الشبكة العصبية، العملية الغاوسية
عملية غاوسية للشبكة العصبية (NNGP) هي عملية غاوسية (GP) تُستخلص كحدٍّ لتسلسل نوعٍ مُحدد من الشبكات العصبية . وبالتحديد، تتقارب مجموعة واسعة من بنى الشبكات إلى عملية غاوسية في حدٍّ لانهائي ، بمعنى التوزيع . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] ويُمثل هذا المفهوم تعريفًا قصديًا ، أي أن عملية غاوسية للشبكة العصبية هي ببساطة عملية غاوسية، ولكنها تتميز بكيفية استخلاصها.
تحفيز
تُعدّ الشبكات البايزية أداةً لنمذجة البيانات، تُستخدم لتعيين احتمالات للأحداث، وبالتالي تحديد مستوى عدم اليقين في تنبؤات النموذج. ويُعتبر التعلّم العميق والشبكات العصبية الاصطناعية من المناهج المستخدمة في التعلّم الآلي لبناء نماذج حسابية تتعلم من أمثلة التدريب. وتجمع الشبكات العصبية البايزية بين هذين المجالين، فهي نوع من الشبكات العصبية التي تكون معاييرها وتنبؤاتها احتمالية. [ 9 ] [ 10 ] في حين أن الشبكات العصبية التقليدية غالبًا ما تُعطي ثقة عالية حتى للتنبؤات غير الصحيحة، [ 11 ] فإن الشبكات العصبية البايزية قادرة على تقييم مدى احتمالية صحة تنبؤاتها بدقة أكبر.
تُنظَّم العمليات الحسابية في الشبكات العصبية الاصطناعية عادةً في طبقات متسلسلة من الخلايا العصبية الاصطناعية . يُطلق على عدد الخلايا العصبية في الطبقة الواحدة اسم عرض الطبقة. عند دراسة سلسلة من الشبكات العصبية البايزية ذات طبقات متزايدة العرض (انظر الشكل)، فإنها تتقارب في التوزيع إلى نموذج NNGP. يُعدّ هذا الحدّ الكبير للعرض ذا أهمية عملية، إذ غالبًا ما تتحسّن الشبكات مع ازدياد عرض الطبقات. [ 12 ] [ 4 ] [ 13 ] وقد تُتيح هذه العملية طريقةً مغلقةً لتقييم الشبكات.
يظهر مصطلح NNGPs أيضًا في سياقات أخرى عديدة: فهو يصف توزيع التنبؤات التي تُجريها الشبكات العصبية الاصطناعية غير البايزية واسعة النطاق بعد التهيئة العشوائية لمعلماتها، ولكن قبل التدريب؛ ويظهر كمصطلح في معادلات التنبؤ باستخدام نواة المماس العصبي ؛ ويُستخدم في نشر المعلومات العميق لتحديد ما إذا كانت المعلمات الفائقة والبنى قابلة للتدريب. [ 14 ] ويرتبط بحدود العرض الكبيرة الأخرى للشبكات العصبية.
نِطَاق
تم التوصل إلى أول نتيجة للمراسلات في أطروحة الدكتوراه التي قدمها رادفورد إم. نيل عام 1995 ، [ 15 ] والتي أشرف عليها آنذاك جيفري هينتون في جامعة تورنتو . ويستشهد نيل بديفيد جيه سي ماكاي كمصدر إلهام، والذي عمل في مجال التعلم البايزي .
اليوم، تم إثبات هذه المطابقة لـ: الشبكات العصبية البايزية ذات الطبقة المخفية الواحدة؛ [ 15 ] والشبكات العميقة [ 2 ] [ 3 ] كاملة الاتصال ، حيث يُؤخذ عدد الوحدات في كل طبقة إلى ما لا نهاية؛ والشبكات العصبية الالتفافية ، حيث يُؤخذ عدد القنوات إلى ما لا نهاية؛ [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] وشبكات المحولات، حيث يُؤخذ عدد رؤوس الانتباه إلى ما لا نهاية؛ [ 16 ] والشبكات المتكررة ، حيث يُؤخذ عدد الوحدات إلى ما لا نهاية. [ 8 ] في الواقع، تنطبق هذه المطابقة بين الشبكات العصبية والبرمجة العامة على أي بنية تقريبًا: بشكل عام، إذا أمكن التعبير عن بنية ما فقط من خلال ضرب المصفوفات واللاخطية الإحداثية (أي، برنامج موتر )، فإنها تمتلك برنامجًا عامًا لا نهائي العرض. [ 8 ] وهذا يشمل على وجه الخصوص جميع الشبكات العصبية ذات التغذية الأمامية أو المتكررة المكونة من شبكة عصبية متعددة الطبقات ، وشبكات عصبية متكررة (مثل LSTMs و GRUs )، والالتفاف (nD أو الرسم البياني) ، والتجميع، والوصلة التخطي، والانتباه، وتطبيع الدفعات ، و/أو تطبيع الطبقات.
