Neuronale Netze selbst programmieren

Ein verständlicher Einstieg mit Python

Tariq Rashid, Frank Langenau

• Verlag: O'Reilly
• Jahr: 2017
• ISBN:
  9783960101031
• Thema: Computer Science
• Thema: Data Mining

Neuronale Netze sind Schlüsselelemente des Deep Learning und der Künstlichen Intelligenz, die heute zu Erstaunlichem in der Lage sind. Sie sind Grundlage vieler Anwendungen im Alltag wie beispielsweise Spracherkennung, Gesichtserkennung auf Fotos oder die Umwandlung von Sprache in Text. Dennoch verstehen nur wenige, wie neuronale Netze tatsächlich funktionieren.Dieses Buch nimmt Sie mit auf eine unterhaltsame Reise, die mit ganz einfachen Ideen beginnt und Ihnen Schritt für Schritt zeigt, wie neuronale Netze arbeiten: - Zunächst lernen Sie die mathematischen Konzepte kennen, die den neuronalen Netzen zugrunde liegen. Dafür brauchen Sie keine tieferen Mathematikkenntnisse, denn alle mathematischen Ideen werden behutsam und mit vielen Illustrationen und Beispielen erläutert. Eine Kurzeinführung in die Analysis unterstützt Sie dabei.- Dann geht es in die Praxis: Nach einer Einführung in die populäre und leicht zu lernende Programmiersprache Python bauen Sie allmählich Ihr eigenes neuronales Netz mit Python auf. Sie bringen ihm bei, handgeschriebene Zahlen zu erkennen, bis es eine Performance wie ein professionell entwickeltes Netz erreicht.- Im nächsten Schritt tunen Sie die Leistung Ihres neuronalen Netzes so weit, dass es eine Zahlenerkennung von 98 % erreicht – nur mit einfachen Ideen und simplem Code. Sie testen das Netz mit Ihrer eigenen Handschrift und werfen noch einen Blick in das mysteriöse Innere eines neuronalen Netzes.- Zum Schluss lassen Sie das neuronale Netz auf einem Raspberry Pi Zero laufen.Tariq Rashid erklärt diese schwierige Materie außergewöhnlich klar und verständlich, dadurch werden neuronale Netze für jeden Interessierten zugänglich und praktisch nachvollziehbar.

KAPITEL 1

Wie neuronale Netze arbeiten

»Lass dich von all den kleinen Dingen um dich herum inspirieren.«

Leicht für mich – schwer für dich

Computer sind im Grunde nichts weiter als Rechenmaschinen. Arithmetische Aufgaben können sie äußerst schnell ausführen.

Damit sind sie prädestiniert für Aufgaben, die vor allem mit Rechnen zu tun haben – Zahlen addieren, um den Umsatz zu ermitteln, Prozentwerte bilden, um die Umsatzsteuer zu berechnen, Diagramme vorhandener Daten zeichnen usw.

Selbst beim Ansehen von Catch-up-TV oder beim Streamen von Musik hat der Computer nicht viel mehr zu tun, als immer und immer wieder einfache arithmetische Anweisungen auszuführen. Es mag Sie überraschen, doch auch die über das Internet übertragenen Videos, die aus Einsen und Nullen bestehen, werden mit arithmetischen Operationen rekonstruiert, die nicht komplexer sind als die Grundrechenarten, die wir in der Schule gelernt haben.

Zahlen wirklich schnell zu addieren – Tausende oder sogar Millionen pro Sekunde –, ist sicherlich eindrucksvoll, doch das hat nichts mit künstlicher Intelligenz zu tun. Einem Menschen erscheint es vielleicht schwer, schnell große Summen zu bilden, doch ist hierzu kaum Intelligenz erforderlich. Es genügt vollauf, die einfachsten Anweisungen zu befolgen, und genau das ist es, was die Elektronik in einem Computer realisiert.

Drehen wir nun den Spieß um und tauschen wir die Rolle mit dem Computer!

Sehen Sie sich die folgenden Bilder an und versuchen Sie, zu erkennen, was sie enthalten:

Abbildung 1-1: Bilderkennung – einfacher für den Computer oder für den Menschen?

Wir können ein Bild mit menschlichen Gesichtern, einer Katze und einem Baum sehen und erkennen. Praktisch sind wir dazu sehr schnell in der Lage und noch dazu mit einer ziemlich hohen Genauigkeit. Nur in wenigen Fällen liegen wir falsch.

Die recht großen Informationsmengen, die die Bilder enthalten, können wir sehr erfolgreich verarbeiten, um den Bildinhalt zu erfassen. Derartige Aufgaben sind für Computer nicht so einfach lösbar – es ist sogar unglaublich schwierig.

Tabelle 1-1: Wer kann was besonders gut verarbeiten?

Problem	Computer	Mensch
Tausende großer Zahlen schnell multiplizieren	Leicht	Schwer
Gesichter auf einem Foto mit einer Menschenmenge heraussuchen	Schwer	Leicht

Wir ahnen, dass für die Bilderkennung menschliche Intelligenz erforderlich ist – etwas, das Maschinen fehlt, egal wie komplex und leistungsfähig wir sie gebaut haben, weil es eben keine Menschen sind.

