Do quadro à máquina que aprende
Entropia, temperatura e a conta que liga calor a uma máquina que aprende. Tudo começou num quadro, com uma equação que misturava rede neural e física. Este material conta a trilha inteira: de onde saiu, o que estava torto, e como virou uma coisa que fecha, com as contas feitas com letra e sem letra.
- O quadro: a equação L do Neon
- A ponte: rede neural como sistema físico
- Aula 6: por que a energia se espalha
- Cálculos da física (moedas, dois estados, energia livre)
- Cálculos da rede neural (com letra e sem letra)
- A prova do atalho F = −T ln Z
- O cálculo avançado: a energia livre com integral
parte 1 · a origem
O quadro: a equação L do Neon
Foi isso que ficou escrito no quadro:
Com cada parcela:
Termos de apoio que estavam no canto:
O que cada peça é
- L1: campo escalar φ, física clássica de campos.
- L2: eletromagnetismo, onde FμνFμν é o termo de Maxwell.
- σ: a sigmoide de rede neural. Foi o ponto de partida.
- T: tunelamento quântico, na aproximação WKB.
Por que ela não fechava
As três parcelas vêm de áreas diferentes e têm unidades diferentes. Somar uma sigmoide com um fator de tunelamento dentro de uma Lagrangiana não gera nada com sentido físico.
O começo foi rede neural. Depois veio a física do mundo real. A ponte entre as duas ficou pela metade, e é ela que as próximas partes constroem.
parte 2 · a ponte
Rede neural como sistema físico
A ideia: parar de ver a rede só como uma função, e tratar os pesos w como as peças de um sistema que se move.
A energia
A parte cinética é a velocidade com que os pesos mudam. A parte potencial é o erro da rede. As duas são energia, então as unidades batem:
O movimento
Dessa conta sai a equação de movimento:
Com um pouco de atrito, isso é o treino de verdade: uma bola rolando ladeira abaixo numa paisagem de erro.
Onde entra a sigmoide
A σ é o que dá forma à paisagem. Por causa dela, o erro tem vários vales, e por isso o treino pode chegar em soluções diferentes.
Próximo passo: colocar temperatura nessa paisagem. O treino real tem ruído, e ruído é agitação. É aí que entra a termodinâmica.
parte 3 · aula 6
Por que a energia se espalha
Esta parte é a aula inteira, em seis passos curtos: a energia não some, ela se espalha; espalhar é só mais provável; entropia é contagem; temperatura é o quanto tá agitado; o equilíbrio tem forma exata; e a natureza minimiza um acordo.
Ler a aula 6 completa, com os desenhos →
parte 4 · fazendo a conta
Cálculos da física
Combinado: uso unidades naturais, com a constante de Boltzmann valendo 1, energia e temperatura na mesma unidade. Os números ficam limpos e a mecânica aparece. Com unidades reais a ideia é a mesma.
Cálculo 1 · entropia, contar jeitos
com letra4 moedas, 2 caras:
Tudo cara:
O estado organizado tem entropia zero. O espalhado tem entropia alta.
Cálculo 2 · probabilidade no equilíbrio
com letraZ é a soma que faz tudo fechar em 100%.
sem letraEstado A com E = 0, estado B com E = 1, temperatura T = 1:
Mexendo só na temperatura:
- quente (T = 10): P(A) ≈ 52%, P(B) ≈ 48%, explora os dois
- frio (T = 0,2): P(A) ≈ 99,3%, P(B) ≈ 0,7%, trava no de baixo
Cálculo 3 · energia livre
com letraCom T = 1, P(A) = 0,731 e P(B) = 0,269:
Pelo atalho: F = −T ln Z = −1 · ln(1,368) = −0,313 ✓
Os dois caminhos batem. É o sinal de que a conta toda é consistente.
parte 5 · a máquina que aprende
Cálculos da rede neural
A rede mais simples possível: um neurônio, um peso w. Ela recebe x = 1 e deve responder y = 1. A sigmoide do quadro entra aqui de verdade.
- x: a entrada que a rede recebe
- y: a resposta certa
- w1, w2, w3: os pesos testados, os estados
- T: a temperatura, o ruído do treino
- i: qual peso estamos olhando, 1, 2 ou 3
Cálculo 1 · o erro vira a energia
com letraNuma linha só:
Cada peso é um estado. Menor E quer dizer que acerta melhor. Erro é energia.