توضيح

كل إعداد لمعلمات الشبكة العصبيةيتوافق مع دالة محددة يتم حسابها بواسطة الشبكة العصبية. توزيع مسبقوبالتالي، فإنّ توزيع معلمات الشبكة العصبية يُقابل توزيعًا مسبقًا للدوال التي تحسبها الشبكة. ونظرًا لأنّ الشبكات العصبية تُصنع بعرض لانهائي، فإنّ هذا التوزيع للدوال يتقارب إلى عملية غاوسية في العديد من البنى.
إن الترميز المستخدم في هذا القسم هو نفسه الترميز المستخدم أدناه لاستخلاص العلاقة بين NNGPs والشبكات المتصلة بالكامل، ويمكن العثور على مزيد من التفاصيل هناك.
يوضح الشكل الموجود على اليمين المخرجات أحادية البعد. ;\theta )} لشبكة عصبية لمدخلينوفي مواجهة بعضها البعض. تُظهر النقاط السوداء الدالة التي حسبتها الشبكة العصبية على هذه المدخلات لسحب عشوائي للمعاملات منالخطوط الحمراء هي خطوط تساوي الاحتمالية للتوزيع المشترك على مخرجات الشبكة.وناتج عنهذا هو التوزيع في فضاء الدوال المقابل للتوزيعفي فضاء المعلمات، وتمثل النقاط السوداء عينات من هذا التوزيع. بالنسبة للشبكات العصبية ذات العرض اللانهائي، وبما أن التوزيع على الدوال التي تحسبها الشبكة العصبية هو عملية غاوسية، فإن التوزيع المشترك على مخرجات الشبكة هو توزيع غاوسي متعدد المتغيرات لأي مجموعة محدودة من مدخلات الشبكة.
مناقشة
شبكة متصلة بالكامل ذات نطاق واسع للغاية
يتناول هذا القسم بالتفصيل العلاقة بين الشبكات العصبية ذات العرض اللانهائي وعمليات غاوس في حالة محددة، وهي بنية متصلة بالكامل. ويقدم ملخصًا لإثبات صحة هذه العلاقة، ويعرض الشكل الوظيفي المحدد لعملية غاوس للشبكات العصبية المتصلة بالكامل. ويتبع ملخص الإثبات نهج نوفاك وزملاؤه [ 4 ] .
مواصفات بنية الشبكة

لنفترض وجود شبكة عصبية اصطناعية متصلة بالكامل مع مدخلات، حدودتتكون من أوزانوالتحيزاتلكل طبقةفي الشبكة، التنشيطات المسبقة (اللاخطية المسبقة)، التنشيطات (بعد اللاخطية)، اللاخطية النقطيةوعرض الطبقاتلتبسيط الأمر، العرضمتجه القراءةتُعتبر قيمتها 1. تتمتع معلمات هذه الشبكة بتوزيع مسبق.تتكون هذه الشبكة من توزيع غاوسي متساوي الخواص لكل وزن وانحياز، حيث يتناسب تباين الأوزان عكسيًا مع عرض الطبقة. يوضح الشكل على اليمين هذه الشبكة، ويتم وصفها بمجموعة المعادلات التالية:
هي عملية غاوسية
نلاحظ أولاً أن التنشيطات المسبقةيتم وصفها بواسطة عملية غاوسية مشروطة بالتنشيطات السابقة.تبقى هذه النتيجة صحيحة حتى عند العرض المحدود. كل عملية تنشيط مسبقهو مجموع مرجح لمتغيرات عشوائية غاوسية، تتوافق مع الأوزان.والتحيزاتحيث تمثل معاملات كل متغير من تلك المتغيرات الغاوسية التنشيطات السابقة.لأنها عبارة عن مجموع مرجح لتوزيعات غاوسية ذات متوسط صفري، فإنهي نفسها توزيعات غاوسية ذات متوسط صفري (مشروطة بالمعاملات)منذتكون التوزيعات غاوسية مشتركة لأي مجموعة منيتم وصفها بواسطة عملية غاوسية مشروطة بالتنشيطات السابقة.يعتمد التباين المشترك أو النواة لهذه العملية الغاوسية على تباينات الوزن والانحياز.وبالإضافة إلى مصفوفة العزم الثانيمن عمليات التنشيط السابقة،
تأثير ميزان الوزنيتمثل الهدف في إعادة قياس المساهمة في مصفوفة التغاير منبينما يكون التحيز مشتركًا بين جميع المدخلات، وبالتالييجعلبالنسبة لنقاط البيانات المختلفة، تصبح أكثر تشابهاً، مما يجعل مصفوفة التغاير أشبه بمصفوفة ثابتة.
