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Fehler-Rückführung mit der Backpropagation

January 29, 2019/in Artificial Intelligence, Deep Learning, Machine Learning, Main Category, Mathematics, Predictive Analytics/by Benjamin Aunkofer

Dies ist Artikel 4 von 6 der Artikelserie –Einstieg in Deep Learning.

Das Gradienten(abstiegs)verfahren ist der Schlüssel zum Training einzelner Neuronen bzw. deren Gewichtungen zu den Neuronen der vorherigen Schicht. Wer dieses Prinzip verstanden hat, hat bereits die halbe Miete zum Verständnis des Trainings von künstlichen neuronalen Netzen.

Der Gradientenabstieg wird häufig fälschlicherweise mit der Backpropagation gleichgesetzt, jedoch ist das nicht ganz richtig, denn die Backpropagation ist mehr als die Anwendung des Gradientenabstiegs.

Bevor wir die Backpropagation erläutern, nochmal kurz zurück zur Forward-Propagation, die die eigentliche Prädiktion über ein künstliches neuronales Netz darstellt:

Forward-Propagation

Abbildung 1: Ein simples kleines künstliches neuronales Netz mit zwei Schichten (+ Eingabeschicht) und zwei Neuronen pro Schicht.

In einem kleinen künstlichen neuronalen Netz, wie es in der Abbildung 1 dargestellt ist, und das alle Neuronen über die Sigmoid-Funktion aktiviert, wird jedes Neuron eine Nettoeingabe $z$ berechnen…

$z = w^{T} \cdot x$

… und diese Nettoeingabe in die Sigmoid-Funktion einspeisen…

$\phi(z) = sigmoid(z) = \frac{1}{1 + e^{-z}}$

… die dann das einzelne Neuron aktiviert. Die Aktivierung erfolgt also in der mittleren Schicht (N-Schicht) wie folgt:

$N_{j} = \frac{1}{1 + e^{- \sum (w_{ij} \cdot x_{i}) }}$

Die beiden Aktivierungsausgaben $N$ werden dann als Berechnungsgrundlage für die Ausgaben der Ausgabeschicht $o$ verwendet. Auch die Ausgabe-Neuronen berechnen ihre jeweilige Nettoeingabe $z$ und aktivieren über Sigmoid( $z$ ).

Ausgabe eines Ausgabeknotens als Funktion der Eingänge und der Verknüpfungsgewichte für ein dreischichtiges neuronales Netz, mit nur zwei Knoten je Schicht, kann also wie folgt zusammen gefasst werden:

$O_{k} = \frac{1}{1 + e^{- \sum (w_{jk} \cdot \frac{1}{1 + e^{- \sum (w_{ij} \cdot x_{i}) }}) }}$

Abbildung 2: Forward-Propagation. Aktivierung via Sigmoid-Funktion.

Sollte dies die erste Forward-Propagation gewesen sein, wird der Output noch nicht auf den Input abgestimmt sein. Diese Abstimmung erfolgt in Form der Gewichtsanpassung im Training des neuronalen Netzes, über die zuvor erwähnte Gradientenmethode. Die Gradientenmethode ist jedoch von einem Fehler abhängig. Diesen Fehler zu bestimmen und durch das Netz zurück zu führen, das ist die Backpropagation.

Back-Propagation

Um die Gewichte entgegen des Fehlers anpassen zu können, benötigen wir einen möglichst exakten Fehler als Eingabe. Der Fehler berechnet sich an der Ausgabeschicht über eine Fehlerfunktion (Loss Function), beispielsweise über den MSE (Mean Squared Error) oder über die sogenannte Kreuzentropie (Cross Entropy). Lassen wir es in diesem Beispiel einfach bei einem simplen Vergleich zwischen dem realen Wert (Sollwert $o_{real}$ ) und der Prädiktion (Ausgabe $o$ ) bleiben:

$e_{o} = o_{real} - o$

Der Fehler $e$ ist also einfach der Unterschied zwischen dem Ziel-Wert und der Prädiktion. Jedes Training ist eine Wiederholung von Prädiktion (Forward) und Gewichtsanpassung (Back). Im ersten Schritt werden üblicherweise die Gewichtungen zufällig gesetzt, jede Gewichtung unterschiedlich nach Zufallszahl. So ist die Wahrscheinlichkeit, gleich zu Beginn die “richtigen” Gewichtungen gefunden zu haben auch bei kleinen neuronalen Netzen verschwindend gering. Der Fehler wird also groß sein und kann über den Gradientenabstieg durch Gewichtsanpassung verkleinert werden.

In diesem Beispiel berechnen wir die Fehler $e_{1}$ und $e_{2}$ und passen danach die Gewichte $w_{j,k}$ ( $w_{1,1}$ & $w_{2,1}$ und $w_{1,2}$ & $w_{2,2}$ ) der Schicht zwischen dem Hidden-Layer $N$ und dem Output-Layer $o$ an.

