Yapay Sinir Ağlarına Giriş

... konulu sunumlar: "Yapay Sinir Ağlarına Giriş"— Sunum transkripti:

1 Yapay Sinir Ağlarına Giriş
Neslihan Serap Şengör İ.T.Ü. Elektronik ve Haberleşme Bölümü, oda no:1107 tel no:

2 Ders notlarına nasıl ulaşabilirim

3 Ders Hakkında 1 Yarıyıl içi sınavı 22 Nisan 2014 % 25 2 Ödev
Genlikte Ayrık Algılayıcı %10 Çok Katmanlı Algılayıcı %15 Yarıyıl Sonu Sınavı % 50 3 3

4 Kaynaklar Introduction,1-4, 9,13,15
S. Haykin, “Neural Networks and Learning Machines”, 3rd Edition, Pearson International Edition, 2009, New Jersey. K. Mehrotra, C.K. Mohan, S. Ranka, “Elements of Artificial Neural Networks”, MIT Press, 1996, Cambridge. E. Alpaydın, “Yapay Öğrenme”, Boğaziçi Üniversitesi Yayınevi, 2011, İstanbul. 1-3,5,6

5

6 Nelerden Bahsedeceğim
Amaç: Varolan yaklaşımlarla çözüm bulamadığımız problemleri çözebilecek araçlar, yöntemler geliştirmek. Faydalandığımız, esinlendiğimiz fiziksel yapı canlıların karar vermek, davranışlarını oluşturmak için kullandıkları yapı: Temel birimlerin yapıları ve bağlantı düzenlerini belirlemek için Beynin işleyişi önemli Öğrenme kurallarını anlayabilmek ve gerçeklemek için AMA elde edilecek sonuçlar beynin işleyişini açıklamaktan uzak, mühendislik problemlerine çözüm getirmeye yarayacak yöntemler ve yaklaşımlar olacak

7 Her zaman, her problemin çözümü için YSA mı?
No matter how the design is performed, knowledge about the problem domain of interest is acquired by the network in a comparatively straight forward and direct manner through training. The knowledge so acquired by the network is represented in a compactly distributed form as weights across the synaptic connections of the network. While this form of knowledge representation enables neural network to adapt and generalize unfortunately the neural network suffers from the inherent inability to explain, in a comprehensive manner, the computational process by which the network makes a decision or reports its output. This can be a serious limitation, particularly in those applications where safety is of prime concern, as in air traffic control and medical diagnosis. In applications of this kind, it is not only highly desirable but also absolutely essential to provide some form of explanation capability. Haykin 1999

8 Nelerden Bahsetmeyeceğim
İstatiksel yapılar Yapay sinir ağlarını gerçekleyecek fiziksel devreler Billişsel süreçlerin modellenmesi

9 Anlatacaklarım Perceptron Belli başlı ağ yapıları
Çok katmanlı algılayıcı Özdüzenlemeli Hopfield ... Hebb Eğiticili öğrenme Belli başlı öğrenme kuralları Eğiticisiz Öğrenme ...

10 Yapay Sinir Ağları (Artificial Neural Networks)
Bir Yapay Sinir Ağı Tanımı (Alexander, Morton 1990) Yapay sinir ağı, basit işlemci ünitelerinden oluşmuş, çok yoğun, parallel ve dağılmış düzende çalışan bir işlemcidir. Deneysel bilgiyi depolama ve kullanıma sunma özelliğine sahiptir. Beyni iki şekilde andırır: 1) Ağ, bilgiyi ortamdan öğrenme yolu ile elde eder. 2) Gerekli bilgiyi depolama için basit işlemci ünitelerin arasındaki bağlantıları kullanır. Sinir hücresi Sinaptik ağırlıklar

11 Sinir Hücresi

12 Sinir Hücresi- Hodgkin-Huxley Modeli

13 Sinir Hücresi x1 x2 xm 1 w1 w2 wm wm+1 McCulloch-Pitts v y '

14 Aktivasyon Fonksiyonu

15 Hopfield

16 Sinir Hücrelerinin Organizasyonu

17 Ağ Yapıları İleri yol Tam bağlaşımlı Hücresel Ağ Kohonen Ağı
girişler ağırlık matrisi gizli katman çıkış katmanı çıkışlar İleri yol (Feedforward) ağırlık matrisi girişler Tam bağlaşımlı (Recurrent) ağırlık matrisi öznitelik dönüşümü girişler Hücresel Ağ Kohonen Ağı

18 Çözümleyici Makina (analytical engine) Charles Babbage (1792-1871)
Herşey nasıl başladı? Çözümleyici Makina (analytical engine) Charles Babbage ( ) Matematikçi, Cambridge ( ) Çağdaş bilgisayarın öncüsü, Delikli kartlar ile komutlar veriliyor, Herhangi bir aritmetik işlemi yapabiliyor, Sayıların saklanabileceği bir bellek birimi var, İşlemlerin art arda ve sırasıyla yapılmasını sağlayan ardışık kontrol birimi var. Bu donanım, peki yazılımı kim tasarlıyor?

