El Proceso de Entrenamiento de una Red Neuronal

🎯 Introducción

El entrenamiento de una red neuronal es un ciclo de optimización cuyo objetivo es ajustar los parámetros del modelo (pesos y sesgos) para minimizar su error.

Este proceso se fundamenta en tres pilares matemáticos:

1. 📉 Función de Costo
2. ⬇️ Descenso de Gradiente
3. 🔄 Retropropagación

1️⃣ La Función de Costo: Cuantificación del Error

La función de costo J(w,b) cuantifica cuán equivocadas están las predicciones del modelo.

Analogía

Como una balanza desequilibrada: el objetivo es ajustarla hasta alcanzar el equilibrio (error mínimo).

Fórmula General

1J(w,b) = (1/m) · Σ L(y⁽ⁱ⁾, a[L]⁽ⁱ⁾)

Componentes:

• m: Número total de ejemplos de entrenamiento
• L: Función de pérdida (un ejemplo)
• y⁽ⁱ⁾: Etiqueta verdadera
• a[L]⁽ⁱ⁾: Predicción del modelo

Error Cuadrático Medio (MSE)

1L(y, ŷ) = (y − ŷ)²

python
1import numpy as np
2
3def costo_mse(y_true, y_pred):
4    m = len(y_true)
5    return (1/m) * np.sum((y_true - y_pred)**2)
6
7# Ejemplo
8y_true = np.array([1, 0, 1, 1, 0])
9y_pred = np.array([0.9, 0.1, 0.8, 0.7, 0.2])
10print(f"Costo: {costo_mse(y_true, y_pred):.4f}")

Objetivo: Encontrar W y b que minimicen J(w,b).

2️⃣ Descenso del Gradiente: El Algoritmo de Optimización

El Descenso de Gradiente Estocástico (SGD) es el algoritmo más utilizado para minimizar la función de costo.

🏔️ Analogía: Descenso de una Montaña

Imagina que estás en una montaña con niebla densa. Para bajar:

1. Sientes la pendiente del terreno
2. Das un paso en la dirección más inclinada hacia abajo
3. Repites hasta llegar al valle

Matemáticamente: Moverse en la dirección opuesta al gradiente.

Variante Moderna: Mini-Batch Gradient Descent

Actualiza parámetros usando un pequeño lote de muestras:

• Más eficiente que procesar todo el dataset
• Más estable que usar un solo ejemplo

Pasos del Algoritmo

python
1# Pseudocódigo
2def entrenar_red(X, y, epochs, learning_rate):
3    # 1. Inicialización
4    W, b = inicializar_parametros_aleatorios()
5    
6    for epoch in range(epochs):
7        for batch in crear_mini_batches(X, y):
8            # 2. Cálculo del gradiente
9            gradientes = calcular_gradientes(batch, W, b)
10            
11            # 3. Actualización de parámetros
12            W = W - learning_rate * gradientes['dW']
13            b = b - learning_rate * gradientes['db']
14    
15    return W, b

Ecuaciones de Actualización

1w⁽ⁱ⁺¹⁾ = w⁽ⁱ⁾ − α · (∂J/∂w)
2b⁽ⁱ⁺¹⁾ = b⁽ⁱ⁾ − α · (∂J/∂b)

α = tasa de aprendizaje (learning rate)

• Muy pequeña → Convergencia lenta
• Muy grande → Puede no converger

python
1# Ejemplo de actualización
2W_nuevo = W_actual - 0.01 * gradiente_W
3b_nuevo = b_actual - 0.01 * gradiente_b

3️⃣ Retropropagación: Cálculo Eficiente de Gradientes

La backpropagation calcula los gradientes aplicando la regla de la cadena del cálculo diferencial.

