Konzept eines neuronalen Netzes

Ein Neuron ist die grundlegende Informationseinheit in einem neuronalen Netz. Es nimmt Eingaben auf, verarbeitet sie und erzeugt eine Ausgabe.

Jeder Eingang zu einem Neuron erhält ein Gewicht, das seine Bedeutung bei der Berechnung bestimmt. Ein Bias ist ein zusätzlicher Parameter, der die Ausgabe des Neurons verschiebt und so Flexibilität beim Erkennen von Mustern ermöglicht.

Das Training eines neuronalen Netzes umfasst die Anpassung dieser Gewichte und Biases, um Fehler zu minimieren und die Genauigkeit zu verbessern.

Die Aktivierungsfunktion wandelt die Summe der gewichteten Eingaben in die Ausgabe des Neurons um. Häufig verwendete Aktivierungsfunktionen sind:

1. Sigmoid-Funktion: gibt Werte zwischen 0 und 1 aus, nützlich für binäre Klassifikation;
2. ReLU (Rectified Linear Unit): ermöglicht effizientes Training tiefer Netze;
3. Hyperbolische Tangensfunktion (tanh): gibt Werte zwischen -1 und 1 aus und ist für zentrierte Daten geeignet.

Während der Vorwärtspropagation fließen Informationen von der Eingabeschicht über die verdeckten Schichten zur Ausgabeschicht, wo eine Vorhersage oder Schlussfolgerung erfolgt.

Zur Verbesserung der Vorhersagen wird Backpropagation eingesetzt. Dieser Prozess überträgt die Fehlerinformation rückwärts durch das Netz und passt die Gewichte an, um Fehler zu reduzieren.

Aufbau eines neuronalen Netzes von Grund auf

Ein Multilayer-Perzeptron (MLP) besteht aus mehreren Schichten:

1. Eingabeschicht: nimmt die Eingangsdaten auf;
2. Verdeckte Schichten: verarbeiten die Daten und extrahieren Muster;
3. Ausgabeschicht: liefert die endgültige Vorhersage oder Klassifikation.

Jede Schicht enthält mehrere Neuronen, und die Ausgabe einer Schicht dient als Eingabe für die nächste.

Backpropagation umfasst Vorwärtspropagation, Fehlerberechnung, Gradientenberechnung sowie Anpassung von Gewichten und Biases.

Die Lernrate ist ein zentraler Parameter beim Gradientenabstieg und steuert, wie stark die Gewichte während des Trainings angepasst werden. Eine höhere Lernrate beschleunigt das Training, kann aber dazu führen, dass das Modell wichtige Muster übersieht, während eine niedrigere Lernrate präziseres Lernen ermöglicht, jedoch die Konvergenz verlangsamen kann.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Leistung eines Modells zu bewerten, darunter:

• Genauigkeit: misst den Prozentsatz korrekter Vorhersagen;
• Mittlere quadratische Abweichung (MSE): bewertet Fehler bei Regressionsaufgaben;
• Kreuzentropie: wird häufig bei Klassifikationsproblemen verwendet.

Implementierung eines neuronalen Netzes mit Scikit-Learn

Der erste Schritt ist das Erstellen eines Modells:

from sklearn.neural_network import MLPClassifier

model = MLPClassifier(max_iter=200, hidden_layer_sizes=(10, 20, 30), learning_rate_init=0.01)

Sobald das Modell erstellt wurde, sollte es mit dem Trainingsdatensatz trainiert werden:

model.fit(X_train, y_train)

Abschließend können Vorhersagen getroffen werden, beispielsweise auf einem Testdatensatz:

y_pred = model.predict(X_test)

Fazit

Bei der Entscheidung zwischen traditionellen Modellen und neuronalen Netzen sollten Datensatzgröße, Problemkomplexität und Interpretierbarkeit berücksichtigt werden.

Gängige Typen von neuronalen Netzen sind die folgenden:

Beliebte Deep-Learning-Bibliotheken:

• TensorFlow: Googles Deep-Learning-Framework für skalierbares maschinelles Lernen;
• PyTorch: eine flexible, dynamische Deep-Learning-Bibliothek, die in Forschung und Produktion weit verbreitet ist.