Abbildung 3: Anpassung der Gewichtungen basierend auf dem Fehler in der Ausgabe-Schicht.

Die Frage ist nun, wie die Gewichte zwischen dem Input-Layer $X$ und dem Hidden-Layer $N$ anzupassen sind. Es stellt sich die Frage, welchen Einfluss diese auf die Fehler in der Ausgabe-Schicht haben?

Um diese Gewichtungen anpassen zu können, benötigen wir den Fehler-Anteil der beiden Neuronen $N_{1}$ und $N_{2}$ . Dieser Anteil am Fehler der jeweiligen Neuronen ergibt sich direkt aus den Gewichtungen $w_{j,k}$ zum Output-Layer:

$e_{N_{1}} = e_{o1} \cdot \frac{w_{1,1}}{w_{1,1} + w_{1,2}} + e_{o2} \cdot \frac{w_{1,2}}{w_{1,1} + w_{1,2}}$

$e_{N_{2}} = e_{o1} \cdot \frac{w_{2,1}}{w_{2,1} + w_{2,2}} + e_{o2} \cdot \frac{w_{2,2}}{w_{2,1} + w_{2,2}}$

Wenn man das nun generalisiert:

$e_{N} = \left(\begin{array}{rr} \frac{w_{1,1}}{w_{1,1} + w_{1,2}} & \frac{w_{1,2}}{w_{1,1} + w_{1,2}} \\ \frac{w_{2,1}}{w_{2,1} + w_{2,2}} & \frac{w_{2,2}}{w_{2,1} + w_{2,2}} \end{array}\right) \cdot \left(\begin{array}{c} e_{1} \\ e_{2} \end{array}\right) \qquad$

Dabei ist es recht aufwändig, die Gewichtungen stets ins Verhältnis zu setzen. Diese Berechnung können wir verkürzen, indem ganz einfach direkt nur die Gewichtungen ohne Relativierung zur Kalkulation des Fehleranteils benutzt werden. Die Relationen bleiben dabei erhalten!

$e_{N} = \left(\begin{array}{rr} w_{1,1} & w_{1,2} \\ w_{2,1} & w_{2,2} \end{array}\right) \cdot \left(\begin{array}{c} e_{1} \\ e_{2} \end{array}\right) \qquad$

Oder folglich in Kurzform: $e_{N} = w^{T} \cdot e_{o}$

Abbildung 4: Vollständige Gewichtsanpassung auf Basis der Fehler in der Ausgabeschicht und der Fehleranteile in der verborgenden Schicht.

Und nun können, basierend auf den Fehleranteilen der verborgenden Schicht $N$ , die Gewichtungen $w_{i,j}$ zwischen der Eingabe-Schicht $I$ und der verborgenden Schicht $N$ angepasst werden, entgegen dieser Fehler $e_{N}$ .

Die Backpropagation besteht demnach aus zwei Schritten:

Fehler-Berechnung durch Abgleich der Soll-Werte mit den Prädiktionen in der Ausgabeschicht und durch Fehler-Rückführung zu den Neuronen der verborgenden Schichten (Hidden-Layer)
Anpassung der Gewichte entgegen des Gradientenanstiegs der Fehlerfunktion (Loss Function)

Buchempfehlungen

Die folgenden zwei Bücher haben mir sehr beim Verständnis und beim Verständlichmachen der Backpropagation in künstlichen neuronalen Netzen geholfen.


Neuronale Netze selbst programmieren: Ein verständlicher Einstieg mit Python	Deep Learning. Das umfassende Handbuch: Grundlagen, aktuelle Verfahren und Algorithmen, neue Forschungsansätze (mitp Professional)

Maschinelles Lernen: Klassifikation vs Regression

December 20, 2017/in Artificial Intelligence, Business Analytics, Data Mining, Data Science, Deep Learning, Machine Learning, Main Category, Mathematics, Predictive Analytics/by Benjamin Aunkofer

Das ist Artikel 2 von 4 aus der Artikelserie – Was ist eigentlich Machine Learning? Die Unterscheidung zwischen Klassifikation und Regression ist ein wichtiger Schritt für das Verständnis von Predictive Analytics. Nun möchte ich eine Erklärung liefern, die den Unterschied (hoffentlich) deutlich macht.

