Е. Миркес - Учебное пособие по курсу «Нейроинформатика»

• Название: Учебное пособие по курсу «Нейроинформатика»
• Автор: Е. Миркес
• Издательство: КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
• Жанр: Программирование
• Год: 2002

Данное учебное пособие подготовлено на основе курса лекций по дисциплине «Нейроинформатика», читавшегося с 1994 года на факультете Информатики и вычислительной техники Красноярского государственного технического университета.

Несколько слов о структуре пособия. Далее во введении приведены учебный план по данному курсу, задания на лабораторные работы. Следующие главы содержат одну или несколько лекций. Материал, приведенный в главах, несколько шире того, что обычно дается на лекциях. В приложения вынесены описания программ, используемых в данном курсе (Clab и Нейроучебник), и проект стандарта нейрокомпьютера, включающий в себя два уровня — уровень запросов компонентов универсального нейрокомпьютера и уровень языков описания отдельных компонентов нейрокомпьютера.

Данное пособие является электронным и включает в себя программы, необходимые для выполнения лабораторных работ.

---

Рис. 1. Схема данных задачника.

Все перечисленные выше массивы можно разбить на четыре типа по структуре:

• Входные данные. Таких массивов обычно два — массив описания полей данных (содержит описание полей данных: имя поля, его тип и возможно некоторую дополнительную информацию) и собственно массив данных. Причем каждый пример имеет свой массив данных, но массив описания полей данных один для всех примеров задачника. Эти массивы имеют одинаковое число элементов, и их элементы попарно соответствуют друг другу.

• Массив ответов. При обучении с учителем, в задачнике есть, по крайней мере, два массива этого вида — массив описания полей ответов и массив правильных ответов. Кроме того, возможно хранение в задачнике массивов вычисленных ответов, достоверности ответов и уверенности в ответе. Массив описания полей ответов — один для всех примеров задачника. Все остальные массивы данного типа хранятся по одному экземпляру каждого массива на пример.

• Массив комментариев. Таких массивов обычно только два — массив описания полей комментариев и массив комментариев. Массив описания полей комментариев — один на весь задачник, а массив комментариев — один на пример.

На рис. 1 приведено схематическое устройство задачника. Такое представление данных позволяет гибко использовать память. Однако следует учесть, что часть полей может переходить из одного массива в другой. Например, при исключении одного входного данного из использования (см. главу «Контрастер»), соответствующее ему поле переходит из массива входных данных в массив комментариев.

Лекция 8. Предобработчик

Данная глава посвящена компоненту предобработчик. В ней рассматриваются различные аспекты предобработки входных данных для нейронных сетей. Существует множество различных видов нейронных сетей (см. главу «Описание нейронных сетей»). Однако, для большинства нейронных сетей характерно наличие такого интервала входных сигналов, в пределах которого сигналы различимы. Для различных нейронных сетей эти интервалы различны. Большинство работающих с нейронными сетями прекрасно осведомлены об этом их свойстве, но до сих пор не предпринималось никаких попыток как-либо формализовать или унифицировать подходы к предобработке входных сигналов. В данной главе дан один из возможных формализмов этой задачи. За рамками рассмотрения осталась предобработка графической информации. Наиболее мощные и интересные способы предобработки графической информации описаны в [91]. При аппаратной реализации нейрокомпьютера, компонент предобработчик также следует реализовывать аппаратно, поскольку вне зависимости от источника входных данных их надо обрабатывать одинаково. К тому же большинство предобработчиков допускают простую аппаратную реализацию.

В этой главе будут описаны различные виды входных сигналов и способы их предобработки. В качестве примера будут рассмотрены сети с сигмоидными нелинейными преобразователями. Однако, описываемые способы предобработки применимы для сетей с произвольными нелинейными преобразователями. Единственным исключением является раздел «Оценка способности сети решить задачу», который применим только для сетей с нелинейными преобразователями, непрерывно зависящими от своих аргументов.

Наиболее важным в данной являются следующее.

При предобработке качественных признаков не следует вносить недостоверную информацию.

Сформулирована мера сложности нейросетевой задачи.

Выборочная оценка константы Липшица и оценка константы Липшица нейронной сети позволяют легко оценить способность нейронной сети решить поставленную задачу. Эти легко реализуемые процедуры позволяют сэкономить время и силы.

