Нихиль Будума - Основы глубокого обучения

Мы не требуем ссылок, но будем благодарны за них. Ссылка обычно включает название, автора и издательство. Например: Fundamentals of Deep Learning by Nikhil Buduma and Nicholas Locascio (O’Reilly). Copyright 2017 Nikhil Buduma and Nicholas Locascio.

Если вам кажется, что использование вами образцов кода выходит за установленные выше рамки, свяжитесь с нами по электронной почте permissions@oreilly.com.

Мозг — самый невероятный орган. Именно он определяет, как мы воспринимаем всё, что видим, слышим, обоняем, пробуем на вкус и осязаем. Он позволяет хранить воспоминания, испытывать эмоции и даже мечтать. Без мозга мы были бы примитивными организмами, способными лишь на простейшие рефлексы. В целом он делает человека разумным.

Мозг ребенка весит меньше полукилограмма, но как-то решает задачи, пока недоступные даже самым большим и мощным компьютерам. Всего через несколько месяцев после рождения дети способны распознавать лица родителей, отделять объекты от фона и даже различать голоса. За первый год у них развивается интуитивное понимание естественной физики, они учатся видеть, где находятся частично или полностью скрытые от них объекты, и ассоциировать звуки с их значениями. Уже в раннем возрасте они на высоком уровне овладевают грамматикой, а в их словаре появляются тысячи слов [1] Kuhn D. et al. Handbook of Child Psychology. Vol. 2. Cognition, Perception, and Language. Wiley, 1998. .

Десятилетиями мы мечтаем о создании разумных машин с таким же мозгом, как у нас: роботов-помощников для уборки в доме; машин, которые управляют собой сами; микроскопов, автоматически выявляющих болезни. Но создание машин с искусственным интеллектом требует решения сложнейших вычислительных задач в истории, которые, однако, наш мозг способен раскусить в доли секунды. Для этого нужно разработать иной способ программирования компьютеров при помощи методов, которые появились в основном в последние десять лет. Это очень активная отрасль в исследованиях искусственного интеллекта, которая получила название глубокого обучения .

Почему некоторые задачи компьютерам решать тяжело? Стандартные программы доказали свою состоятельность в двух областях: 1) они очень быстро ведут вычисления; 2) они неукоснительно следуют инструкциям. Если вы финансист и вам нужно провести сложные математические подсчеты, вам повезло. Типовые программы вам в помощь. Но представьте себе, что нам нужно сделать кое-что поинтереснее: например, написать программу для автоматического распознавания почерка. Возьмем за основу рис. 1.1.

Рис. 1.1. Изображение из массива рукописных данных MNIST [2] LeCun Y., Bottou L., Bengio Y., Haffner P. Gradient-Based Learning Applied to Document Recognition // Proceedings of the IEEE. 1998. November. Vol. 86 (11). Pp. 2278–2324.

Хотя каждая цифра на рисунке слегка отличается от предыдущей, мы легко опознаем в первом ряде нули, во втором — единицы и т. д. Теперь напишем компьютерную программу, которая решит ту же задачу. Какие правила нужно задать, чтобы различать цифры?

Начнем с простого. Например, укажем, что нулю соответствует изображение округлого замкнутого контура. Все примеры с рис. 1.1 Рис. 1.1. Изображение из массива рукописных данных MNIST [2] LeCun Y., Bottou L., Bengio Y., Haffner P. Gradient-Based Learning Applied to Document Recognition // Proceedings of the IEEE. 1998. November. Vol. 86 (11). Pp. 2278–2324. Хотя каждая цифра на рисунке слегка отличается от предыдущей, мы легко опознаем в первом ряде нули, во втором — единицы и т. д. Теперь напишем компьютерную программу, которая решит ту же задачу. Какие правила нужно задать, чтобы различать цифры? Начнем с простого. Например, укажем, что нулю соответствует изображение округлого замкнутого контура. Все примеры с рис. 1.1 , кажется, удовлетворяют этому определению, но таких признаков недостаточно. Что, если у кого-то ноль — не всегда замкнутая фигура? И как отличить такой ноль (см. рис. 1.2) от шестерки? Рис. 1.2. Ноль, алгоритмически трудноотличимый от шестерки Можно задать рамки расстояния между началом и концом петли, но не очень понятно какие. И это только начало проблем. Как различить тройки и пятерки? Четверки и девятки? Можно добавлять правила, или признаки , после тщательных наблюдений и месяцев проб и ошибок, но понятно одно: процесс будет нелегок. Многие другие классы задач попадают в ту же категорию: распознавание объектов и речи, автоматический перевод и т. д. Мы не знаем, какие программы писать для них, потому что не понимаем, как с этим справляется наш мозг. А если бы и знали, такая программа была бы невероятно сложной. , кажется, удовлетворяют этому определению, но таких признаков недостаточно. Что, если у кого-то ноль — не всегда замкнутая фигура? И как отличить такой ноль (см. рис. 1.2) от шестерки?