Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

1. Диагностический анализ исследования алгоритмов обучения нейронных сетей "с учителем"

1.1 Сбор данных для нейронной сети

1.2 Пре/пост процессирование

1.3 Обучение многослойного персептрона

1.4 Алгоритм обратного распространения

1.5 Переобучение и обобщение

1.6 Как обучается многослойный персептрон

2. Реализация алгоритмов обучения нейронных сетей "с учителем"

Заключение

Список использованных источников

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

В последние несколько лет мы наблюдаем взрыв интереса к нейронным сетям, которые успешно применяются в самых различных областях - бизнесе, медицине, технике, геологии , физике. Нейронные сети вошли в практику везде, где нужно решать задачи прогнозирования, классификации или управления. Такой впечатляющий успех определяется несколькими причинами:

1. Богатые возможности. Нейронные сети - исключительно мощный метод моделирования, позволяющий воспроизводить чрезвычайно сложные зависимости. В частности, нейронные сети нелинейны по свой природе (смысл этого понятия подробно разъясняется далее в этой главе). На протяжение многих лет линейное моделирование было основным методом моделирования в большинстве областей, поскольку для него хорошо разработаны процедуры оптимизации. В задачах, где линейная аппроксимация неудовлетворительна (а таких достаточно много), линейные модели работают плохо. Кроме того, нейронные сети справляются с "проклятием размерности", которое не позволяет моделировать линейные зависимости в случае большого числа переменных

2. Простота в использовании. Нейронные сети учатся на примерах. Пользователь нейронной сети подбирает представительные данные, а затем запускает алгоритм обучения, который автоматически воспринимает структуру данных. При этом от пользователя, конечно, требуется какой-то набор эвристических знаний о том, как следует отбирать и подготавливать данные, выбирать нужную архитектуру сети и интерпретировать результаты, однако уровень знаний, необходимый для успешного применения нейронных сетей, гораздо скромнее, чем, например, при использовании традиционных методов статистики.

Нейронные сети привлекательны с интуитивной точки зрения, ибо они основаны на примитивной биологической модели нервных систем. В будущем развитие таких нейро-биологических моделей может привести к созданию действительно мыслящих компьютеров. Между тем уже "простые" нейронные сети, которые строит система ST Neural Networks , являются мощным оружием в арсенале специалиста по прикладной статистике.

Нейронные сети возникли из исследований в области искусственного интеллекта, а именно, из попыток воспроизвести способность биологических нервных систем обучаться и исправлять ошибки, моделируя низкоуровневую структуру мозга (Patterson, 1996). Основной областью исследований по искусственному интеллекту в 60-е - 80-е годы были экспертные системы. Такие системы основывались на высокоуровневом моделировании процесса мышления (в частности, на представлении, что процесс нашего мышления построен на манипуляциях с символами). Скоро стало ясно, что подобные системы, хотя и могут принести пользу в некоторых областях, не ухватывают некоторые ключевые аспекты человеческого интеллекта. Согласно одной из точек зрения, причина этого состоит в том, что они не в состоянии воспроизвести структуру мозга. Чтобы создать искусственный интеллект, необходимо построить систему с похожей архитектурой.

Мозг состоит из очень большого числа (приблизительно 10,000,000,000) нейронов, соединенных многочисленными связями (в среднем несколько тысяч связей на один нейрон, однако это число может сильно колебаться). Нейроны - это специальная клетки, способные распространять электрохимические сигналы. Нейрон имеет разветвленную структуру ввода информации (дендриты), ядро и разветвляющийся выход (аксон). Аксоны клетки соединяются с дендритами других клеток с помощью синапсов. При активации нейрон посылает электрохимический сигнал по своему аксону. Через синапсы этот сигнал достигает других нейронов, которые могут в свою очередь активироваться. Нейрон активируется тогда, когда суммарный уровень сигналов, пришедших в его ядро из дендритов, превысит определенный уровень (порог активации).

Интенсивность сигнала, получаемого нейроном (а следовательно и возможность его активации), сильно зависит от активности синапсов. Каждый синапс имеет протяженность, и специальные химические вещества передают сигнал вдоль него. Один из самых авторитетных исследователей нейросистем, Дональд Хебб, высказал постулат, что обучение заключается в первую очередь в изменениях "силы" синаптических связей. Например, в классическом опыте Павлова, каждый раз непосредственно перед кормлением собаки звонил колокольчик, и собака быстро научилась связывать звонок колокольчика с пищей. Синаптические связи между участками коры головного мозга, ответственными за слух, и слюнными железами усилились, и при возбуждении коры звуком колокольчика у собаки начиналось слюноотделение.