Regression – Die Vorhersage von stetigen Werten

Wir suchen bei der Regression demnach eine Funktion $y = \beta \cdot x + \alpha$ , die unsere Punktwolke – mit der wir uns zutrauen, Vorhersagen über die abhängige Variable vornehmen zu können – möglichst gut beschreibt. Dabei ist $y$ der Zielwert (abhängige Variable) und $x$ der Eingabewert. Wir arbeiten also in einer zwei-dimensionalen Welt. Variablen, die die Funktion mathematisch definieren, werden oft als griechische Buchstaben darsgestellt. Die Variable $\alpha$ (Alpha) ist der $y$ -Achsenschnitt bei $x = 0$ . Dieser wird als Bias, selten auch als Default-Wert, bezeichnet. Der Bias ist also der Wert, wenn die $x$ -Eingabe gleich Null ist. Eine weitere Variable $\beta$ (Beta) beschreibt die Steigung.

Ferner ist zu beachten, dass sich eine Punktwolke durch eine Gerade nie perfekt beschreiben lässt, und daher für jedes $x_{i}$ ein Fehler $\varepsilon_{i}$ existiert. Diesen Fehler wollen wir in diesem Artikel ignorieren.

In einem zwei-dimensionalen System (eine Eingabe und eine Ausgabe) sprechen wir von einer einfachen Regression. Generalisieren wir die Regressionsmethode auf ein multivariates System (mehr als eine Eingabe-Variable), werden die Variablen in der Regel nicht mehr als griechische Buchstaben (denn auch das griechische Alphabet ist endlich) dargestellt, sondern wir nehmen eines abstrahierende Darstellung über Gewichtungen (weights). Dies ist eine sehr treffende Symbolisierungen, denn sowohl der Bias ( $w_{0}$ statt $\alpha$ ) als auch die Steigungen ( $w_{1\ldots n}$ ) sind nichts anderes als Gewichtungen zwischen den Eingaben.

$y = w_{0} \cdot x_{0} + w_{1} \cdot x_{1} + \ldots + w_{n} \cdot x_{n}$

$y$ ist eine Summe aus den jeweiligen Produkten aus $x_{i}$ und $w_{i}$ . Verkürzt ausgedrückt:

$y = \sum_{i=0}^n w_{i} \cdot x_{i}$

Noch kürzer ausgedrückt:

$y = w^T \cdot x$

Anmerkung: Das hochgestellte T steht für Transponieren, eine Notation aus der linearen Algebra, die im Ergebnis nichts anderes bewirkt als $y = \sum_{i=0}^n w_{i} \cdot x_{i}$ .

Diese mathematische lineare Funktion kann wie folgt abgebildet werden:

Der Output ist gleich $y$ bzw. die Ausgabe der Nettoeingabe (Net Sum) $w^T \cdot x$ . Auf der linken Seite finden wir alle Eingabewerte, wobei der erste Wert statisch mit 1.0 belegt ist, nur für den Zweck, den Bias ( $w_{0}$ ) in der Nettoeingabe aufrecht zu erhalten. Im Falle einer einfachen linearen Regression hätten wir also eine Funktion mit zwei Gewichten: $y = 1 \cdot w_{0} + x \cdot w_{1}$

Das Modell beschreibt, wie aus einer Reihe von Eingabewerten (n = Anzahl an x-Dimensionen) und einer Reihe von Gewichtungen (n + 1) eine Funktion entsteht, die einen y-Wert berechnet. Diese Berechnung wird auch als Forward-Propagation bezeichnet.
Doch welche Werte brauchen wir für die Gewichtungen, damit bei gegebenen x-Werten ein (mehr oder weniger) korrekter y-Wert berechnet wird? Anders gefragt, wie schaffen wir es, dass die Forward-Propagation die richtigen Werte ausspuckt?

Mit einem Training via Backpropagation!

Einfache Erklärung der Backpropagation

Die Backpropagation ist ein Optimierungsverfahren, unter Einsatz der Gradientenmethode, den Fehler einer Forward-Propagation zu berechnen und die Gewichtungen in Gegenrichtung des Fehlers anzupassen. Optimiert wird in der Form, dass der Fehler minimiert wird. Es ist ein iteratives Verfahren, bei dem mit jedem Iterationsschritt wieder eine Forward-Propagation auf Basis von Trainingsdaten durchgeführt wird und die Prädiktionsergebnisse mit den vorgegebenen Ergebnissen (der gekennzeichneten Trainingsdaten) verglichen und damit die Fehler berechnet werden. Die resultierende Fehlerfunktion ist konvex, ableitbar und hat ein zentrales globales Minimum. Dieses Minimum finden wir durch diese iterative Vorgehensweise.

Die Backpropagation zu erklären, erfordert einen separaten Artikel. Merken wir uns einfach: Die Backpropagation nutzt eine Fehlerfunktion, um die Werte der Gewichtungen schrittweise entgegen des Fehlers (bei jeder Forward-Propagation) bis zu einem Punkt anzupassen, bis keine wesentliche Verbesserung (Reduzierung des Fehlers) mehr eintritt. Nach dem Vollzug der Backpropagation erhalten wir die “richtigen” Gewichtungen und haben eine Funktion zur Vorhersage von y-Werten bei Eingabe neuer x-Werte.

