¿Qué son las Redes Neuronales Artificiales? | Pedro Lara
Pedro Lara
Las redes neuronales artificiales (RNA) por las que Geoffrey Hinton acaba de ganar el Premio Nobel de Física 2024 junto a John Hopfield, son un modelo computacional inspirado en el funcionamiento del cerebro humano y son la técnica detrás de la Inteligencia Artificial.
¿Qué son las Redes Neuronales Artificiales?
Las redes neuronales artificiales (RNA) son un modelo computacional inspirado en el funcionamiento del cerebro humano. Así como el cerebro está compuesto por miles de millones de neuronas conectadas entre sí, una red neuronal artificial también está formada por nodos (neuronas) organizados en capas, que están interconectadas. Estos nodos trabajan en conjunto para procesar datos y aprender patrones complejos a partir de ellos.
El objetivo principal de las redes neuronales es aprender de ejemplos y hacer predicciones o tomar decisiones sin estar explícitamente programadas para cada tarea. Para lograr esto, las redes neuronales se entrenan con grandes cantidades de datos, ajustando sus conexiones internas a través de un proceso llamado aprendizaje supervisado, no supervisado o reforzado, dependiendo de la tarea que se esté realizando.
Componentes de una Red Neuronal Artificial
1. Capas de entrada: Reciben los datos que se quieren procesar (por ejemplo, una imagen o un conjunto de números).
2. Capas ocultas: Procesan los datos aplicando funciones matemáticas a las entradas. El número de capas y neuronas varía dependiendo del problema.
3. Capa de salida: Genera el resultado final, que puede ser una predicción, clasificación o alguna decisión.
Cada neurona dentro de una red tiene un peso asociado que se ajusta durante el proceso de entrenamiento. Estos pesos determinan la importancia de las entradas que recibe cada neurona, y se ajustan mediante un algoritmo conocido como backpropagation.
Ejemplos de Aplicación de Redes Neuronales
1. Reconocimiento de imágenes: Una de las aplicaciones más comunes de las redes neuronales es el reconocimiento de imágenes. Por ejemplo, las redes convolucionales (CNN) se utilizan para identificar objetos en fotos. Aplicaciones como Google Photos usan redes neuronales para organizar automáticamente tus fotos, etiquetando personas y lugares.
2. Procesamiento del lenguaje natural (NLP): Las redes neuronales también se aplican en la comprensión y generación de texto. Los modelos de lenguaje como GPT (Generative Pre-trained Transformer), utilizan RNA para completar frases, traducir textos y responder preguntas. Un ejemplo es ChatGPT, que puede generar conversaciones coherentes y relevantes.
3. Diagnóstico médico: Las redes neuronales se han implementado en el ámbito médico para analizar imágenes de rayos X o resonancias magnéticas y detectar enfermedades como el cáncer con una precisión similar o incluso superior a los humanos.
4. Asistentes de voz: Servicios como Siri, Alexa o Google Assistant utilizan redes neuronales para procesar las señales de audio y convertirlas en texto, permitiendo así la interacción con los usuarios mediante comandos de voz.
5. Automóviles autónomos: En la conducción autónoma, las redes neuronales permiten que los vehículos como los de Tesla puedan analizar su entorno en tiempo real y tomar decisiones de manera automática para conducir sin intervención humana.
¿Cómo aprenden las Redes Neuronales?
El proceso de aprendizaje de una red neuronal implica ajustar los pesos de las conexiones neuronales en función de los datos de entrada y la salida esperada. Este proceso, que ocurre en varias iteraciones (o épocas), busca minimizar la diferencia entre la salida predicha por la red y el valor real mediante un proceso llamado entrenamiento.
Para este aprendizaje, se utiliza un algoritmo de optimización (como el gradiente descendente) que ajusta los pesos en la dirección que minimiza el error. Este ajuste de pesos es clave para que la red pueda generalizar su conocimiento y aplicarlo a nuevos datos que no ha visto durante el entrenamiento.
Ejemplo
Un ejemplo simple de una red neuronal artificial utilizando Python y la biblioteca TensorFlow es este de una red neuronal básica que clasifica los dígitos del conjunto de datos MNIST, que contiene imágenes de dígitos escritos a mano.
Lo primero es instalar la biblioteca tensorFlow: pip install tensorflow numpy matplotlib
import tensorflow as tffrom tensorflow.keras import layers, modelsimport numpy as npimport matplotlib.pyplot as plt# Cargar el conjunto de datos MNISTmnist = tf.keras.datasets.mnist(x_train, y_train), (x_test, y_test) = mnist.load_data()# Normalizar los valores de los píxeles (entre 0 y 1)x_train, x_test = x_train / 255.0, x_test / 255.0# Crear el modelo secuencialmodel = models.Sequential([layers.Flatten(input_shape=(28, 28)), # Aplanar las imágenes de 28x28 píxeleslayers.Dense(128, activation='relu'), # Capa densa con 128 neuronas y función de activación ReLUlayers.Dense(10, activation='softmax') # Capa de salida con 10 neuronas (para 10 clases)])# Compilar el modelomodel.compile(optimizer='adam',loss='sparse_categorical_crossentropy',metrics=['accuracy'])# Entrenar el modelomodel.fit(x_train, y_train, epochs=5)# Evaluar el modelo en los datos de pruebatest_loss, test_acc = model.evaluate(x_test, y_test)print(f"Precisión en los datos de prueba: {test_acc}")# Hacer prediccionespredictions = model.predict(x_test)# Mostrar la primera imagen de prueba y su predicciónplt.imshow(x_test[0], cmap=plt.cm.binary)plt.show()print(f"Predicción para la primera imagen: {np.argmax(predictions[0])}")
En este ejemplo lo primero que hacemos es cargar y preparar los datos usando el dataset MNIST que viene predefinido en TensorFlow. Las imágenes de entrenamiento y prueba se normalizan dividiendo los valores de píxeles entre 255 para llevarlos al rango [0, 1].
Luego definimos la red neuronal y creamos un modelo secuencial con los siguiente elementos:
- Una capa de aplanado para convertir las imágenes de 28x28 píxeles en vectores de 784 elementos.
- Una capa completamente conectada (Dense) con 128 neuronas y la función de activación ReLU.
- Una capa de salida con 10 neuronas (una para cada dígito del 0 al 9) con la función de activación softmax.
El tercer paso es la compilación y entrenamiento. Para eso el modelo se entrena durante 5 épocas utilizando el optimizador Adam y la pérdida de entropía cruzada.
Finalemnte pasamos a la evaluación y predicción: Se evalúa la precisión del modelo en los datos de prueba y se realiza una predicción para la primera imagen.
Las redes neuronales artificiales han revolucionado múltiples campos y siguen siendo un área clave en el avance de la inteligencia artificial. Gracias a su capacidad de aprender de los datos y su estructura flexible, estas redes son capaces de abordar problemas que antes parecían inalcanzables para los sistemas computacionales tradicionales. Desde el reconocimiento de imágenes hasta la creación de asistentes virtuales inteligentes, las RNA son una herramienta fundamental para las innovaciones tecnológicas actuales.
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