Neuronale Netze programmieren mit Python

Vorwort . . . 13
Vorwort zur 2. Auflage . . . 16
Vorwort zur 3. Auflage (in Kooperation mit einem Transformer Neural Network) . . . 17

1. Einleitung . . . 19
1. 1 . . . Wozu neuronale Netze? . . . 19
1. 2 . . . Über dieses Buch . . . 20
1. 3 . . . Der Inhalt kompakt . . . 22
1. 4 . . . Ist diese Biene eine Königin? . . . 25
1. 5 . . . Ein künstliches neuronales Netz für den Bienenstaat . . . 26
1. 6 . . . Von der Biologie zum künstlichen Neuron . . . 32
1. 7 . . . Einordnung und der Rest . . . 36
1. 8 . . . Zusammenfassung . . . 45
1. 9 . . . Referenzen . . . 45

TEIL I. Up and running . . . 47

2. Das minimale Starterkit für die Entwicklung von neuronalen Netzen mit Python . . . 49
2. 1 . . . Die technische Entwicklungsumgebung . . . 49
2. 2 . . . Zusammenfassung . . . 72

3. Ein einfaches neuronales Netz . . . 73
3. 1 . . . Vorgeschichte . . . 73
3. 2 . . . Her mit dem neuronalen Netz! . . . 73
3. 3 . . . Neuron-Zoom-in . . . 77
3. 4 . . . Stufenfunktion . . . 82
3. 5 . . . Perceptron . . . 84
3. 6 . . . Punkte im Raum -- Vektorrepräsentation . . . 85
3. 7 . . . Horizontal und vertikal -- Spalten- und Zeilenschreibweise . . . 92
3. 8 . . . Die gewichtete Summe . . . 95
3. 9 . . . Schritt für Schritt -- Stufenfunktionen . . . 95
3. 10 . . . Die gewichtete Summe reloaded . . . 96
3. 11 . . . Alles zusammen . . . 97
3. 12 . . . Aufgabe: Roboterschutz . . . 100
3. 13 . . . Zusammenfassung . . . 103
3. 14 . . . Referenzen . . . 103

4. Lernen im einfachen Netz . . . 105
4. 1 . . . Vorgeschichte: Man lässt planen . . . 105
4. 2 . . . Lernen im Python-Code . . . 106
4. 3 . . . Perceptron-Lernen . . . 107
4. 4 . . . Trenngerade für einen Lernschritt . . . 110
4. 5 . . . Perceptron-Lernalgorithmus . . . 112
4. 6 . . . Die Trenngeraden bzw. Hyperplanes oder auch Hyperebenen für das Beispiel . . . 117
4. 7 . . . scikit-learn-kompatibler Estimator . . . 120
4. 8 . . . scikit-learn-Perceptron-Estimator . . . 127
4. 9 . . . Adaline . . . 129
4. 10 . . . Zusammenfassung . . . 139
4. 11 . . . Referenzen . . . 141

5. Mehrschichtige neuronale Netze . . . 143
5. 1 . . . Ein echtes Problem . . . 143
5. 2 . . . XOR kann man lösen . . . 145
5. 3 . . . Vorbereitungen für den Start . . . 150
5. 4 . . . Der Plan für die Umsetzung . . . 152
5. 5 . . . Das Setup (»class«) . . . 153
5. 6 . . . Die Initialisierung (»__init__«) . . . 155
5. 7 . . . Was für zwischendurch (»print«) . . . 158
5. 8 . . . Die Auswertung (»predict«) . . . 159
5. 9 . . . Die Verwendung . . . 161
5. 10 . . . Zusammenfassung . . . 162

6. Lernen im mehrschichtigen Netz . . . 163
6. 1 . . . Wie misst man einen Fehler? . . . 163
6. 2 . . . Gradientenabstieg an einem Beispiel . . . 165
6. 3 . . . Ein Netz aus sigmoiden Neuronen . . . 174
6. 4 . . . Der coole Algorithmus mit Vorwärts-Delta und Rückwärts-Propagation . . . 176
6. 5 . . . Ein fit-Durchlauf . . . 189
6. 6 . . . Zusammenfassung . . . 198
6. 7 . . . Referenz . . . 198

7. Beispiele für tiefe neuronale Netze . . . 199
7. 1 . . . Convolutional Neural Networks . . . 199
7. 2 . . . Transformer Neural Networks . . . 216
7. 3 . . . Das Optimierungsverfahren . . . 226
7. 4 . . . Overfitting verhindern . . . 228
7. 5 . . . Zusammenfassung . . . 230
7. 6 . . . Referenzen . . . 231

8. Programmierung von Deep Neural Networks mit TensorFlow 2 . . . 233
8. 1 . . . Convolutional Networks zur Handschriftenerkennung . . . 233
8. 2 . . . Transfer Learning mit Convolutional Neural Networks . . . 249
8. 3 . . . Transfer Learning mit Transformer Neural Networks . . . 259
8. 4 . . . Zusammenfassung . . . 264
8. 5 . . . Referenzen . . . 265

TEIL II. Deep Dive . . . 267

9. Vom Hirn zum Netz . . . 269
9. 1 . . . Ihr Gehirn in Aktion . . . 270
9. 2 . . . Das Nervensystem . . . 270
9. 3 . . . Das Gehirn . . . 271
9. 4 . . . Neuronen und Gliazellen . . . 274
9. 5 . . . Eine Übertragung im Detail . . . 276
9. 6 . . . Darstellung von Zellen und Netzen . . . 279
9. 7 . . . Zusammenfassung . . . 280
9. 8 . . . Referenzen . . . 281

10. Die Evolution der künstlichen neuronalen Netze . . . 283
10. 1 . . . Die 1940er-Jahre . . . 284
10. 2 . . . Die 1950er-Jahre . . . 286
10. 3 . . . Die 1960er-Jahre . . . 288
10. 4 . . . Die 1970er-Jahre . . . 288
10. 5 . . . Die 1980er-Jahre . . . 289
10. 6 . . . Die 1990er-Jahre . . . 303
10. 7 . . . Die 2000er-Jahre . . . 303
10. 8 . . . Die 2010er-Jahre . . . 304
10. 9 . . . Zusammenfassung . . . 307
10. 10 . . . Referenzen . . . 307

11. Der Machine-Learning-Prozess . . . 309
11. 1 . . . Das CRISP-DM-Modell . . . 309
11. 2 . . . Ethische und rechtliche Aspekte . . . 313
11. 3 . . . Feature Engineering . . . 324
11. 4 . . . Zusammenfassung . . . 353
11. 5 . . . Referenzen . . . 354

12. Lernverfahren . . . 355
12. 1 . . . Lernstrategien . . . 355
12. 2 . . . Werkzeuge . . . 384
12. 3 . . . Zusammenfassung . . . 389
12. 4 . . . Referenzen . . . 390

13. Anwendungsbereiche und Praxisbeispiele . . . 391
13. 1 . . . Warmup . . . 391
13. 2 . . . Bildklassifikation . . . 394
13. 3 . . . Erträumte Bilder . . . 415
13. 4 . . . Deployment mit vortrainierten Netzen . . . 426
13. 5 . . . Zusammenfassung . . . 430
13. 6 . . . Referenzen . . . 431

Anhang . . . 433
A . . . Python kompakt . . . 435
B . . . Mathematik kompakt . . . 465
C . . . TensorFlow 2 und Keras . . . 485

Index . . . 497