Нейросеть в Excel

В современном мире трудно найти человека, который бы не слышал про нейронные сети. Кажется, их применяют всюду: оживление фотографий, DeepFake, маски для фото в соцсетях и прочее. Но для большинства людей они являются чем-то абстрактным и непонятным.

Однако создать свою нейросеть можно даже не имея знаний о языках программирования, и используя простейший инструмент, знакомый любому офисному сотруднику – MS Excel.

Схематично моя будущая нейросеть выглядит так:

Это упрощенная схема перцептрона. Перцептрон – простейший вид нейронных сетей, в основе которых лежит математическая модель восприятия информации мозгом, состоящая из сенсоров, ассоциативных и реагирующих элементов. На вход подаются значения признаков, которые могут быть равны 0 или 1. Строгая бинарность обусловлена тем, что признаки – это, своего рода, сенсоры, и они могут находиться либо в состоянии покоя (равны 0), либо в состоянии возбуждения (равны 1). Затем эти признаки умножатся на вес и суммируются. После при помощи функции активации (сигмоиды) получаю значения на выходе от 0 до 1. Таким образом, главной задачей является нахождение весов, обеспечивающих наиболее точное прогнозирование.

Представлю, что требуется по определенному набору признаков научить нейросеть определять является ли животное домашней кошкой или нет.

В датасете имеется 9 признаков, если экземпляр им обладает, то ставится 1, если нет, то 0. Целевой столбец назван «Выход»: 1 – значит экземпляр кошка, 0 – не кошка. В идеале нейросеть должна предсказать 1 для всех кошек и 0 для всех не кошек.

Первый шаг – создание таблицы поиска весов для каждого признака:

В диапазоне M3:U2 генерирую случайные величины весов при помощи формулы СЛЧИС().

Далее создаю столбцы для Bias (смещение) и Output (предсказание модели):

Формула в ячейке W3:

=B3*M3+C3*N3+D3*O3+E3*P3+F3*Q3+G3*R3+H3*S3+I3*T3+J3*U3

Протягиваю формулу до ячейки W14.

Bias – нейрон смещения. Простыми словами, это дополнительная информация о природе данных для модели, способ показать модели, «в какую сторону думать».

Формула в ячейке output – функция сигмоиды:

=ЕСЛИ(Bias=0;0;1/(1+(EXP(-Bias))))

Данная функция необходима для интерпретации значения bias. Мне нужно получить значения от 0 до 1. Output – предсказание модели. Если значение меньше 0.5, то экземпляр не является кошкой, если больше, то является.

Создаю таблицу для корректировки весов:

В ячейке Z3 следующая формула:

=($K3-$X3)*B3*$X3*(1-$X3)

Протягиваю её на весь диапазон Z1:AH14

Возвращаюсь в блок с весами: в ячейку М4 прописываю формулу: =M3+Z3

Протягиваю её на диапазон M4:U14:

В диапазоне AJ3:AJ14 пишу формулу: =ЕСЛИ(X3<0,5;0;1) – если значение в столбце Output больше, либо равно 0.5, то модель предполагает, что в строке домашняя кошка.

В диапазоне AK3:AK14 пишу формулу: =ЕСЛИ(K3=1;ЕСЛИ(AJ3=K3;1;0);»») – проверяю правильно ли модель предсказала домашнюю кошку.

В диапазоне AL3:AL14 пишу формулу: =ЕСЛИ(K3=0;ЕСЛИ(AJ3=K3;1;0);»»)– проверяю правильно ли модель предсказала не домашнюю кошку.

В ячейках AK15 и AL15 формулы СРЗНАЧ() для отображения доли правильных ответов.

На рисунке видно, что на данный момент модель считает все записи домашними кошками (цифра 1 в столбце «Предсказание»).

Копирую диапазон M14:U14 и вставляю значения в диапазон M3:U3:

Смотрю результат:

Теперь модель не все записи считает домашними кошками, но результат пока ещё не лучший.

Совершаю ещё несколько итераций. Копирую диапазон M14:U14 и вставляю значения в диапазон M3:U3. В таблице ниже видно, как менялись предсказания после каждого цикла:

В итоге, моя нейросеть после восьми итераций верно предсказала значения для всех строк.

Используя полученные веса из диапазона M14:U14, можно проверять другие комбинации признаков, и модель будет предсказывать является ли представленная строка домашней кошкой или нет.

Видно, что модель неидеальна, так как неверно п��едсказала рысь. Зато манула она определила верно, несмотря на то, что он больше походит на домашнюю кошку, чем рысь. На самом деле 100%-я точность для нейросетей невозможна, поэтому полученный результат можно считать неплохим. На практике использование MS Excel для задач машинного обучения — не очень хорошая идея, так как он не может работать с большим объемом данных, да и создан совершенно для другого. Однако, используя методы, представленные в посте, можно самостоятельно «поиграть» с данными, что поможет понять базовые принципы работы нейросетей.