Антология машинного обучения. Важнейшие исследования в области ИИ за последние 60 лет - Терренс Дж. Сейновски

Когда я впервые встретил его в 1979 году на семинаре, организованном Джеффри Хинтоном в Калифорнийском университете в Сан-Диего, Румельхарт был одним из первых, кто использовал новый подход к психологии человека, который он вместе с Джеем Макклелландом назвали параллельной распределенной обработкой (Parallel Distributed Processing; PDP). Румельхарт мыслил глубоко и часто делал проницательные замечания.

Алгоритм обучения машины Больцмана доказуемо мог изучить проблемы, требующие скрытых элементов, показывая, что, вопреки мнению Минского и Пейперта, а также большей части научного мира, возможно обучить многослойную сеть и преодолеть ограничения перцептрона. При этом не ставилось никаких ограничений ни на количество слоев в сети, ни на связи внутри слоя. Казалось, прогрессу нет предела, но была одна проблема: при моделировании достижение равновесия и сбор статистики становились все медленнее, а сетям покрупнее требовалось гораздо больше времени, чтобы сбалансироваться.

Блок 5. Обратное распространение ошибки

В сети с обратным распространением ошибки входные данные передаются с прямой связью: слева на схеме входные элементы распространяются вперед через соединительные узлы (указаны стрелками) к скрытому слою элементов, которые, в свою очередь, проецируются на выходной слой. Выходные данные сравниваются со значением, заданным учителем, и разница используется для обновления веса в выходном блоке, чтобы снизить вероятность ошибки. Затем веса между входными блоками и скрытым слоем обновляются на основе обратного распространения ошибки, исходя из того, насколько каждый вес влияет на ошибку. Обучаясь на множестве примеров, скрытые элементы совершенствуют избирательные свойства, которые используются, чтобы различать разнообразные входные данные и разделять их на категории в выходном слое. Это называется обучением представлениям.

В принципе, можно построить массово-параллельный компьютер, который намного быстрее, чем традиционная архитектура фон Неймана, выполняющая одно обновление за раз. Это путь, по которому пошла природа. В 1980-х мы использовали цифровые компьютеры, которые могли выполнять только около миллиона операций в секунду. Сегодня компьютеры выполняют миллиарды операций в секунду, а благодаря соединению тысяч ядер высокопроизводительные компьютеры работают в миллион раз быстрее. Такой рост беспрецедентен в технологиях. Стал ли ваш автомобиль в миллион раз мощнее, чем машины из 1980-х?

США поставили на Манхэттенский проект два миллиарда долларов без каких-либо гарантий, что атомная бомба получится, и строжайшей тайной было то, что она получилась. Как только стало известно, что многослойные сети можно обучать с помощью машины Больцмана, произошел взрыв новых обучающих алгоритмов. В то же время, когда мы с Джеффри Хинтоном работали над машиной Больцмана, Румельхарт разработал другой алгоритм обучения для многослойных сетей, который оказался более продуктивным[179].

Оптимизация

Оптимизация – ключевое математическое понятие в машинном обучении. Для многих задач можно найти функцию стоимости, решение которой – состояние системы с наименьшими затратами. Для сети Хопфилда функция стоимости – это энергия, как описано в главе 6, и цель – найти состояние сети с наименьшим расходом энергии. Для сети прямого распространения функция стоимости обучения – сумма квадрата ошибок выходного слоя обучающего набора. Градиентный спуск – общая процедура, которая минимизирует функцию стоимости, внося дополнительные изменения в веса в сетях в направлении наибольшего снижения стоимости[180]. Представьте функцию стоимости в виде горного хребта, а градиентный спуск – в виде лыжни, по которой вы спускаетесь вниз по склону.

Румельхарт обнаружил, как вычислить градиент для каждого веса в сети с помощью процесса, называемого обратным распространением ошибок (блок 5). Начиная с выходного слоя, где известна ошибка, легко вычислить градиент от входных весов к выходным элементам. Следующим шагом было использование градиентов выходного слоя для вычисления градиентов на предыдущем слое весов, и так далее слой за слоем вплоть до входного. Это очень эффективный способ вычисления градиентов ошибки.

Хотя у метода обратного распространения ошибки нет такой же элегантности и глубоких корней в физике, как у алгоритма машинного обучения Больцмана, он более эффективен и значительно ускорил прогресс. Статья об этом за авторством Румельхарта, Хинтона и Рона Уильямса была опубликована в журнале Nature в 1986 году[181], и с тех пор ее процитировали более 25 тысяч раз в других научных работах. Статья, процитированная сто раз, играет большую роль в своей области, а статья об обратном распространении ошибки стала бестселлером.

NETtalk

В 1984 году я посетил Принстонский университет и послушал выступление студента магистратуры Чарльза Розенберга о машине Больцмана. Обычно я выступал с этим докладом, и я был впечатлен. Он спросил, может ли приехать в мою лабораторию для работы над летним проектом. К тому времени как Розенберг прибыл в Балтимор, мы переключились на изучение метода обратного распространения ошибки, что позволило нам думать о работе над реальной задачей, а не над демонстрационными моделями, над которыми я трудился ранее. Розенберг был учеником прославленного лингвиста Джорджа Миллера, поэтому мы искали оптимальное решение в языке, которое не было настолько сложным, чтобы нельзя было продвинуться вперед, но и не настолько легким, чтобы известные методы могли решить эту проблему. Лингвистика – широкая отрасль со множеством ответвлений. Фонология – раздел лингвистики, изучающий произношение слов. Синтаксис – объединение слов в фразы. Семантика – значение слов и предложений. Прагматика – влияние контекста на смысл речи. Мы решили начать с фонологии и продвигаться вверх.

Произношение в английском языке довольно трудное, поскольку в нем сложные правила с большим количеством исключений. Например, гласные долгие, если в конце слова есть буква е (gave, brave), однако слово have не подчиняется этому правилу. Я пошел в библиотеку и взял книгу с сотнями страниц правил и исключений, составленными фонологами. Часто были правила в исключениях и исключения из исключений. Короче, у лингвистов были правила на все случаи[182]. Гораздо хуже, что не все произносят слова одинаково. Существует множество диалектов, в каждом из которых свой набор правил.

Джеффри Хинтон посетил меня в Университете Хопкинса на этапе раннего планирования проекта и сказал нам, что, по его мнению, произношение слишком сложно. В итоге мы снизили планку и взяли книгу для детей, которые только учатся читать, где была всего сотня слов. Сеть, которую мы создали, имела окно, рассчитанное на 7 букв, каждая из ячеек была представлена 29 элементами, включая пробелы и знаки пунктуации. В итоге получилось 203 единицы входных сигналов. Входные блоки были соединены с 80 скрытыми блоками, а скрытые блоки спроецированы на 26 выходных единиц, по одной для каждого из простых звуков, называемых фонемами, которые существуют в английском языке[183]. Сеть содержала 18 629 весов (рис. 8.2),