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terça-feira, abril 16, 2024
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O processo de aprendizagem: Backpropagation e Gradient Descent

No mundo da aprendizagem de máquina e inteligência artificial, o treino eficaz de redes neurais é um componente crucial para desenvolver aplicações que podem aprender a partir de dados e melhorar ao longo do tempo. 

Entender como as redes neurais são treinadas é fundamental para qualquer pessoa interessada em entrar ou progredir na área de IA. Neste artigo, vamos navegar pelos conceitos de backpropagation e gradient descent, dois pilares essenciais no treinamento de redes neurais.

O que é aprendizado em uma rede neural

Primeiro, vamos definir o que significa o aprendizado em uma rede neural. Em sua essência, o aprendizado de uma rede neural é sobre ajustar seus pesos (parâmetros) de tal maneira que a saída da rede se aproxime tanto quanto possível da saída desejada para um conjunto de entradas. 

Para orientar esse processo de ajuste, é utilizada uma função de custo (ou perda), que mensura a discrepância entre a saída produzida pela rede e a saída esperada. O objetivo do treinamento, portanto, é minimizar essa função de custo.

Definição de função de custo/perda

A função de custo ou perda é um elemento central no aprendizado de redes neurais, pois fornece uma medida quantitativa do quão boa ou ruim a rede está performando. Uma função de custo comum é a Mean Squared Error (MSE) para tarefas de regressão ou a Cross-Entropy Loss para tarefas de classificação.

Backpropagation
Imagem gerada por Inteligência Artificial (IA)

Objetivo do treinamento: minimizar a função de custo

O objetivo supremo do treinamento de uma rede neural é, então, encontrar os valores dos pesos que minimizam essa função de custo. Como isso é feito? Aqui entram em cena o backpropagation e gradient descent.

Backpropagation

Backpropagation, ou propagação reversa do erro, é um método utilizado para calcular o gradiente (a direção e a magnitude das mudanças necessárias) da função de custo em relação a cada peso na rede. O processo envolve duas fases chave: propagação para frente e propagação para trás.

  • Na propagação para frente, dados de entrada são alimentados pela rede, passando por suas camadas até gerar a saída.
  • Na propagação para trás, calcula-se o gradiente da função de custo em relação a cada peso, seguindo do final da rede (saída) para o início (entrada). Esse gradiente indica como cada peso deve ser ajustado para minimizar a função de custo.

A importância do cálculo do gradiente reside no fato de que ele direciona o ajuste dos pesos de forma a reduzir o erro (diferença entre a saída predita e a real).

Gradient Descent

Após calcular o gradiente usando backpropagation, o próximo passo é ajustar os pesos da rede. Aqui, entra o Gradient Descent, um método de otimização utilizado para atualizar os pesos de forma que a função de custo seja minimizada.

  • O Gradient Descent trabalha tomando passos iterativos na direção oposta ao gradiente da função de custo, pois é nesta direção que o custo diminui mais rapidamente. O tamanho do passo é determinado pelo learning rate.

Variantes do Gradient Descent

Existem principalmente três variantes do gradient descent, diferenciadas pela quantidade de dados utilizados para calcular o gradiente.

  1. Batch Gradient Descent: Usa todo o conjunto de dados para fazer um único update nos pesos por interação.
  2. Stochastic Gradient Descent (SGD): Atualiza os pesos após cada amostra individual.
  3. Mini-batch Gradient Descent: Encontra um meio-termo ao utilizar um subconjunto pequeno (batch) das amostras para cada atualização dos pesos.
Backpropagation
Imagem gerada por Inteligência Artificial (IA)

Desafios e Soluções

Apesar de sua eficácia, backpropagation e gradient descent não estão livres de desafios, como cair em mínimos locais ou enfrentar plateaus, onde o gradiente é muito pequeno, desacelerando o aprendizado.

  • Mínimos Locais: Em teoria, são um problema, mas, na prática, especialmente em redes grandes, são menos comuns do que os plateaus.
  • Plateaus: Áreas onde o gradiente é próximo de zero, fazendo com que a atualização dos pesos seja insignificante.

Algumas técnicas, como Momentum e Learning Rate Decay, foram introduzidas para combater esses problemas. Momentum ajuda a acelerar o SGD em direções relevantes e amortecer oscilações, enquanto Learning Rate Decay ajusta o learning rate ao longo do tempo, geralmente diminuindo-o para permitir ajustes mais finos à medida que o treinamento progride.

Conclusão

Compreender backpropagation e gradient descent é crucial para entender como as redes neurais aprendem. O ajuste fino desses processos e suas variantes permite o treinamento efetivo de redes neurais complexas, capacitando-as a aprender padrões intrincados dos dados. O domínio dessas técnicas é essencial para qualquer um que aspire a desenvolver ou melhorar sistemas de inteligência artificial.

Alexandre Ashade
Alexandre Ashade
Especialista em Inteligência Artificial e Métodos de Apoio à Decisão, incluindo modelagem preditiva e algoritmos de otimização. Doutor e Mestre em Inteligência Artificial, com patente depositada e artigos publicados. Experiência como pesquisador em projetos de P&D para grandes empresas como PETROBRAS, LIGHT e TAG. Experiência como professor da PUC-RJ em cursos de extensão nas áreas de Inteligência Artificial e Óleo & Gás. Professor do curso BI Master da PUC-Rio. Domina metodologias de Deep Learning com Redes Neurais Profundas, Data Mining, classificação de padrões, previsão, otimização linear, não-linear e sob incertezas, programação matemática e processos estocásticos. Experiência de 10 anos em desenvolvimento de sistemas de software, utilizando as linguagens Python, C#, C++, Java e a ferramenta de análise de dados MATLAB. Quatro prêmios de excelência acadêmica.
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