Adaptive Moment Estimation : comprendre Adam et l'utiliser correctement

Pour entraîner les réseaux neuronaux et obtenir ainsi de meilleurs résultats dans des domaines d'application tels que le traitement du langage naturel et le traitement de l'information, il est nécessaire de disposer d'une base de données. Apprentissage par renforcement les chercheurs et les data scientists peuvent choisir parmi une série d'algorithmes d'optimisation. L'un des algorithmes établis à cet effet est l'Adaptive Moment Estimation, plus connu sous le nom d'Adam.

Nous vous expliquons comment Adam fonctionne, quels sont ses avantages et ses inconvénients pour l'entraînement de modèles et quels sont les domaines d'application pratiques de l'algorithme.

L'essentiel en bref

  • L'estimation adaptative du moment est efficace du point de vue du calcul et convient aux grands ensembles de données et aux modèles complexes.
  • L'algorithme d'Adam nécessite des hyperparamètres soigneusement ajustés et réagit de temps en temps trop fortement aux informations passées.
  • Les domaines d'application classiques d'Adam sont, entre autres, la reconnaissance d'images et le traitement du langage naturel.
  • Konfuzio dispose d'algorithmes avancés de machine learning et de deep learning qui permettent aux entreprises d'optimiser et d'automatiser efficacement le traitement de leurs documents.
définition de l'estimation adaptative du moment

Qu'est-ce que l'estimation adaptative du moment ?

Adaptive Moment Estimation (Adam) est un algorithme d'optimisation que les chercheurs et les scientifiques des données utilisent fréquemment dans l'apprentissage automatique et les réseaux neuronaux. L'idée de base derrière Adam est d'utiliser un taux d'apprentissage adaptatif pour chaque paramètre. Cela signifie que les chercheurs adaptent le taux d'apprentissage pour chaque paramètre pendant l'apprentissage en se basant sur les gradients passés - la dérivée d'une fonction avec plus d'une variable d'entrée. Cela permet d'aligner efficacement les différents taux d'apprentissage pour différents paramètres et contribue à améliorer la convergence de l'apprentissage. En d'autres termes, cela aide à obtenir plus rapidement un modèle qui ne nécessite plus d'apprentissage.

L'algorithme d'Adam utilise deux moments principaux - le premier moment (momentum) et le deuxième moment (variance non centrée).

Ces moments sont calculés pendant l'entraînement et utilisés pour ajuster les taux d'apprentissage. Le premier moment aide à prendre en compte la vitesse de mise à jour des paramètres, tandis que le deuxième moment contient des informations sur la variance des gradients.

Vous trouverez des informations plus détaillées dans le PDF Adaptive Moment Estimation de Diederik P. Kingma et Jimmy Lei Ba, qui ont développé Adam.

Avantages et inconvénients de l'estimation adaptative du moment (Adam)

L'efficacité de l'algorithme d'optimisation Adam dépend fortement des exigences et des caractéristiques spécifiques du jeu de données d'apprentissage et du modèle. En principe, il présente toutefois ces avantages et inconvénients pour l'apprentissage automatique et les réseaux neuronaux :

Avantages de l'estimation adaptative du moment

AspectDescription
Efficacité calculéeAdam est efficace sur le plan des calculs, ce qui signifie qu'il est en mesure d'effectuer des optimisations rapidement et efficacement. Ceci est particulièrement important dans Apprentissage profondoù les scientifiques des données entraînent des modèles complexes sur de grands ensembles de données. L'efficacité d'Adam permet d'accélérer les temps de formation.
Gestion des gradients clairsemésDans les applications d'apprentissage profond, les gradients peuvent être rares, ce qui signifie que tous les paramètres ne doivent pas être mis à jour en même temps. Adam gère bien les gradients épars, car il utilise des taux d'apprentissage adaptatifs pour ajuster les mises à jour en conséquence.
Gestion des paysages d'optimisation bruyantsLes paysages d'optimisation représentés par les fonctions de perte dans les réseaux neuronaux sont souvent bruyants et complexes. Adam s'est montré robuste face à ces paysages bruyants, car il utilise des moments adaptatifs pour ajuster la direction et la vitesse des mises à jour.
Algorithme d'optimisation bien établiAdam est intégré dans de nombreux frameworks d'apprentissage automatique et est utilisé avec succès dans de nombreuses applications. Son fonctionnement est donc prouvé.

