Ainsi, si ce neurone reçoit les valeurs (0,1), (1,0) ou (1,1), il devrait produire 1, et si on lui donne (0,0), il devrait produire 0. Le neurone fait cela en appliquant une simple opération mathématique à l'entrée - il ajoute toutes les valeurs qui lui ont été données ensemble, puis ajoute sa propre valeur cachée, ce qu'on appelle un "biais". Pour commencer, cette valeur cachée est aléatoire, et nous l'ajustons au fil du temps si le neurone ne nous donne pas le résultat souhaité.

Si nous additionnons des valeurs telles que (1,1), nous pourrions nous retrouver avec des chiffres supérieurs à 1, mais nous voulons que notre résultat soit compris entre 0 et 1 ! Pour résoudre ce problème, nous pouvons appliquer une fonction qui limite notre sortie réelle à 0 ou 1, même si le résultat des mathématiques du neurone n'était pas dans la fourchette. Dans les réseaux neuronaux plus complexes, nous appliquons une fonction (comme le sigmoïde) au neurone, de sorte que sa valeur soit comprise entre 0 ou 1 (comme 0,66), puis nous transmettons cette valeur au neurone suivant jusqu'à ce que nous ayons besoin de notre sortie.

Méthodes d'apprentissage

Un réseau neuronal peut apprendre de trois manières : apprentissage supervisé, apprentissage non supervisé et apprentissage par renforcement. Ces méthodes fonctionnent toutes en minimisant ou en maximisant une fonction de coût, mais chacune est meilleure pour certaines tâches.

Récemment, une équipe de recherche de l'université du Hertfordshire, au Royaume-Uni, a utilisé l'apprentissage par renforcement pour faire en sorte qu'un robot humanoïde iCub apprenne à dire des mots simples en babillant.