Таким образом, будучи построен из очень большого числа совсем простых элементов (каждый из которых берет взвешенную сумму входных сигналов и в случае, если суммарный вход превышает определенный уровень, передает дальше двоичный сигнал), мозг способен решать чрезвычайно сложные задачи. Разумеется, мы не затронули здесь многих сложных аспектов устройства мозга, однако интересно то, что искусственные нейронные сети способны достичь замечательных результатов, используя модель, которая ненамного сложнее, чем описанная выше.

1. ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ ОБУЧЕНИЯ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ "С УЧИТЕЛЕМ"

Для управляемого обучения сети пользователь должен подготовить набор обучающих данных. Эти данные представляют собой примеры входных данных и соответствующих им выходов. Сеть учится устанавливать связь между первыми и вторыми. Обычно обучающие данные берутся из исторических сведений. В рассмотренных выше примерах это могут быть предыдущие значения цен акций и индекса FTSE, сведения о прошлых заемщиках - их анкетные данные и то, успешно ли они выполнили свои обязательства, примеры положений робота и его правильной реакции.

Затем нейронная сеть обучается с помощью того или иного алгоритма управляемого обучения (наиболее известным из них является метод обратного распространения, предложенный в работе Rumelhart et al., 1986), при котором имеющиеся данные используются для корректировки весов и пороговых значений сети таким образом, чтобы минимизировать ошибку прогноза на обучающем множестве. Если сеть обучена хорошо, она приобретает способность моделировать (неизвестную) функцию, связывающую значения входных и выходных переменных, и впоследствии такую сеть можно использовать для прогнозирования в ситуации, когда выходные значения неизвестны.

1.1 Сбор данных для нейронной сети

Если задача будет решаться с помощью нейронной сети, то необходимо собрать данные для обучения. Обучающий набор данных представляет собой набор наблюдений, для которых указаны значения входных и выходных переменных. Первый вопрос, который нужно решить, - какие переменные использовать и сколько (и каких) наблюдений собрать.

Выбор переменных (по крайней мере первоначальный) осуществляется интуитивно. Ваш опыт работы в данной предметной области поможет определить, какие переменные являются важными. При работе с пакетом ST Neural Networks Вы можете произвольно выбирать переменные и отменять предыдущий выбор; кроме того, система ST Neural Networks умеет сама опытным путем отбирать полезные переменные. Для начала имеет смысл включить все переменные, которые, по Вашему мнению, могут влиять на результат - на последующих этапах мы сократим это множество.

Нейронные сети могут работать с числовыми данными, лежащими в определенном ограниченном диапазоне. Это создает проблемы в случаях, когда данные имеют нестандартный масштаб, когда в них имеются пропущенные значения, и когда данные являются нечисловыми. В пакете ST Neural Networks имеются средства, позволяющие справиться со всеми этими трудностями. Числовые данные масштабируются в подходящий для сети диапазон, а пропущенные значения можно заменить на среднее значение (или на другую статистику) этой переменной по всем имеющимся обучающим примерам (Bishop, 1995).

Более трудной задачей является работа с данными нечислового характера. Чаще всего нечисловые данные бывают представлены в виде номинальных переменных типа Пол = {Муж , Жен }. Переменные с номинальными значениями можно представить в числовом виде, и в системе ST Neural Networks имеются средства для работы с такими данными. Однако, нейронные сети не дают хороших результатов при работе с номинальными переменными, которые могут принимать много разных значений.

Пусть, например, мы хотим научить нейронную сеть оценивать стоимость объектов недвижимости. Цена дома очень сильно зависит от того, в каком районе города он расположен. Город может быть подразделен на несколько десятков районов, имеющих собственные названия, и кажется естественным ввести для обозначения района переменную с номинальными значениями. К сожалению, в этом случае обучить нейронную сеть будет очень трудно, и вместо этого лучше присвоить каждому району определенный рейтинг (основываясь на экспертных оценках).

Нечисловые данные других типов можно либо преобразовать в числовую форму, либо объявить незначащими. Значения дат и времени, если они нужны, можно преобразовать в числовые, вычитая из них начальную дату (время). Обозначения денежных сумм преобразовать совсем несложно. С произвольными текстовыми полями (например, фамилиями людей) работать нельзя и их нужно сделать незначащими.

