موضوع مقاله: شبکه عصبی پیشخور | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # شبکه عصبی پیشخور | مقدمه: در واقع اطلاعات باشروع از گره (نورون)های ورودی و گذر از لایه‌های پنهان (درصورت وجود) به سمت گره‌های خروجی می‌روند. | ## بخش 1: شبکه عصبی پیشخور | خصوصیت اصلی مدل نورون طراحی شده این بود که مجموع سیگنال‌های ورودی وزن دار شده را با یک مقدار آستانه مقایسه می‌کرد و به این ترتیب در مورد خروجی تصمیم‌گیری می‌نمود. این نورون در صورتی که مجموع وزن‌دار شده سیگنال‌ها، کمتر از آستانه بود، خروجی صفر و در غیر اینصورت مقدار ۱ را به عنوان خروجی تولید می‌کرد. آن‌ها قصد داشتند، نشان دهند، یک نورون با چنین خصوصیاتی قادر به محاسبه هر تابع ریاضی یا منطقی می‌باشد. در اواخر دهه ۱۹۵۰ میلادی، فرانک روزنبلات و چندین محقق دیگر، یک کلاس از شبکه‌های عصبی تحت عنوان شبکه‌های عصبی پرسپترون معرفی کردند. روزنبلات ثابت کرد که قاعده یادگیری طراحی شده توسط او در آموزش شبکه‌های پرسپترون همواره به وزن‌های صحیحی همگرا می‌شود. روند یادگیری ساده و خودکار بود، همچنین شبکه‌های پرسپترون حتی با شروع از مقادیر تصادفی وزن‌ها و بایاس‌ها قادر به یادگیری و حل مسئله می‌باشند. امروزه شبکه‌های پرسپترون دارای اهمیت ویژه‌ای بوده و یک راه‌حل سریع و مطمئن برای حل مسائل طبقه‌بندی شده می‌باشند. قواعد یادگیری در مباحث مربوط به شبکه‌های عصبی، قواعد یادگیری، رویه‌ای برای اصلاح وزن‌ها و بایاس‌ها تعریف می‌کنیم. قاعده یادگیری در راستای آموزش شبکه برای انجام کار خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرد. قواعد یادگیری به سه بخش عمده تقسیم‌بندی می‌شوند:قاعده یادگیری با نظارت، قاعده یادگیری بی نظارت و قاعده یادگیری تقویتی. در "'قاعده یادگیری با نظارت"' از مجموعه‌ای از نمونه‌های آموزشی استفاده می‌کنیم که شبکه را آموزش می‌دهند. زوج‌های مرتب زیر را در نظر بگیرید: در هر زوج مرتب، ، ورودی شبکه و به عنوان خروجی یا هدف مورد نظر شناخته می‌شود. سپس بر طبق قواعد یادگیری برای تنظیم وزن‌ها و بایاس‌ها تغییرات لازم اعمال می‌گردد تا خروجی شبکه به هدف مورد نظر نزدیک تر شود. در "' قاعده یادگیری بی نظارت"' وزن‌ها و بایاس‌ها تنها در مقابل ورودی شبکه اصلاح می‌شوند و در واقع هیچ هدفی وجود ندارد. "'قاعده یادگیری تقویتی"' بر رفتارهایی تمرکز دارد که ماشین باید برای بیشینه کردن پاداشش انجام دهد. | ## بخش 2: شبکه عصبی پیشخور | این نوع یادگیری در شبکه‌های پرسپترون و یادگیری بدون نظارت در شبکه پرسپترون کاربردی ندارند و توضیح بیشتر در مورد آنان از حوصله بحث خارج است. به عنوان مثال در مسئله رگرسیون تابع هزینه می‌تواند اختلاف بین پیش‌بینی و مقدار واقعی خروجی به توان دو باشد، یا در مسئله طبقه‌بندی ضرر منفی لگاریتم احتمال خروجی باشد. مشکلی که در یادگیری شبکه‌های عصبی وجود دارد این است که این مسئله بهینه‌سازی دیگر محدب (convex) نیست. روش‌های گرادیان کاهشی سعی می‌کنند به صورت متناوب در خلاف جهت گرادیان حرکت کنند و با این کار تابع هزینه را به حداقل برسانند. گرادیانِ لایه‌های میانی اما به صورت مستقیم بدست نمی‌آید و باید از روش‌هایی مانند قاعده زنجیری در مشتق‌گیری استفاده کرد. روش بازگشت به عقب از قاعده زنجیری برای محاسبه گرادیان‌ها استفاده می‌کند و همان‌طور که در پایین خواهیم دید، این روش به صورت متناوب گرادیان‌ها را از بالاترین لایه شروع کرده آن‌ها را در لایه‌های پایینتر «پخش» می‌کند. برای سلول عصبی ورودیی که از سلول عصبی به این سلول وارد می‌شود را با نشان می‌دهیم. وزن این ورودی است و مجموع ضرب ورودی‌ها با وزنهایشان را با نمایش می‌دهیم، به این معنی که . حال باید بر روی تابعی غیر خطی اعمال کنیم این تابع را می‌نامیم و خروجی آن را با نمایش می‌دهیم یعنی . به همین شکل خروجیی که از سلول عصبی خارج شده و به سلول وارد می‌شود را با نمایش می‌دهیم و وزن آن را می‌نامیم. حال تمام وزن‌های