17. 딥러닝

1. 뉴런(neuron)

1-1. 생물학적 뉴런

• 인간의 뇌는 수십억 개의 뉴런을 가지고 있음
• 뉴런은 화학적, 전기적 신호를 처리하고 전달하는 연결된 뇌신경 세포

 

1-2.인공 뉴런

• 1943년에 워렌 맥컬록, 월터 피츠가 단순화된 뇌세포 개념을 발표
• 신경 세포를 이진 출력을 가진 단순한 논리 게이트라고 설명
• 생물학적 뉴런의 모델에 기초한 수학적 기능으로, 각 뉴런이 입력을 받아 개별적으로 가중치를 곱하여 나온 합계를 비선형 함수를 전달하여 출력을 생성

 

2. 퍼셉트론(Perceptron)

• 인공 신경망의 가장 기본적인 형태로 1957년에 처음 소개됨
• 입력과 출력을 가진 단일 뉴런 모델을 기반
• 초기의 기꼐 학습 알고리즘 중 하나로 이진 분류 문제를 해결하기 위해 설계

2-1. 논리 회귀(단층 퍼셉트론)로 AND 문제 풀기

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim

X = torch.FloatTensor([[0, 0], [0, 1], [1, 0], [1, 1]])
y = torch.FloatTensor([[0], [0], [0], [1]])

model = nn.Sequential(
    nn.Linear(2, 1),
    nn.Sigmoid()
)

optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=1)

epochs = 1000

for epoch in range(epochs + 1):
    y_pred = model(X)
    loss = nn.BCELoss()(y_pred, y)
    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    optimizer.step()

    if epoch % 100 == 0:
        y_bool = (y_pred >= 0.5).float()
        accuracy = (y == y_bool).float().sum() / len(y) * 100
        print(f'Epoch {epoch:4d}/{epochs} Loss: {loss:.6f} Accuracy: {accuracy:.2f}%')

2-2. 논리 회귀(단층 퍼셉트론)로  OR 문제 풀기

X = torch.FloatTensor([[0, 0], [0, 1], [1, 0], [1, 1]])
y = torch.FloatTensor([[0], [1], [1], [1]])

model = nn.Sequential(
    nn.Linear(2, 1),
    nn.Sigmoid()
)

optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=1)

epochs = 1000

for epoch in range(epochs + 1):
    y_pred = model(X)
    loss = nn.BCELoss()(y_pred, y)
    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    optimizer.step()

    if epoch % 100 == 0:
        y_bool = (y_pred >= 0.5).float()
        accuracy = (y == y_bool).float().sum() / len(y) * 100
        print(f'Epoch {epoch:4d}/{epochs} Loss: {loss:.6f} Accuracy: {accuracy:.2f}%')

 

2-3. 논리 회귀(단층 퍼셉트론)로  XOR 문제 풀기

X = torch.FloatTensor([[0, 0], [0, 1], [1, 0], [1, 1]])
y = torch.FloatTensor([[0], [1], [1], [0]])

model = nn.Sequential(
    nn.Linear(2, 1),
    nn.Sigmoid()
)

optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=1)

epochs = 1000

for epoch in range(epochs + 1):
    y_pred = model(X)
    loss = nn.BCELoss()(y_pred, y)
    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    optimizer.step()

    if epoch % 100 == 0:
        y_bool = (y_pred >= 0.5).float()
        accuracy = (y == y_bool).float().sum() / len(y) * 100
        print(f'Epoch {epoch:4d}/{epochs} Loss: {loss:.6f} Accuracy: {accuracy:.2f}%')

 

2-4. 다층 퍼셉트론으로 XOR 문제 풀기

• 여러개의 은닉층을 만들어 해결
• https://colah.github.io/posts/2015-09-NN-Types-FP/

Neural Networks, Types, and Functional Programming -- colah's blog

model = nn.Sequential(
    nn.Linear(2, 64),
    nn.Sigmoid(),
    nn.Linear(64, 32),
    nn.Sigmoid(),
    nn.Linear(32, 16),
    nn.Sigmoid(),
    nn.Linear(16, 1),
    nn.Sigmoid()
)

print(model)

X = torch.FloatTensor([[0, 0], [0, 1], [1, 0], [1, 1]])
y = torch.FloatTensor([[0], [1], [1], [0]])

optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=1)

epochs = 5000

for epoch in range(epochs + 1):
    y_pred = model(X)
    loss = nn.BCELoss()(y_pred, y)
    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    optimizer.step()

    if epoch % 100 == 0:
        y_bool = (y_pred >= 0.5).float()
        accuracy = (y == y_bool).float().sum() / len(y) * 100
        print(f'Epoch {epoch:4d}/{epochs} Loss: {loss:.6f} Accuracy: {accuracy:.2f}%')