Вопрос о том, сколько наблюдений нужно иметь для обучения сети, часто оказывается непростым. Известен ряд эвристических правил, увязывающих число необходимых наблюдений с размерами сети (простейшее из них гласит, что число наблюдений должно быть в десять раз больше числа связей в сети). На самом деле это число зависит также от (заранее неизвестной) сложности того отображения, которое нейронная сеть стремится воспроизвести. С ростом количества переменных количество требуемых наблюдений растет нелинейно, так что уже при довольно небольшом (например, пятьдесят) числе переменных может потребоваться огромное число наблюдений. Эта трудность известна как "проклятие размерности", и мы обсудим ее дальше в этой главе.

Для большинства реальных задач бывает достаточно нескольких сотен или тысяч наблюдений. Для особо сложных задач может потребоваться еще большее количество, однако очень редко может встретиться (даже тривиальная) задача, где хватило бы менее сотни наблюдений. Если данных меньше, чем здесь сказано, то на самом деле у Вас недостаточно информации для обучения сети, и лучшее, что Вы можете сделать - это попробовать подогнать к данным некоторую линейную модель. В пакете ST Neural Networks реализованы средства для подгонки линейных моделей (см. раздел про линейные сети, а также материал по модулю Множественная регрессия системы STATISTICA).

Во многих реальных задачах приходится иметь дело с не вполне достоверными данными. Значения некоторых переменных могут быть искажены шумом или частично отсутствовать. Пакет ST Neural Networks имеет специальные средства работы с пропущенными значениями (они могут быть заменены на среднее значение этой переменной или на другие ее статистики), так что если у Вас не так много данных, Вы можете включить в рассмотрение случаи с пропущенными значениями (хотя, конечно, лучше этого избегать). Кроме того, нейронные сети в целом устойчивы к шумам. Однако у этой устойчивости есть предел. Например, выбросы, т.е. значения, лежащие очень далеко от области нормальных значений некоторой переменной, могут исказить результат обучения. В таких случаях лучше всего постараться обнаружить и удалить эти выбросы (либо удалив соответствующие наблюдения, либо преобразовав выбросы в пропущенные значения). Если выбросы выявить трудно, то можно воспользоваться имеющимися в пакете ST Neural Networks возможностями сделать процесс обучения устойчивым к выбросам (с помощью функции ошибок типа "городских кварталов"; см. Bishop, 1995), однако такое устойчивое к выбросам обучение, как правило, менее эффективно, чем стандартное.

1.2 Пре/пост процессирование

Всякая нейронная сеть принимает на входе числовые значения и выдает на выходе также числовые значения. Передаточная функция для каждого элемента сети обычно выбирается таким образом, чтобы ее входной аргумент мог принимать произвольные значения, а выходные значения лежали бы в строго ограниченном диапазоне ("сплющивание"). При этом, хотя входные значения могут быть любыми, возникает эффект насыщения, когда элемент оказывается чувствительным лишь к входным значениям, лежащим в некоторой ограниченной области. На этом рисунке представлена одна из наиболее распространенных передаточных функций - так называемая логистическая функция (иногда ее также называют сигмоидной функцией, хотя если говорить строго, это всего лишь один из частных случаев сигмоидных - т.е. имеющих форму буквы S - функций). В этом случае выходное значение всегда будет лежать в интервале (0,1), а область чувствительности для входов чуть шире интервала (-1,+1). Данная функция является гладкой, а ее производная легко вычисляется - это обстоятельство весьма существенно для работы алгоритма обучения сети (в этом также кроется причина того, что ступенчатая функция для этой цели практически не используется).

Коль скоро выходные значения всегда принадлежат некоторой ограниченной области, а вся информация должна быть представлена в числовом виде, очевидно, что при решении реальных задач методами нейронных сетей требуются этапы предварительной обработки - пре-процессирования - и заключительной обработки - пост-процессирования данных (Bishop, 1995). Соответствующие средства имеются в пакете ST Neural Networks. Здесь нужно рассмотреть два вопроса:

Шкалирование. Числовые значения должны быть приведены в масштаб, подходящий для сети. Обычно исходные данные масштабируются по линейной шкале. В пакете ST Neural Networks реализованы алгоритмы минимакса и среднего/стандартного отклонения, которые автоматически находят масштабирующие параметры для преобразования числовых значений в нужный диапазон.