این شبکه عصبی را در مجموعه‌ای به اسم می‌گنجانیم، هدف یادگیری این وزنهاست. اگر ورودی ما باشد و خروجی و خروجی شبکه عصبی ما ، هدف پیدا کردن انتخاب است به قسمی که برای تمام داده‌ها و به هم خیلی نزدیک شوند. به عبارت دیگر هدف کوچک کردن یک تابع هزینه بر روی تمام داده هاست، اگر داده‌ها را با و تابع هزینه را با نشان دهیم هدف کمینه کردن تابع پایین است: به عنوان مثال اگر مسئله رگرسیون است برای می‌توانیم خطای مربعات را در نظر بگیریم و اگر مسئله دسته‌بندی است برای می‌شود منفی لگاریتم بازنمایی را استفاده کرد. برای بدست آوردن کمینه باید از روش گرادیان کاهشی استفاده کرد، به این معنی که گرادیان تابع را حساب کرده، کمی در خلاف جهت آن حرکت کرده و این کار را آنقدر ادامه داد تا تابع هزینه خیلی کوچک شود. قاعده زنجیری به این شکل کار می‌کند: اگر تابعی داشته باشیم به اسم که وابسته به سه ورودی ، و باشد و هرکدام از این سه ورودی به نوبه خود وابسته به باشند، مشتق به به این شکل محاسبه می‌شود: با استفاده از این قاعده زنجیری روش بازگشت به عقب را به این شکل دنبال می‌کنیم: همان‌طور که در خط پیشین دیدیم برای بدست آوردن گرادیان نسبت به به دو مقدار نیاز داریم ورودی به سلول عصبی از سلول عصبی که همان است و راحت بدست می‌آید و که از روش بازگشتی بدست می‌آید و بستگی به ‌هایی لایه بعد دارد که سلول به آن‌ها وصل است، به‌طور دقیقتر . | ## بخش 3: شبکه عصبی پیشخور | روش بازگشتی برای بدست آوردن ‌ها به این شکل کار می‌کند که ابتدا را برای سلول‌های لایه خروجی حساب می‌کنیم، و بعد لایه‌ها را به نوبت پایین آئیم و برای هر سلول آن را با ترکیت ‌های لایه‌های بالایی آن طبق فرمول حساب می‌کنیم. پرسپترون تک لایه ساده‌ترین نوع شبکه عصبی است، که از یک لایه از نورون‌های خروجی تشکیل شده‌است. ورودی‌های این شبکه به وسیله یک آرایه از وزن‌ها به صورت مستقیم به خروجی‌ها نسبت داده می‌شوند. اگر مقدار مجموع محاسبه شده در بالا برای هر نورون بالاتر از یک مقدار آستانه باشد (به‌طور معمول ۰)، نورون فعال شده و مقدار فعال (به‌طور معمول ۱) را می‌پذیرد، در غیر این صورت مقدار غیرفعال (به‌طور معمول -۱) را می‌پذیرد. به نورون‌های با تابع فعال سازی از نوع بالا را نورون‌های مصنوعی یا واحدهای آستانه خطی می‌گوییم. یک پرسپترون را می‌توان با استفاده از هر مقداری برای حالات فعال و غیرفعال، تا زمانی که مقدار آستانه بین دو مقدار قرار دارد، ساخت. شبکه‌های دارای ساختار بالا را با سرعت بیشتری نسبت به شبکه‌های متشکل از نورون‌های دارای مقادیر مختلف فعال و غیرفعال، می‌توان آموزش داد. پرسپترون‌ها را می‌توان با یک الگوریتم یادگیری ساده که معمولاً به نام قانون دلتا آن را می‌شناسند، آموزش داد. این الگوریتم خطاهای میان خروجی محاسبه شده و خروجی نمونه را محاسبه کرده و از آن برای بروزرسانی مقادیر وزن‌ها استفاده می‌کند. در سال ۱۹۶۹ در یک مقاله-که بعداً تبدیل به کتاب شد- معروف تحت عنوان «پرسپترون‌ها»، ماروین مینسکی و سیمور پاپرت، نشان دادند که برای یک شبکه پرسپترون تک‌لایه یادگیری تابع بولی XOR غیرممکن است. با این وجود، می‌دانیم است که پرسپترون‌های چند لایه قادر به تولید هر گونه تابع بولی می‌باشند. اگر چه یک واحد آستانه کاملاً محدود به قدرت محاسباتی خود می‌باشد، اثبات شده‌است که شبکه‌هایی از واحدهای آستانه موازی می‌توانند هر تابع پیوسته از بازه فشرده اعداد حقیقی به بازه [-۱٬۱]. این نتیجه توسط پیتر آور، هارولد برگستینر و ولفگانگ ماس در مقاله‌ای در مورد قوانین و الگوریتم‌های یادگیری با عنوان بدست آمده‌است. شبکه عصبی چند لایه می‌تواند یک خروجی پیوسته را به جای یک تابع پله‌ای محاسبه کند. یک انتخاب رایج که تابع لجستیک (منطقی) نامیده می‌شود برابر است با: تابع لجیستیک (منطقی) با نام تابع سیگموئید نیز شناخته می‌شود. | ## جمع‌بندی | ضابطه این تابع، دارای مشتق پیوسته و همچنین ضابطه مشتق آن بر حسب خود تابع بدست می‌آید.