Cálculo 2 · qual peso a rede prefere
com letraT grande faz Ei/T ≈ 0, e todos os Pi ficam perto de 1/3: explora tudo. T pequeno deixa só o menor Ei sobreviver, e P fica perto de 1 nele: trava no melhor.
sem letraCom T = 0,1:
Com pouco ruído, T = 0,01, o P(w=2) vai a 99,7%: a rede trava no melhor peso. Ruído alto faz a rede explorar. Ruído baixo faz ela assentar.
Cálculo 3 · a energia livre do treino
com letraCom T = 0,1 e P = 0,057; 0,338; 0,605:
Pelo atalho: F = −0,1 · ln(1,435) = −0,1 · 0,361 = −0,036 ✓
O que isso ensina
A rede não busca só o menor erro. Busca o melhor acordo entre errar pouco, com E baixo, e ter vários pesos que funcionam, com S alto.
Uma solução com muitos pesos vizinhos que também funcionam é um vale largo: aguenta dado novo sem desmoronar. Um vale estreito é a rede que decorou. O ruído do treino empurra a rede pros vales largos, e por isso um pouco de bagunça ajuda a rede a generalizar.
parte 6 · a prova
Por que o atalho F = −T ln Z sempre funciona
Nos números, os dois caminhos bateram, em −0,313 e em −0,036. Com letra dá pra provar que eles são obrigados a bater. São 4 linhas.
linha 1 · tira o ln da probabilidade
linha 2 · coloca dentro da entropia
linha 3 · usa que Σ PiEi = ⟨E⟩ e Σ Pi = 1
linha 4 · multiplica por T e isola
Nos números, a gente confere. Na letra, a gente entende.
parte 7 · o cálculo avançado
A energia livre com integral
Na parte 5 a rede tinha só 3 pesos pra escolher. Aqui ela pode ter qualquer peso, e a soma vira integral. A conta é difícil, mas prova, com matemática, que a rede prefere vales largos.
O que a conta soma
Cada peso w ganha uma nota: e−E(w)/T. Erro baixo dá nota alta. Na parte 5 eram só 3 pesos, e a soma dava Z = 0,082 + 0,485 + 0,868 = 1,435. Agora são todos os pesos possíveis:
O Z é a área debaixo do morro das notas.
A mola, que é a regularização
Sem mola, o erro vai pra 0 quando w cresce, a nota fica 1 pra sempre e a área dá infinito. Com a mola:
Passo 1 · o fundo do vale, pelo método de Newton
com letraChutando w = 1:
Repetindo mais uma vez: w* = 1,02557, e daí em diante não muda mais.
Passo 2 · Laplace, a área do morro é altura vezes largura
Perto do fundo, o vale vira parábola, e a integral de Gauss dá a área:
Confere: a integral exata, feita no computador, dá Z = 0,1042 e F = 0,1131 ✓, um erro de 1,5% no Z.
O que isso prova
Morro largo quer dizer E'' pequeno, que dá área maior, que dá Z maior, que dá F menor. A rede prefere vales largos. De bônus, a entropia:
A integral exata dá 0,70.
O que fica
- energia não some, se espalha, e espalhada não trabalha
- entropia é contagem: S conta jeitos
- temperatura é o botão: assentar ou explorar
- o equilíbrio tem forma: P ∝ e−E/T
- a natureza minimiza o acordo: F = ⟨E⟩ − T · S
- numa rede neural, erro é energia e ruído é temperatura
- o ruído leva a rede pros vales largos, e ela generaliza
- F = −T ln Z sempre bate, e dá pra provar em 4 linhas
- com integral, Laplace mostra por que o vale largo vence
Contas conferidas. Todas as contas desta página foram refeitas por fora, uma a uma: as entropias das moedas, os três casos de temperatura, as duas energias livres e os dois atalhos F = −T ln Z. Da parte 7, refiz o Newton (w* = 1,02557), o Laplace (Z ≈ 0,1027 e F ≈ 0,1138) e também a integral exata por fora, que deu Z = 0,1042 e F = 0,1131, confirmando o erro de 1,5%. Todas batem com o que está escrito. Os ajustes marcados acima também foram verificados e procedem.
Para baixar
- 1,6 MB · 21 páginas
- 1,6 MB · para imprimir
- Só as equações do quadro página · e em
Este material é do João. O texto, as contas e o quadro são dele. O que entra de novo aqui é a arrumação para a web. Núcleo Neon · neoninovacao.com.br