В некоторых случаях более подходящим может оказаться нелинейное шкалирование (например, если заранее известно, что переменная имеет экспоненциальное распределение, имеет смысл взять ее логарифм). Нелинейное шкалирование не реализовано в модуле ST Neural Networks. Вы можете прошкалировать переменную средствами преобразования даных базовой системы STATISTICA, а затем работать с ней в модуле ST Neural Networks.

Номинальные переменные. Номинальные переменные могут быть двузначными (например, Пол ={Муж, Жен}) или многозначными (т.е. принимать более двух значений или состояний). Двузначную номинальную переменную легко преобразовать в числовую (например, Муж = 0, Жен = 1). С многозначными номинальными переменными дело обстоит сложнее. Их тоже можно представить одним числовым значением (например, Собака = 0, Овца = 1, Кошка = 2), однако при этом возникнет (возможно) ложное упорядочивание значений номинальной переменной: в рассмотренном примере Овца окажется чем-то средним между Собакой и Кошкой. Существует более точный способ, известный как кодирование 1-из-N, в котором одна номинальная переменная представляется несколькими числовыми переменными. Количество числовых переменных равно числу возможных значений номинальной переменной; при этом всякий раз ровно одна из N переменных принимает ненулевое значение (например, Собака = {1,0,0}, Овца = {0,1,0}, Кошка = {0,0,1}). В пакете ST Neural Networks имеются возможности преобразовывать как двух-, так и многозначные номинальные переменные для последующего использования в нейронной сети. К сожалению, номинальная переменная с большим числом возможных состояний потребует при кодировании методом 1-из-N очень большого количества числовых переменных, а это приведет к росту размеров сети и создаст трудности при ее обучении. В таких ситуациях возможно (но не всегда достаточно) смоделировать номинальную переменную с помощью одного числового индекса, однако лучше будет попытаться найти другой способ представления данных.

Задачи прогнозирования можно разбить на два основных класса: классификация и регрессия.

В задачах классификации нужно бывает определить, к какому из нескольких заданных классов принадлежит данный входной набор. Примерами могут служить предоставление кредита (относится ли данное лицо к группе высокого или низкого кредитного риска), диагностика раковых заболеваний (опухоль, чисто), распознавание подписи (поддельная, подлинная). Во всех этих случаях, очевидно, на выходе требуется всего одна номинальная переменная. Чаще всего (как в этих примерах) задачи классификации бывают двузначными, хотя встречаются и задачи с несколькими возможными состояниями.

В задачах регрессии требуется предсказать значение переменной, принимающей (как правило) непрерывные числовые значения: завтрашнюю цену акций, расход топлива в автомобиле, прибыли в следующем году и т.п.. В таких случаях в качестве выходной требуется одна числовая переменная.

Нейронная сеть может решать одновременно несколько задач регрессии и/или классификации, однако обычно в каждый момент решается только одна задача. Таким образом, в большинстве случаев нейронная сеть будет иметь всего одну выходную переменную; в случае задач классификации со многими состояниями для этого может потребоваться несколько выходных элементов (этап пост-процессирования отвечает за преобразование информации из выходных элементов в выходную переменную).

В пакете ST Neural Networks для решения всех этих вопросов реализованы специальные средства пре- и пост-процессирования, которые позволяют привести сырые исходные данные в числовую форму, пригодную для обработки нейронной сетью, и преобразовать выход нейронной сети обратно в формат входных данных. Нейронная сеть служит "прослойкой"между пре- и пост-процессированием, и результат выдается в нужном виде (например, в задаче классификации выдается название выходного класса). Кроме того, в пакете ST Neural Networks пользователь может (если пожелает) получить прямой доступ к внутренним параметрам активации сети.