Inconvénients d'Adam

AspectDescription
Sensibilité aux hyperparamètresAdam dispose de plusieurs hyperparamètres tels que les taux d'apprentissage et les moments. Le choix de ces hyperparamètres influence les performances de l'algorithme, c'est pourquoi les chercheurs doivent les ajuster avec soin.
Effet de mémoireAdam tient compte des gradients passés sur les moments, ce qui peut entraîner un certain "effet de mémoire". Dans certains cas, l'algorithme réagit trop fortement aux informations passées.
Pas toujours cohérentDans certaines situations, Adam donne des résultats imprévisibles ou incohérents. Dans de tels cas, d'autres algorithmes d'optimisation peuvent être plus appropriés.
Augmentation possible des coûts Adam comprend le calcul des moments du premier et du deuxième ordre. La variance non centrée (second moment) nécessite le calcul de dérivées secondes, ce qui est plus intensif en termes de calcul que le calcul de dérivées premières seules. Cela peut entraîner des coûts de calcul plus élevés.
Garanties théoriques limitéesPar rapport à certains algorithmes d'optimisation plus anciens, Adam présente moins de garanties théoriques en termes de convergence.
Adaptive Moment Estimation Domaines d'application

Domaines d'application de l'estimation adaptative du moment

Dans la pratique, Adam Adaptive Moment Estimation est utilisé partout où les chercheurs et les data scientists ont besoin de réseaux neuronaux et d'outils de mesure. Algorithmes d'apprentissage automatique s'entraîner. Voici quelques exemples de domaines d'application :

Reconnaissance d'images

Dans le domaine de la reconnaissance d'images, l'optimisation des modèles est essentielle pour la reconnaissance précise des objets. Adam aide à ajuster les pondérations dans le réseau afin qu'il réagisse mieux aux modèles visuels. Ceci est particulièrement important pour les applications telles que la reconnaissance des visages ou la reconnaissance d'objets dans les images.

Traitement du langage naturel

Lors du traitement du langage naturel, les modèles doivent comprendre un grand nombre de caractéristiques linguistiques. Adaptive Moment Estimation contribue à optimiser les modèles pendant l'entraînement afin d'obtenir de meilleures performances dans des tâches telles que la classification de texte, Analyse des sentiments ou de la reconnaissance d'entités nommées.

Génération de la voix

Dans le domaine de la génération de la parole, Adam aide à optimiser les modèles responsables de la génération de textes de type humain. En adaptant les taux d'apprentissage, Adam contribue à ce que les textes générés soient plus cohérents et de meilleure qualité. C'est important, par exemple, pour l'amélioration des systèmes de chatbot. Dans ce cas, Adam contribue à ce que les réponses générées soient plus naturelles et plus compréhensibles.

Imagerie médicale

En médecine, Adam aide à optimiser les modèles responsables de l'analyse automatique des images médicales. L'algorithme aide à entraîner des modèles qui fournissent des résultats précis et fiables pour le diagnostic. Par exemple, les hôpitaux utilisent Adam pour améliorer les systèmes de reconnaissance d'images en radiologie. 

Robotique

Dans le domaine de la robotique, l'Adaptive Moment Estimation joue un rôle dans l'optimisation des modèles chargés de l'analyse de l'environnement et de la prise de décision des systèmes autonomes. Cela contribue à Robot naviguer avec précision et interagir avec leur environnement. Dans la pratique, cela est aujourd'hui important, entre autres, pour les véhicules autonomes. Les algorithmes optimisés permettent aux véhicules de naviguer de manière sûre et efficace dans leur environnement.

IA ludique

Dans le développement de l'intelligence artificielle pour les jeux, l'algorithme Adam permet d'optimiser les modèles responsables du comportement stratégique et de la prise de décision des adversaires informatiques. Cela contribue à améliorer l'expérience de jeu. Dans la pratique, cela est particulièrement important dans les jeux de stratégie, où les adversaires contrôlés par l'IA doivent prendre des décisions réalistes et intelligentes.

Pas à pas - Voici comment Adam procède

Pour expliquer clairement le fonctionnement de l'algorithme d'Adam, examinons un exemple pratique. Partons du principe que nous avons un réseau neuronal à deux couches. La première couche dispose de quatre neurones et la deuxième couche d'un neurone. Le réseau est utilisé pour la classification binaire. Notre objectif est de minimiser la fonction de perte en trouvant les valeurs optimales pour les poids et les précontraintes des neurones. Pour ce faire, Adam Adaptive Moment Estimation procède comme suit :

Étape 1 : Initialisation

Adam commence par initialiser les pondérations et les précontraintes des réseaux neuronaux. Ceux-ci sont généralement initialisés de manière aléatoire.