19 İlk bilgisayar programcısı Augusta Ada Byron- Lady Lovelace (1815-1852)
It is desirable to guard against the possibility of exaggerated ideas that might arise as to the powers of the analytical engine. In considering any new subject, there is frequently a tendency , first, to overrate what we find to be already interesting or remarkable, and secondly by a sort of natural reaction to undervalue the true state of the case, when we do discover that our notions have surpassed those that were really valuable. The analytical engine has no pretensions whatever to originate anything. It can do whatever we know how to order it to perform. It can follow the analysis, but it has no power of anticipating any analytical relations or truth. Its province is to assist us in making available what we are already acquinted with. 1843

20 • ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer)
• John Von Neumann • Bellek • aritmetik/mantık ünitesi Matematikçi ( ) • Turing Makinesi • mekanik hesaplamanın sınırlarını belirler ...an unlimited memory capacity obtained in the form of an infinite tape marked out into squares, on each of which a symbol could be printed. At any moment there is one symbol in the machine; it is called the scanned symbol. The machine can alter the scanned symbol and its behavior is in part determined by that symbol, but the symbols on the tape elsewhere do not affect the behavior of the machine. However, the tape can be moved back and forth through the machine, this being one of the elementary operations of the machine. Any symbol on the tape may therefore eventually have an innings

21 • Mc Culloch-Pitts Sinir Hücresi Modeli (1943)
nöro-fizyolog • Mc Culloch-Pitts Sinir Hücresi Modeli (1943) girişler matematikçi Sinaptik ağırlıklar bias Aktivasyon fonksiyonu

22 • EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer)
• John Von Neumann Fizyolog ( ) Hebb Öğrenme Kuramı (1949) “When an axon of a cell A is near enough to excite a cell B and repeatedly or persistently takes part in firing it, some growth process or metabolic change takes place in one or both cells such that A’s efficiency as one of the cells firing B is increased. “ (Organization of Behavior) • zamana bağlı • yerel • Öğrenen adaptif sistemler için esin Çıkış işareti Postsinaptik aktivite giriş işareti Presinaptik aktivite Öğrenme hızı

23 • Snark- Marvin Minsky (1951)
Matematikçi ( 1928) • Snark- Marvin Minsky (1951) • kendi kendine ağırlıkları ayarlayabiliyor • işe yarar hiç bir bilgi işleme fonksiyonunu gerçekleyemedi Bilgisayar bilimcisi ( ) • Perceptron – Frank Rosenblatt (1958) • Görüntü tanıma • Eğiticili öğrenme • Perceptron yakınsama teoremi Elektrik mühendisi • ADALINE (ADaptive LINEar combiner)- Bernard Widrow, Ted Hoff • LMS kuralı • Perceptron ile farkı öğrenme kuralı

24 • “Perceptrons” Minsky-Papert 1969 matematiksel olarak Perceptron’un
• Karanlık Yıllar ( ) • “Perceptrons” Minsky-Papert 1969 matematiksel olarak Perceptron’un XOR mantık fonksiyonunu gerçekleyemeyeceğini ispatladılar. • Grossberg- ART özdüzenlemeli bir yapı • Kohonen – özdüzenlemeli bir başka yapı • Fukushima – özdüzenlemeli bir başka yapı daha • Karanlık Yıllardan Çıkış • 1982 Hopfield Ağı • Geriye Yayılım Algoritması (Backpropagation) * 1974 Werbos * 1985 Parker * 1985 LeCun * 1986 Rumelhart

25 “Bilgi”’nin Gösterimi “Bilgi” İnsan veya Makina Yorumlama Öngörme
Uygun yanıt verme Depolanmış enformasyon veya model Nasıl anlayacağız? Nasıl gösterimi oluşturacağız? Kurallar: (1) Benzer sınıflardan benzer girişler ağda benzer gösterimler oluşturmalı ve böylece aynı kategoriye ait olarak sınıflanmalı, (2) Farklı sınıflara ayrılacak nesnelere, ağda çok farklı gösterimler atanmalı, (3) Belirli bir özellik önemli ise ağda onun gösterimi ile görevlendirilen hücre sayısı daha fazla olmalı,

26 Benzerliğin bir ölçütü - Norm
V vektör uzayı olmak üzere, aşağıdaki dört özelliği sağlayan fonksiyon : normdur

27 Gösterim için bir yol Bir T harfi Bir L harfi
İşlem uygulayacağımıza göre nasıl ifade edebiliriz? Bir T harfi Bir L harfi

28 parametrelerin nasıl değiştirildiği ile belirlenir.
Ağın içinde bulunduğu ortamdan etkilenerek parametrelerini değiştirmesi işlemi öğrenmedir. Öğrenme şekli, parametrelerin nasıl değiştirildiği ile belirlenir. Öğrenme Süreçleri Öğrenme Süreçleri Eğiticili Öğrenme Eğiticisiz Öğrenme Pekiştirmeli Öğrenme Özdüzenlemeli Öğrenme

29 Eğiticili Öğrenme Ortam Eğitici + - Eğitilen Sistem

30 Eğitici ortam hakkında bilgiye sahip
Eğitilen sistem ortam hakkında bilgiye sahip değil ağırlıklar Eğitilen sisteme ilişkin eğitim kümesinde içerilen bilgi ve aracılığı ile değiştiriliyor hata Eğiticinin ortam hakkında sahip olduğu bilgi, eğitilen sisteme aktarılıyor Burada rahatsız edici bir şey var, ne?

31 Pekiştirmeli Öğrenme Eğitilen Sistem davranış Kritik Ödül r δ Değer Atama Ortam Öğrenme işleminin her adımında istenilen yanıtı sağlayan bir eğitici yok Eğitilen sistem, sonuçta elde edilecek yanıta erişmek için gerekli davranışı eleştiriyi gözönünde tutarak bulmak bulmak zorunda 31

32 Özdüzenlemeli Öğrenme
Ortam Eğitilen Sistem Bilgiye sahip ya da eleştiride bulunan bir eğitici yok Eğitilen sistem girişlerin istatiksel dağılımını belirledikten sonra sınıflamayı oluşturuyor. 32