هي عملية غاوسية
التفعيل المسبقالاعتماد فقط علىمن خلال مصفوفة العزم الثانيولهذا السبب، يمكننا القول إنهي عملية غاوسية مشروطة بـبدلاً من أن يكون مشروطاً بـ،
عرض الطبقة،يصبح حتمياً
كما تم تحديده سابقاً،هي مصفوفة العزم الثاني لـ. منذيمثل متجه التنشيط بعد تطبيق اللاخطية، ويمكن استبداله بـمما ينتج عنه معادلة معدلة تعبر عنلمن ناحية،
لقد قررنا بالفعل أنهي عملية غاوسية. هذا يعني أن المجموع الذي يحددهو متوسط علىعينات من عملية غاوسية وهي دالة لـ،
عرض الطبقةهذا المتوسط يؤول إلى ما لا نهايةيمكن استبدال العينات من العملية الغاوسية بتكامل على العملية الغاوسية:
لذا، في حالة العرض اللانهائي، تكون مصفوفة العزم الثانيلكل زوج من المدخلاتويمكن التعبير عنها كتكامل على دالة غاوسية ثنائية الأبعاد، لحاصل ضربوهناك عدد من الحالات التي تم فيها حل هذه المسألة تحليليًا، مثل عندماهي دالة ReLU ، [ 17 ] أو ELU، أو GELU، [ 18 ] أو دالة خطأ [ 1 ] غير خطية. حتى عندما يتعذر حلها تحليليًا، نظرًا لكونها تكاملًا ثنائي الأبعاد، يمكن حسابها عدديًا بكفاءة بشكل عام. [ 2 ] هذا التكامل حتمي، لذاهو حتمي.
للاختصار، نُعرّف دالة، وهو ما يتوافق مع حساب هذا التكامل ثنائي الأبعاد لجميع أزواج المدخلات، والذي يرسمداخل،
هو برنامج NNGP
من خلال تطبيق الملاحظة بشكل متكرر أنحتمية مثل،يمكن كتابتها كدالة حتمية لـ،
أينيشير إلى تطبيق الوظيفةبالتتابعمرات. من خلال دمج هذا التعبير مع الملاحظات الإضافية التي تفيد بأن مصفوفة العزم الثاني لطبقة الإدخالهي دالة حتمية للمدخلاتوذلكبما أن العملية غاوسية، فإن مخرجات الشبكة العصبية يمكن التعبير عنها كعملية غاوسية بدلالة مدخلاتها.
مكتبات البرامج
Neural Tangents هي مكتبة بايثون مجانية ومفتوحة المصدر تُستخدم لحساب واستنتاج NNGP ونواة المماس العصبي التي تتوافق مع مختلف بنى الشبكات العصبية الاصطناعية الشائعة. [ 19 ]
مراجع
- 1 2 ويليامز، كريستوفر كي (1997). "الحوسبة باستخدام الشبكات اللانهائية". أنظمة معالجة المعلومات العصبية .
- 1 2 3 لي، جاي هون؛ بحري، ياسمين؛ نوفاك، رومان؛ شونهولز، صموئيل س.؛ بينينجتون، جيفري؛ سول-ديكستين، ياشا (2017). "الشبكات العصبية العميقة كعمليات غاوسية". المؤتمر الدولي حول تمثيلات التعلم . arXiv : 1711.00165 . Bibcode : 2017arXiv171100165L .
- 1 2 جي. دي جي. ماثيوز، ألكسندر؛ رولاند، مارك؛ هرون، جيري؛ تيرنر، ريتشارد إي.؛ غراماني، زوبين (2017). "سلوك العملية الغاوسية في الشبكات العصبية العميقة واسعة النطاق". المؤتمر الدولي حول تمثيلات التعلم . arXiv : 1804.11271 . Bibcode : 2018arXiv180411271M .
- 1 2 3 4 نوفاك، رومان؛ شياو، ليتشاو؛ لي، جاي هون؛ بحري، ياسمين؛ يانغ، غريغ؛ أبو العافية، دان؛ بينينغتون، جيفري؛ سول-ديكستين، ياشا (2018). "الشبكات التلافيفية العميقة البايزية ذات القنوات المتعددة هي عمليات غاوسية". المؤتمر الدولي حول تمثيلات التعلم . arXiv : 1810.05148 . Bibcode : 2018arXiv181005148N .
- 1 2 غاريغا-ألونسو، أدريا؛ أيتشيسون، لورانس؛ راسموسن، كارل إدوارد (2018). "الشبكات العصبية التلافيفية العميقة كعمليات غاوسية سطحية". المؤتمر الدولي حول تمثيلات التعلم . arXiv : 1808.05587 . Bibcode : 2018arXiv180805587G .