1.3 Обучение многослойного персептрона

После того, как определено число слоев и число элементов в каждом из них, нужно найти значения для весов и порогов сети, которые бы минимизировали ошибку прогноза, выдаваемого сетью. Именно для этого служат алгоритмы обучения. С использованием собранных исторических данных веса и пороговые значения автоматически корректируются с целью минимизировать эту ошибку. По сути этот процесс представляет собой подгонку модели, которая реализуется сетью, к имеющимся обучающим данным. Ошибка для конкретной конфигурации сети определяется путем прогона через сеть всех имеющихся наблюдений и сравнения реально выдаваемых выходных значений с желаемыми (целевыми) значениями. Все такие разности суммируются в так называемую функцию ошибок, значение которой и есть ошибка сети. В качестве функции ошибок чаще всего берется сумма квадратов ошибок, т.е. когда все ошибки выходных элементов для всех наблюдений возводятся в квадрат и затем суммируются. При работе с пакетом ST Neural Networks пользователю выдается так называемая среднеквадратичная ошибка (RMS) - описанная выше величина нормируется на число наблюдений и переменных, после чего из нее извлекается квадратный корень - это очень хорошая мера ошибки, усредненная по всему обучающему множеству и по всем выходным элементам.

В традиционном моделировании (например, линейном моделировании) можно алгоритмически определить конфигурацию модели, дающую абсолютный минимум для указанной ошибки. Цена, которую приходится платить за более широкие (нелинейные) возможности моделирования с помощью нейронных сетей, состоит в том, что, корректируя сеть с целью минимизировать ошибку, мы никогда не можем быть уверены, что нельзя добиться еще меньшей ошибки.

В этих рассмотрениях оказывается очень полезным понятие поверхности ошибок. Каждому из весов и порогов сети (т.е. свободных параметров модели; их общее число обозначим через N) соответствует одно измерение в многомерном пространстве. N+1-е измерение соответствует ошибке сети. Для всевозможных сочетаний весов соответствующую ошибку сети можно изобразить точкой в N+1-мерном пространстве, и все такие точки образуют там некоторую поверхность - поверхность ошибок. Цель обучения нейронной сети состоит в том, чтобы найти на этой многомерной поверхности самую низкую точку.

В случае линейной модели с суммой квадратов в качестве функции ошибок эта поверхность ошибок будет представлять собой параболоид (квадрику) - гладкую поверхность, похожую на часть поверхности сферы, с единственным минимумом. В такой ситуации локализовать этот минимум достаточно просто.

В случае нейронной сети поверхность ошибок имеет гораздо более сложное строение и обладает рядом неприятных свойств, в частности, может иметь локальные минимумы (точки, самые низкие в некоторой своей окрестности, но лежащие выше глобального минимума), плоские участки, седловые точки и длинные узкие овраги.

Аналитическими средствами невозможно определить положение глобального минимума на поверхности ошибок, поэтому обучение нейронной сети по сути дела заключается в исследовании поверхности ошибок. Отталкиваясь от случайной начальной конфигурации весов и порогов (т.е. случайно взятой точки на поверхности ошибок), алгоритм обучения постепенно отыскивает глобальный минимум. Как правило, для этого вычисляется градиент (наклон) поверхности ошибок в данной точке, а затем эта информация используется для продвижения вниз по склону. В конце концов алгоритм останавливается в нижней точке, которая может оказаться всего лишь локальным минимумом (а если повезет - глобальным минимумом).

1.4 Алгоритм обратного распространения

Самый известный вариант алгоритма обучения нейронной сети - так называемый алгоритм обратного распространения (back propagation; см. Patterson, 1996; Haykin, 1994; Fausett, 1994). Существуют современные алгоритмы второго порядка, такие как метод сопряженных градиентов и метод Левенберга-Маркара (Bishop, 1995; Shepherd, 1997) (оба они реализованы в пакете ST Neural Networks), которые на многих задачах работают существенно быстрее (иногда на порядок). Алгоритм обратного распространения наиболее прост для понимания, а в некоторых случаях он имеет определенные преимущества. Сейчас мы опишем его, а более продвинутые алгоритмы рассмотрим позже. Разработаны также эвристические модификации этого алгоритма, хорошо работающие для определенных классов задач, - быстрое распространение (Fahlman, 1988) и Дельта-дельта с чертой (Jacobs, 1988) - оба они также реализованы в пакете ST Neural Networks.

В алгоритме обратного распространения вычисляется вектор градиента поверхности ошибок. Этот вектор указывает направление кратчайшего спуска по поверхности из данной точки, поэтому если мы "немного" продвинемся по нему, ошибка уменьшится. Последовательность таких шагов (замедляющаяся по мере приближения к дну) в конце концов приведет к минимуму того или иного типа. Определенную трудность здесь представляет вопрос о том, какую нужно брать длину шагов.