Klassifikation – Die Vorhersage von Gruppenzugehörigkeiten

Bei der Klassifikation möchten wir jedoch keine Gerade oder Kurve vorhersagen, die sich durch eine Punktwolke legt, sondern wie möchten Punktwolken voneinander als Klassen unterscheiden, um später hinzukommende Punkte ihren richtigen Klassen zuweisen zu können (Klassifikation). Wir können jedoch auf dem vorherigen Modell der Prädiktion von stetigen Werten aufbauen und auch die Backpropagation zum Training einsetzen, möchten das Training dann jedoch auf die Trennung der Punktwolken ausrichten.

Hinweis: Regressions- und Klassifikationsherausforderungen werden in den Dimensionen unterschiedlich dargestellt. Zur Veranschaulichung: Während wir bei der einfachen Regression eine x-Eingabe als unabhängige Variable und eine y-Ausgabe als abhängige Variable haben, haben wir bei einer zwei-dimensionalen Klassifikation zwei x-Dimensionen als Eingabe. Die Klassen sind die y-Ausgabe (hier als Farben visualisiert).

Ergänzen wir das Modell nun um eine Aktivierungsfunktion, dass die stetigen Werte der Nettosumme über eine Funktion in Klassen unterteilt, erhalten wir einen Klassifikator: Den Perceptron-Klassifikator. Das Perzeptron gilt als der einfachste Klassifikator und ist bereits die kleinste Form eines künstlichen neuronalen Netzes. Es funktioniert nur bei linearer Trennbarkeit der Klassen.

Was soll die Aktivierungsfunktion bewirken? Wir berechnen wieder eine Nettoeingabe $w^T \cdot x$ , die uns stetige Werte ausgiebt. Wir haben also immer noch unsere Gewichtungen, die wir trainieren können. Nun trainieren wir nur nicht auf eine “korrekte” stetige Ausgabe der Nettoeingabe hin, sondern auf eine korrekte Ausgabe der Aktivierungsfunktion $\phi$ (Phi), die uns die stetigen Werte der Nettoeingabe in einen binären Wert (z. B. 0 oder 1) umwandelt. Das Perzeptron ist die kleinste Form des künstlichen neuronalen Netzes und funktioniert wie der lineare Regressor, jedoch ergänzt um eine Aktivierungsfunktion die bewirken soll, dass ein Neuron (hier: der einzelne Output) “feuert” oder nicht “feuert”. Es ist ein binärer Klassifikator, der beispielsweise die Wertebereiche -1 oder +1 annehmen kann.

Das Perceptron verwendet die einfachste Form der Aktivierungsfunktion: Eine Sprungfunktion, die einer einfachen if… else… Anweisung gleich kommt.

$y = \phi(w^T \cdot x) = \left\{ \begin{array}{12} 1 & w^T \cdot x > 0\\ -1 & \text{otherwise} \end{array}$

Fazit – Unterschied zwischen Klassifikation und Regression

Mathematisch müssen sich Regression und Klassifikation gar nicht all zu sehr voneinander unterscheiden. Viele Verfahren der Klassifikation lassen sich mit nur wenig Anpassung auch zur Regression anwenden, oder umgekehrt. Künstliche neuronale Netze, k-nächste-Nachbarn und Entscheidungsbäume sind gute Beispiele, die in der Praxis sowohl für Klassifkation als auch für Regression eingesetzt werden, natürlich mit unterschiedlichen Stärken und Schwächen.

Unterschiedlich ist jedoch der Zweck der Anwendung: Bei der Regression möchten wir stetige Werte vorhersagen (z. B. Temperatur der Maschine), bei der Klassifikation hingegen Klassen unterscheiden (z. B. Maschine überhitzt oder überhitzt nicht).

Unterschiede zwischen linearer und nicht-linearer Klassifikation und linearer und nicht-linearer Regression. Für Einsteiger in diese Thematik ist beachten, dass jede maschinell erlernte Klassifikation und Regression einen gewissen Fehler hat, der unter Betrachtung der Trainings- und Testdaten zu minimieren ist, jedoch nie ganz verschwindet.

Und Clustering?

Clustering ist eine Disziplin des unüberwachten Lernens, um Gruppen von Klassen bzw. Grenzen dieser Klassen innerhalb von unbekannten Daten zu finden. Es ist im Prinzip eine untrainierte Klassifikation zum Zwecke des Data Minings. Clustering gehört auch zum maschinellen Lernen, ist aber kein Predictive Analytics. Da keine – mit dem gewünschten Ergebnis vorliegende – Trainingsdaten vorliegen, kann auch kein Training über eine Backpropagation erfolgen. Clustering ist folglich eine schwache Klassifikation, die mit den trainingsbasierten Klassifikationsverfahren nicht funktioniert.