- 1 2 بوروفيك، أناستاسيا (2018). "منظور العملية الغاوسية على الشبكات العصبية الالتفافية". arXiv : 1810.10798 [ stat.ML ].
- ^ تسوتشيدا ، راسل. بيرس، تيم؛ فان دير هايد، كريستوفر؛ روستا، فريد؛ غالاغر، ماركوس (2020). “تجنب النقاط الثابتة لـ Kernel: الحوسبة باستخدام شبكات ELU وGELU اللانهائية”. أرخايف : 2002.08517 [ cs.LG ].
- 1 2 3 يانغ، غريغ (2019). "برامج الموتر 1: الشبكات العصبية ذات التغذية الأمامية الواسعة أو المتكررة من أي بنية هي عمليات غاوسية" (ملف PDF) . التطورات في أنظمة معالجة المعلومات العصبية . arXiv : 1910.12478 . Bibcode : 2019arXiv191012478Y .
- ↑ ماكاي، ديفيد جيه سي (1992). "إطار بايزي عملي لشبكات الانتشار العكسي" . الحوسبة العصبية . 4 (3): 448-472 . doi : 10.1162/neco.1992.4.3.448 . ISSN 0899-7667 . S2CID 16543854 .
- ↑ نيل، رادفورد م. (2012). التعلم البايزي للشبكات العصبية . سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا.
- ↑ غو، تشوان؛ بليس، جيف؛ صن، يو؛ واينبرغر، كيليان كيو. (2017). "حول معايرة الشبكات العصبية الحديثة". وقائع المؤتمر الدولي الرابع والثلاثين للتعلم الآلي - المجلد 70. arXiv : 1706.04599 .
- ↑ نوفاك، رومان؛ بحري، ياسمين؛ أبو العافية، دانيال أ.؛ بينينجتون، جيفري؛ سول-ديكستين، ياشا (15 فبراير 2018). "الحساسية والتعميم في الشبكات العصبية: دراسة تجريبية" . المؤتمر الدولي حول تمثيلات التعلم . arXiv : 1802.08760 . Bibcode : 2018arXiv180208760N .
- ↑ نيشابور، بهنام؛ لي، تشيوان؛ بهوجانابالي، سريناد؛ ليكان، يان؛ سريبرو، ناثان (2019). "نحو فهم دور الإفراط في المعلمات في تعميم الشبكات العصبية". المؤتمر الدولي حول تمثيلات التعلم . arXiv : 1805.12076 . Bibcode : 2018arXiv180512076N .
- ↑ شونهولز، صموئيل س.؛ جيلمر، جاستن؛ جانجولي، سوريا؛ سول-ديكستين، ياشا (2016). "انتشار المعلومات العميقة". المؤتمر الدولي حول تمثيلات التعلم . arXiv : 1611.01232 .
- 1 2 نيل، رادفورد م. (1996)، "التوزيعات الاحتمالية المسبقة للشبكات اللانهائية"، التعلم البايزي للشبكات العصبية ، سلسلة محاضرات في الإحصاء، المجلد 118، سبرينغر نيويورك، الصفحات 29-53 ، doi : 10.1007/978-1-4612-0745-0_2 ، ISBN 978-0-387-94724-2
- ↑ هرون، جيري؛ بحري ، ياسمين؛ سول-ديكستين، ياشا؛ نوفاك، رومان (18 يونيو 2020). "الانتباه اللانهائي: NNGP وNTK لشبكات الانتباه العميق". المؤتمر الدولي للتعلم الآلي . 2020. arXiv : 2006.10540 . Bibcode : 2020arXiv200610540H .
- ↑ تشو، يونغمين؛ سول، لورانس ك. (2009). "طرق النواة للتعلم العميق" . أنظمة معالجة المعلومات العصبية . 22 : 342-350 .
- ^ تسوتشيدا ، راسل. بيرس، تيم؛ فان دير هايد، كريستوفر؛ روستا، فريد؛ غالاغر، ماركوس (2020). “تجنب النقاط الثابتة لـ Kernel: الحوسبة باستخدام شبكات ELU وGELU اللانهائية”. أرخايف : 2002.08517 [ cs.LG ].
- ↑ نوفاك، رومان؛ شياو، ليتشاو؛ هرون، جيري؛ لي، جاي هون؛ أليمي، ألكسندر أ.؛ سول-ديكستين، ياشا؛ شونهولز، صموئيل س. (5 ديسمبر 2019)، "المماسات العصبية: شبكات عصبية لانهائية سريعة وسهلة في بايثون"، المؤتمر الدولي لتمثيلات التعلم (ICLR) ، المجلد 2020، arXiv : 1912.02803 ، Bibcode : 2019arXiv191202803N
- الشبكات البايزية
- التعلم العميق
- الإحصاءات البايزية
- الشبكات العصبية الاصطناعية
- أساليب النواة للتعلم الآلي
