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퍼셉트론 학습 알고리즘

틀렸을 때만 가중치를 갱신하는 원조 퍼셉트론을 학습시킵니다.

배우게 될 내용

  • 틀렸을 때만 가중치 갱신하기
  • 여러 에포크에 걸쳐 학습하기
  • 최초의 신경망 모델이 작동한 방식 알기

문제

원문 보기 (영어)

퍼셉트론(1958)은 인공 뉴런을 위한 최초의 학습 알고리즘입니다. 계단 함수로 예측하고 실수에서 배웁니다.

모든 가중치와 편향을 0에서 시작합니다. 각 에포크마다 샘플을 순서대로 처리하고, 레이블 y(0 또는 1)를 가진 각 샘플 x에 대해:

  1. x · weights + bias > 0이면 예측은 1, 아니면 0
  2. error = y - 예측 (즉 -1, 0, 1 중 하나)
  3. error ≠ 0이면: 모든 i에 대해 weights[i] ← weights[i] + learning_rate × error × x[i], 그리고 bias ← bias + learning_rate × error

train_perceptron(samples, labels, learning_rate, epochs)를 구현하세요.

입력

samples: 각각 n개의 특성을 가진 m개의 샘플.

labels: m개의 레이블, 각각 0 또는 1.

learning_rate, epochs: 학습률과 데이터를 몇 번 반복할지.

출력

최종 가중치와 그 뒤에 편향(n + 1개의 숫자)을 반환하세요.

제약 조건

1 ≤ m ≤ 100, 1 ≤ n ≤ 10, 1 ≤ epochs ≤ 100

0 < learning_rate ≤ 1

-10 ≤ 각 특성 ≤ 10

예시

예시 1
입력:
epochs = 1
labels = [0, 0, 0, 1]
samples = [
    [0.0, 0.0],
    [0.0, 1.0],
    [1.0, 0.0],
    [1.0, 1.0]
]
learning_rate = 1.0

예상 출력:
expected = [1.0, 1.0, 1.0]
입력:
long long epochs = 1;
std::vector<long long> labels = {0, 0, 0, 1};
std::vector<std::vector<double>> samples = {
    {0.0, 0.0},
    {0.0, 1.0},
    {1.0, 0.0},
    {1.0, 1.0}
};
double learning_rate = 1.0;

예상 출력:
std::vector<double> expected = {1.0, 1.0, 1.0};
입력:
long epochs = 1;
long[] labels = new long[] {0, 0, 0, 1};
double[][] samples = new double[][] {
    new double[] {0.0, 0.0},
    new double[] {0.0, 1.0},
    new double[] {1.0, 0.0},
    new double[] {1.0, 1.0}
};
double learning_rate = 1.0;

예상 출력:
double[] expected = new double[] {1.0, 1.0, 1.0};

설명

[0, 0]: z = 0, 예측 0, 정답. [0, 1]과 [1, 0]: 역시 예측 0, 정답. [1, 1]: 예측은 0인데 레이블은 1이므로 error = 1: 가중치는 [1, 1], 편향은 1이 됩니다. 결과: [1, 1, 1].

예시 2
입력:
epochs = 10
labels = [0, 0, 0, 1]
samples = [
    [0.0, 0.0],
    [0.0, 1.0],
    [1.0, 0.0],
    [1.0, 1.0]
]
learning_rate = 1.0

예상 출력:
expected = [2.0, 1.0, -2.0]
입력:
long long epochs = 10;
std::vector<long long> labels = {0, 0, 0, 1};
std::vector<std::vector<double>> samples = {
    {0.0, 0.0},
    {0.0, 1.0},
    {1.0, 0.0},
    {1.0, 1.0}
};
double learning_rate = 1.0;

예상 출력:
std::vector<double> expected = {2.0, 1.0, -2.0};
입력:
long epochs = 10;
long[] labels = new long[] {0, 0, 0, 1};
double[][] samples = new double[][] {
    new double[] {0.0, 0.0},
    new double[] {0.0, 1.0},
    new double[] {1.0, 0.0},
    new double[] {1.0, 1.0}
};
double learning_rate = 1.0;

예상 출력:
double[] expected = new double[] {2.0, 1.0, -2.0};

설명

10 에포크 후 퍼셉트론은 AND 게이트를 학습했습니다: 가중치 [2, 1], 편향 -2에서는 [1, 1]만 z > 0이 됩니다.

접근 방법

먼저 스스로 풀어 본 뒤 힌트를 하나씩 열어 보세요.

힌트 1

각 epoch에서 sample을 순서대로 처리하세요. 앞의 업데이트가 뒤의 prediction에 영향을 줍니다.

힌트 2

prediction이 label과 다를 때만 업데이트하고, weight와 bias를 함께 조정하세요.

힌트 3

prediction rule은 strict sign test를 사용하므로, score가 0이면 class 0입니다.

예상 복잡도

시간 O(epochs × m × n), 추가 공간 O(n)

참고 자료

이 문제는 CodeUtility에 맞게 수정되었습니다. 위의 설명과 제한 조건을 따르세요.

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