При большой длине шага сходимость будет более быстрой, но имеется опасность перепрыгнуть через решение или (если поверхность ошибок имеет особо вычурную форму) уйти в неправильном направлении. Классическим примером такого явления при обучении нейронной сети является ситуация, когда алгоритм очень медленно продвигается по узкому оврагу с крутыми склонами, прыгая с одной его стороны на другую. Напротив, при маленьком шаге, вероятно, будет схвачено верное направление, однако при этом потребуется очень много итераций. На практике величина шага берется пропорциональной крутизне склона (так что алгоритм замедляет ход вблизи минимума) с некоторой константой, которая называется скоростью обучения. Правильный выбор скорости обучения зависит от конкретной задачи и обычно осуществляется опытным путем; эта константа может также зависеть от времени, уменьшаясь по мере продвижения алгоритма.

Обычно этот алгоритм видоизменяется таким образом, чтобы включать слагаемое импульса (или инерции). Этот член способствует продвижению в фиксированном направлении, поэтому если было сделано несколько шагов в одном и том же направлении, то алгоритм "увеличивает скорость", что (иногда) позволяет избежать локального минимума, а также быстрее проходить плоские участки.

Таким образом, алгоритм действует итеративно, и его шаги принято называть эпохами. На каждой эпохе на вход сети поочередно подаются все обучающие наблюдения, выходные значения сети сравниваются с целевыми значениями и вычисляется ошибка. Значение ошибки, а также градиента поверхности ошибок используется для корректировки весов, после чего все действия повторяются. Начальная конфигурация сети выбирается случайным образом, и процесс обучения прекращается либо когда пройдено определенное количество эпох, либо когда ошибка достигнет некоторого определенного уровня малости, либо когда ошибка перестанет уменьшаться (пользователь может сам выбрать нужное условие остановки).

1.5 Переобучение и обобщение

Одна из наиболее серьезных трудностей изложенного подхода заключается в том, что таким образом мы минимизируем не ту ошибку, которую на самом деле нужно минимизировать, - ошибку, которую можно ожидать от сети, когда ей будут подаваться совершенно новые наблюдения. Иначе говоря, мы хотели бы, чтобы нейронная сеть обладала способностью обобщать результат на новые наблюдения. В действительности сеть обучается минимизировать ошибку на обучающем множестве, и в отсутствие идеального и бесконечно большого обучающего множества это совсем не то же самое, что минимизировать "настоящую" ошибку на поверхности ошибок в заранее неизвестной модели явления (Bishop, 1995).

Сильнее всего это различие проявляется в проблеме переобучения, или слишком близкой подгонки. Это явление проще будет продемонстрировать не для нейронной сети, а на примере аппроксимации посредством полиномов, - при этом суть явления абсолютно та же.

Полином (или многочлен) - это выражение, содержащее только константы и целые степени независимой переменной. Вот примеры:

y=2x+3

y=3x²+4x+1

Графики полиномов могут иметь различную форму, причем чем выше степень многочлена (и, тем самым, чем больше членов в него входит), тем более сложной может быть эта форма. Если у нас есть некоторые данные, мы можем поставить цель подогнать к ним полиномиальную кривую (модель) и получить таким образом объяснение для имеющейся зависимости. Наши данные могут быть зашумлены, поэтому нельзя считать, что самая лучшая модель задается кривой, которая в точности проходит через все имеющиеся точки. Полином низкого порядка может быть недостаточно гибким средством для аппроксимации данных, в то время как полином высокого порядка может оказаться чересчур гибким, и будет точно следовать данным, принимая при этом замысловатую форму, не имеющую никакого отношения к форме настоящей зависимости.

Нейронная сеть сталкивается с точно такой же трудностью. Сети с большим числом весов моделируют более сложные функции и, следовательно, склонны к переобучению. Сеть же с небольшим числом весов может оказаться недостаточно гибкой, чтобы смоделировать имеющуюся зависимость. Например, сеть без промежуточных слоев на самом деле моделирует обычную линейную функцию.

Как же выбрать "правильную" степень сложности для сети? Почти всегда более сложная сеть дает меньшую ошибку, но это может свидетельствовать не о хорошем качестве модели, а о переобучении.