Concepto Clave: El Error δ[l]

1δ[l] = (∂J/∂a[l]) ⊙ σ'(z[l])

• ⊙: Producto de Hadamard (elemento a elemento)
• σ'(z[l]): Derivada de la función de activación

Algoritmo de Backpropagation

python
1def backpropagation(X, y, cache):
2    m = X.shape[1]
3    L = len(cache)  # Número de capas
4    
5    # 1. Calcular error en la capa de salida
6    delta_L = cache['A_L'] - y
7    
8    # 2. Propagar hacia atrás
9    gradientes = {}
10    for l in reversed(range(1, L+1)):
11        # Gradientes de pesos y sesgos
12        gradientes[f'dW{l}'] = (1/m) * np.dot(delta, cache[f'A{l-1}'].T)
13        gradientes[f'db{l}'] = (1/m) * np.sum(delta, axis=1, keepdims=True)
14        
15        # Error de la capa anterior
16        if l > 1:
17            delta = np.dot(cache[f'W{l}'].T, delta) * sigmoid_derivative(cache[f'Z{l-1}'])
18    
19    return gradientes

Derivada de la Sigmoide

python
1def sigmoid_derivative(z):
2    s = sigmoid(z)
3    return s * (1 - s)

Propagación hacia Atrás - Paso a Paso

1Capa de Salida (L) ─────────────────┐
2         ↑                           │
3         │ Calcular δ[L]             │
4         │                           │
5Capa Oculta 2 ──────────────────────┤
6         ↑                           │
7         │ δ[L-1] = W[L]ᵀ·δ[L] ⊙ σ' │ Backprop
8         │                           │
9Capa Oculta 1 ──────────────────────┤
10         ↑                           │
11         │ δ[L-2] = W[L-1]ᵀ·δ[L-1]  │
12         │                           │
13Capa de Entrada ────────────────────┘

Cálculo de Gradientes Finales

Para los pesos:

1∂J/∂W[l] = δ[l] · a[l−1]ᵀ

Para los sesgos:

1∂J/∂b[l] = δ[l]

🔄 El Ciclo Completo de Aprendizaje

python
1def ciclo_entrenamiento(X, y, arquitectura, epochs, alpha):
2    # Inicializar parámetros
3    parametros = inicializar_red(arquitectura)
4    
5    for epoch in range(epochs):
6        # 1. FORWARD PROPAGATION
7        cache = forward_propagation(X, parametros)
8        
9        # 2. CALCULAR COSTO
10        costo = calcular_costo(cache['A_L'], y)
11        
12        # 3. BACKWARD PROPAGATION
13        gradientes = backpropagation(X, y, cache)
14        
15        # 4. ACTUALIZAR PARÁMETROS
16        parametros = actualizar_parametros(parametros, gradientes, alpha)
17        
18        if epoch % 100 == 0:
19            print(f"Epoch {epoch}: Costo = {costo:.4f}")
20    
21    return parametros

📊 Visualización del Proceso

1┌─────────────────────────────────────────────────────┐
2│                 CICLO DE ENTRENAMIENTO              │
3├─────────────────────────────────────────────────────┤
4│                                                     │
5│  1. Forward Pass                                    │
6│     X → Z1 → A1 → Z2 → A2 → ... → Ŷ                │
7│                                                     │
8│  2. Calcular Pérdida                               │
9│     L = (Y - Ŷ)²                                    │
10│                                                     │
11│  3. Backward Pass                                   │
12│     ∂L/∂Ŷ → ∂L/∂W[L] → ... → ∂L/∂W[1]              │
13│                                                     │
14│  4. Actualizar Parámetros                          │
15│     W = W - α·∂L/∂W                                 │
16│                                                     │
17│  5. Repetir hasta convergencia                     │
18│                                                     │
19└─────────────────────────────────────────────────────┘

💡 Consejos Prácticos

Elegir la Tasa de Aprendizaje

python
1# Prueba diferentes valores
2learning_rates = [0.001, 0.01, 0.1, 1.0]
3
4for lr in learning_rates:
5    modelo = entrenar(X, y, learning_rate=lr)
6    print(f"LR={lr}: Costo Final={modelo.costo:.4f}")

Monitorear el Entrenamiento

python
1import matplotlib.pyplot as plt
2
3def plot_training(historial_costos):
4    plt.plot(historial_costos)
5    plt.xlabel('Época')
6    plt.ylabel('Costo')
7    plt.title('Evolución del Costo durante el Entrenamiento')
8    plt.show()

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📚 Referencias

• Goodfellow, I., Bengio, Y., & Courville, A. (2016). Deep learning. MIT Press.
• Mazur, M. (2015). A Step by Step Backpropagation Example.
• Ng, A. (2017). Neural Networks and Deep Learning. Coursera.

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