Étape 2 : Initialisation des moments

Adam initialise deux moments de premier ordre (momentum) et de second ordre (variance non centrée) pour chaque paramètre. 

Étape 3 : Estimation des gradients

Le réseau est utilisé pour générer des prédictions pour un mini-lot de données de formation. Adam calcule ensuite les gradients de la fonction de perte par rapport aux pondérations et aux précontraintes.

Étape 4 : Mise à jour des moments

Sur la base des gradients calculés, l'algorithme d'Adam actualise les moments. Pour ce faire, il utilise ce que l'on appelle des Moyennes mobiles exponentielles avec des nuances (valeurs bêta).

Étape 5 : Correction des biais

Pour atténuer l'influence des moments initiaux, Adam procède à ce qu'il appelle des corrections de biais.

Étape 6 : Calcul des corrections

Adam calcule les corrections pour les pondérations et les précontraintes en utilisant les moments ajustés.

Étape 7 : Mise à jour des poids et des précontraintes

L'algorithme d'optimisation met à jour les pondérations et les précontraintes en utilisant les corrections calculées.

Étape 8 : itération

Adam répète les étapes 3 à 7 pour plusieurs passages ou jusqu'à la convergence afin de trouver les valeurs optimales pour les pondérations et les précontraintes.

L'exemple présenté ici est une variante simplifiée du processus. Souvent, un réseau neuronal dispose de plus de couches et de neurones, de sorte que l'ensemble de données est beaucoup plus vaste. De plus, nous nous sommes consacrés à un problème de classification binaire, mais Adam se prête à l'optimisation de toute fonction de perte différentiable.

cas d'utilisation de l'estimation adaptative du moment

How to - Exemple de code pour Adaptiv Moment Estimation

Pour montrer un exemple pratique du point de vue du développeur, nous allons jeter un coup d'œil sur l'utilisation de l'algorithme d'optimisation dans Python. Pour ce faire, utilisons la célèbre bibliothèque d'apprentissage en profondeur TensorFlow afin de démontrer son utilisation. Dans cet exemple, nous créons un réseau neuronal simple et l'entraînons avec un ensemble de données factices. 

import tensorflow as tf
from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Dense
from tensorflow.keras.optimizers import Adam
# Générer un dataset fictif
import numpy as np
np.random.seed(42)
X = np.random.rand(100, 4) # 100 échantillons avec 4 caractéristiques chacun
y = (X[ :, 0] + X[ :, 1] + X[ :, 2] + X[ :, 3] > 2).astype(int) # Tâche de classification binaire
# Créer un réseau neuronal simple
model = Sequential()
model.add(Dense(4, input_dim=4, activation='relu'))
model.add(Dense(1, activation='sigmoid'))
# Compiler le modèle avec Adam optimizer
optimizer = Adam(learning_rate=0.001) # Vous pouvez ajuster le taux d'apprentissage comme vous le souhaitez
model.compile(optimizer=optimizer, loss='binary_crossentropy', metrics=['accuracy'])
# Former le modèle
model.fit(X, y, epochs=50, batch_size=32)

Dans cet exemple, nous créons un ensemble de données factice avec 100 échantillons contenant chacun 4 caractéristiques. Le réseau neuronal possède une couche cachée de 4 neurones et utilise la fonction d'activation ReLU. La couche de sortie a un neurone avec la fonction d'activation sigmoïde pour la classification binaire. Nous utilisons l'Optimiseur d'estimation de moment adaptatif avec un taux d'apprentissage spécifique (vous pouvez l'adapter en fonction de vos besoins).

Nous compilons le modèle en utilisant la perte d'entropie croisée binaire (habituelle pour les tâches de classification binaire) et la précision comme métrique. Enfin, nous entraînons le modèle sur l'ensemble de données factices pour 50 époques avec une taille de pile de 32. 

Conclusion

L'Adaptive Moment Estimation (Adam) est un algorithme d'optimisation établi qui convient surtout à l'entraînement de grands ensembles de données complexes. Dans la pratique, les domaines d'application se révèlent donc principalement dans la reconnaissance d'images, le traitement et la génération de la parole ainsi que dans la robotique.

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