Правильно выбранная предобработка упрощает нейросетевую задачу.

Нейрон

Нейроны, используемые в большинстве нейронных сетей, имеют структуру, приведенную на рис. 1. На рис. 1 использованы следующие обозначения:

x — вектор входных сигналов нейрона;

α — вектор синаптических весов нейрона;

Σ — входной сумматор нейрона;

p = (α,x) — выходной сигнал входного сумматора;

σ — функциональный преобразователь;

y — выходной сигнал нейрона.

Обычно нейронные сети называют по виду функции σ(p). Хорошо известны и наиболее часто используются два вида сигмоидных сетей:

S1: σ(p) = 1/(1+exp(-cp)),

S2: σ(p) = p/(c+|p|),

где c — параметр, называемый «характеристикой нейрона». Обе функции имеют похожие графики.

Каждому типу нейрона соответствует свой интервал приемлемых входных данных. Как правило, этот диапазон либо совпадает с диапазоном выдаваемых выходных сигналов (например для сигмоидных нейронов с функцией S1), либо является объединением диапазона выдаваемых выходных сигналов и отрезка, симметричного ему относительно нуля (например, для сигмоидных нейронов с функцией S2), Этот диапазон будем обозначать как [a,b]

Различимость входных данных

Очевидно, что входные данные должны быть различимы. В данном разделе будут приведены соображения, исходя из которых, следует выбирать диапазон входных данных. Пусть одним из входных параметров нейронной сети является температура в градусах Кельвина. Если речь идет о температурах близких к нормальной, то входные сигналы изменяются от 250 до 300 градусов. Пусть сигнал подается прямо на нейрон (синаптический вес равен единице). Выходные сигналы нейронов с различными параметрами приведены в табл. 1.

Таблица 1

Входной сигнал Нейрон типа S1 Нейрон типа S2 c=0.1 c=0.5 c=1 c=2 c=0.1 c=0.5 c=1 c=2 250 1.0 1.0 1.0 1.0 0.99960 0.99800 0.99602 0.99206 275 1.0 1.0 1.0 1.0 0.99964 0.99819 0.99638 0.99278 300 1.0 1.0 1.0 1.0 0.99967 0.99834 0.99668 0.99338

Совершенно очевидно, что нейронная сеть просто неспособна научиться надежно различать эти сигналы (если вообще способна научиться их различать!). Если использовать нейроны с входными синапсами, не равными единице, то нейронная сеть сможет отмасштабировать входные сигналы так, чтобы они стали различимы, но при этом будет задействована только часть диапазона приемлемых входных данных — все входные сигналы будут иметь один знак. Кроме того, все подаваемые сигналы будут занимать лишь малую часть этого диапазона. Например, если мы отмасштабируем температуры так, чтобы 300 соответствовала величина суммарного входного сигнала равная 1 (величина входного синапса равна 1/300), то реально подаваемые сигналы займут лишь одну шестую часть интервала [0,1] и одну двенадцатую интервала [-1,1]. Получаемые при этом при этом величины выходных сигналов нейронов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Входной сигнал Нейрон типа S1 Нейрон типа S2 c=0.1 c=0.5 c=1 c=2 c=0.1 c=0.5 c=1 c=2 250 (0.83) 0.52074 0.60229 0.69636 0.84024 0.89286 0.62500 0.45455 0.29412 275 (0.91) 0.52273 0.61183 0.71300 0.86057 0.90164 0.64706 0.47826 0.31429 300 (1.0) 0.52498 0.62246 0.73106 0.88080 0.90909 0.66667 0.50000 0.33333

Сигналы, приведенные в табл. 2 различаются намного сильнее соответствующих сигналов из табл. 1. Таким образом, необходимо заранее позаботиться о масштабировании и сдвиге сигналов, чтобы максимально полно использовать диапазон приемлемых входных сигналов. Опыт использования нейронных сетей с входными синапсами свидетельствует о том, что в подавляющем большинстве случаев предварительное масштабирование и сдвиг входных сигналов сильно облегчает обучение нейронных сетей. Если заранее произвести операции масштабирования и сдвига входных сигналов, то величины выходных сигналов нейронов даже при отсутствии входных синапсов будут различаться еще сильнее (см. табл. 3).