Doch es sind genau solche Probleme, die wir dem Computer übertragen möchten – denn Computer arbeiten schnell und werden nicht müde. Um derartige Probleme geht es bei der künstlichen Intelligenz.

Da Computer immer auf Elektronik basieren, besteht die Aufgabe der künstlichen Intelligenz darin, neue Rezepte bzw. Algorithmen zu finden, die auf neuartige Weise versuchen, derart schwierigere Probleme zu lösen. Selbst wenn das nicht perfekt gelingt, dann immerhin noch gut genug, um einen Eindruck von einer menschenähnlichen Intelligenz in der Praxis zu geben.

Kernideen

• Manche Aufgaben sind für herkömmliche Computer leicht, für Menschen aber schwer, beispielsweise das Multiplizieren von Millionen Zahlenpaaren.
• Andererseits sind manche Aufgaben für herkömmliche Computer schwer, für Menschen jedoch leicht, beispielsweise das Erkennen von Gesichtern auf einem Foto einer Menschenmenge.

Eine einfache Vorhersagemaschine

Wir beginnen supereinfach und bauen Schritt für Schritt darauf auf.

Stellen Sie sich eine simple Maschine vor, die eine Frage entgegennimmt, etwas »nachdenkt« und eine Antwort ausgibt. Das läuft genau wie im obigen Beispiel ab, in dem wir selbst die Eingaben über die Augen aufnehmen, mit unserem Gehirn die Szene analysieren und daraus ableiten, was die Objekte in dieser Szene bedeuten. Abbildung 1-2 stellt dies schematisch dar.

Abbildung 1-2: Schema einer einfachen Vorhersagemaschine

Computer denken nicht wirklich, sie sind lediglich bessere Taschenrechner. Deshalb wollen wir die Vorgänge mit treffenderen Worten beschreiben (siehe Abbildung 1-3).

Abbildung 1-3: Alternative Beschreibung der Vorhersagemaschine

Ein Computer nimmt eine Eingabe entgegen, führt bestimmte Berechnungen aus und liefert dann eine Ausgabe. Das folgende Beispiel soll das veranschaulichen. Es wird eine Eingabe von »3 x 4« verarbeitet. Das geschieht möglicherweise dadurch, dass die Multiplikation in einen einfacheren Satz von Additionen überführt wird. Die ausgegebene Antwort lautet »12«.

Abbildung 1-4: Beispiel für die Verarbeitung einer Multiplikation

Vielleicht denken Sie jetzt: »Was soll daran beeindruckend sein?« Das stimmt schon. Wir verwenden hier einfache und vertraute Beispiele. Damit veranschaulichen wir die Konzepte, die auf die interessanteren neuronalen Netze angewendet werden, die wir uns später ansehen.

Fahren wir die Komplexität jetzt eine winzige Stufe höher.

Stellen Sie sich eine Maschine vor, die Kilometer in Meilen umrechnet (siehe Abbildung 1-5).

Abbildung 1-5: Umrechnung von Kilometern in Meilen

Nun nehmen wir an, dass wir die Formel für die Umrechnung zwischen Kilometern und Meilen nicht kennen. Wir wissen lediglich, dass die Beziehung zwischen beiden linear ist. Wenn man also die Anzahl der Meilen verdoppelt, wird die gleiche Entfernung in Kilometern ebenfalls verdoppelt. Das ist intuitiv verständlich. Das Universum wäre ein seltsamer Ort, sollte dies nicht gelten!

Diese lineare Beziehung zwischen Kilometern und Meilen liefert uns einen Anhaltspunkt über diese geheimnisvolle Berechnung – sie muss die Form haben: Meilen = Kilometer × c, wobei c eine Konstante ist. Den Wert dieser Konstanten c kennen wir aber noch nicht.

Die einzigen anderen Anhaltspunkte liefern einige Beispiele, die Kilometer und Meilen paarweise angeben. Diese sind wie Beobachtungen der Wirklichkeit, mit denen man wissenschaftliche Theorien überprüft – sie sind Beispiele für die Wahrheit der echten Welt.

Tabelle 1-2: Wertepaare für die Umrechnung zwischen Kilometern und Meilen

Wahrheitsbeispiel	Kilometer	Meilen
1	0	0
2	100	62,137

Was sollten wir tun, um die fehlende Konstante c zu ermitteln? Setzen wir einfach einmal einen zufälligen Wert ein und probieren wir es aus! Versuchen wir es mit c = 0,5 und schauen wir, was passiert.

Abbildung 1-6: Zufällig gewählte Konstante c

Hier haben wir Meilen = Kilometer × c, wobei Kilometer gleich 100 und c unsere derzeitige Schätzung 0,5 sind. Damit erhalten wir 50 Meilen.

Nun gut. Das ist gar nicht mal so schlecht unter dem Aspekt, dass wir c = 0,5...