[AI] 인공신경망의 이해


l   인공지능의 역사





- 1958
년 퍼셉트론(Perceptron) 인공지능 등장
- 1969
년 인공지능에 반론 제기 - XOR 문제
- 1986
년 다층 퍼셉트론(Multy-Layer Perceptron) 개발
- 2000
년대 머신러닝과 딥러닝의 급격한 발전

 

l   퍼셉트론

인간의 뇌에 존재하는 뉴런을 모방한 인공신경망 모델

-
단층 퍼셉트론 : 입력층/출력층
-
다층 퍼셉트론 : 입력층/은닉층/출력층

구성요소

설명

입력층 (Input Layer)

초기 데이터 입력

은닉층 (Hidden Layer)

데이터 처리 (XOR문제해결 핵심)

출력층 (Output Layer)

은닉층 처리결과를 출력

 

※    XOR 문제

단층 퍼셉트론은 AND, OR 연산은 선형 분리가 가능하지만
XOR
연산은 선형 분리를 할 수 없다. (=비선형적인 복잡한 문제는 풀 수 없다.)
















            Ex) 퍼셉트론의 예시


-
함수값이 1에 가까우면 바나나, 0에 가까우면 사과를 의미한다.
-
데이터값(길이 혹은 색상) x 와 가중치 w 의 곱을 모두 더해서 총합을 구한다.
-
총합을 활성화함수에 대입하여 바나나/사과 결과를 출력한다.
-
오답인 경우, 가중치 w를 조정한다.
-
가중치 조정(튜닝)을 반복하며 바나나와 사과 구분하는 법을 익힌다.



l   활성화 함수 (Activation Fuction)

활성화 함수는 인공신경망 모델에서 입력신호의 총합을 출력신호로 변환하는 역할





- 
시그모이드 : 가장 쉽고 초기에 사용, 이진분류 문제에 적합
-
하이퍼볼릭 탄젠트 : 시그모이드 함수보다 출력범위가 넓어 더 빠르게 학습
- ReLu :
시그모이드 함수 대비 약10배 이상 빠르게 학습, 딥러닝 기반



l   오류 역전파 (Backpropagation)

인공신경망의 출력층에서 발생한 오차(Error)를 입력방향으로 거꾸로 전파하여 가중치 조정에 반영

1) 
순전파 : 입력값 X 가중치 => 결과를 활성화 함수 적용하여 출력
2)
오차 계산 : 출력값과 정답(Label) 차이를 비용함수(Cost Function)로 계산
3)
역전파 : 오차를 출력층에서 은닉층으로 거꾸로 전파하여 가중치 조정



l   비용 함수(Cost Function)

인공신경망이 예측한 결과와 실제 정답 간의 차이(오차)를 수치로 표현하기 위한 함수

※ 비용함수 종류

종류

비용함수

설명

회귀

평균제곱오차(MSE)

오차값 제곱의 평균 (작을수록 정확함)

분류

교차 엔트로피(Cross-Entropy)

예측된 확률 분포와 실제 정답 분포 간의 차이를 측정

이진분류

이진 크로스 엔트로피(Binary --)

이진 분류(정답이 0 또는 1) 에서 사용하는 크로스 엔트로피


l 경사하강법(Gradient Descent) → 가중치 조정

비용을 줄이기 위한 방향(기울기)을 계산하고 그 방향으로 가중치를 조금씩 조정하며 점점 더 정확한 신경망을 만들어가는 최적화 알고리즘