Ответ состоит в том, чтобы использовать механизм контрольной кросс-проверки. Мы резервируем часть обучающих наблюдений и не используем их в обучении по алгоритму обратного распространения. Вместо этого, по мере работы алгоритма, они используются для независимого контроля результата. В самом начале работы ошибка сети на обучающем и контрольном множестве будет одинаковой (если они существенно отличаются, то, вероятно, разбиение всех наблюдений на два множества было неоднородно). По мере того, как сеть обучается, ошибка обучения, естественно, убывает, и, пока обучение уменьшает действительную функцию ошибок, ошибка на контрольном множестве также будет убывать. Если же контрольная ошибка перестала убывать или даже стала расти, это указывает на то, что сеть начала слишком близко аппроксимировать данные и обучение следует остановить (в пакете ST Neural Networks можно задать автоматическую остановку обучения при появлении эффекта переобучения). Это явление чересчур точной аппроксимации в процессе обучения и называется переобучением. Если такое случилось, то обычно советуют уменьшить число скрытых элементов и/или слоев, ибо сеть является слишком мощной для данной задачи. Если же сеть, наоборот, была взята недостаточно богатой для того, чтобы моделировать имеющуюся зависимость, то переобучения, скорее всего, не произойдет, и обе ошибки - обучения и проверки - не достигнут достаточного уровня малости.

Описанные проблемы с локальными минимумами и выбором размера сети приводят к тому, что при практической работе с нейронными сетями, как правило, приходится экспериментировать с большим числом различных сетей, порой обучая каждую из них по нескольку раз (чтобы не быть введенным в заблуждение локальными минимумами) и сравнивая полученные результаты. Главным показателем качества результата является здесь контрольная ошибка. При этом, в соответствии с общенаучным принципом, согласно которому при прочих равных следует предпочесть более простую модель, из двух сетей с приблизительно равными ошибками контроля имеет смысл выбрать ту, которая меньше.

Необходимость многократных экспериментов ведет к тому, что контрольное множество начинает играть ключевую роль в выборе модели, то есть становится частью процесса обучения. Тем самым ослабляется его роль как независимого критерия качества модели - при большом числе экспериментов есть риск выбрать "удачную" сеть, дающую хороший результат на контрольном множестве. Для того, чтобы придать окончательной модели должную надежность, часто (по крайней мере, когда объем обучающих данных это позволяет) поступают так: резервируют еще одно - тестовое множество наблюдений. Итоговая модель тестируется на данных из этого множества, чтобы убедиться, что результаты, достигнутые на обучающем и контрольном множествах реальны, а не являются артефактами процесса обучения. Разумеется, для того чтобы хорошо играть свою роль, тестовое множество должно быть использовано только один раз: если его использовать повторно для корректировки процесса обучения, то оно фактически превратится в контрольное множество.

Итак, построение сети (после выбора входных переменных) состоит из следующих шагов:

1. Выбрать начальную конфигурацию сети (например, один промежуточный слой с числом элементов в нем, равным полусумме числа входов и числа выходов - Наставник (Network Advisor) пакета ST Neural Networks предложит Вам такую конфигурацию по умолчанию).

2. Провести ряд экспериментов с различными конфигурациями, запоминая при этом лучшую сеть (в смысле контрольной ошибки). В пакете ST Neural Networks предусмотрено автоматическое запоминание лучшей сети во время эксперимента. Для каждой конфигурации следует провести несколько экспериментов, чтобы не получить ошибочный результат из-за того, что процесс обучения попал в локальный минимум.

3. Если в очередном эксперименте наблюдается недообучение (сеть не выдает результат приемлемого качества), попробовать добавить дополнительные нейроны в промежуточный слой (слои). Если это не помогает, попробовать добавить новый промежуточный слой.

4. Если имеет место переобучение (контрольная ошибка стала расти), попробовать удалить несколько скрытых элементов (а возможно и слоев).

Многократное повторение эвристических экспериментов в лучшем случае довольно утомительно, и поэтому в пакет ST Neural Networks включен специальный алгоритм автоматического поиска, который проделает эти действия за Вас. Автоматический конструктор сети - Automatic Network Designer проведет эксперименты с различным числом скрытых элементов, для каждой пробной архитектуры сети выполнит несколько прогонов обучения, отбирая при этом наилучшую сеть по показателю контрольной ошибки с поправкой на размер сети. В Автоматическом конструкторе сети реализованы сложные алгоритмы поиска, в том числе метод "искусственного отжига" (simulated annealing, Kirkpatrick et al., 1983), с помощью которых можно перепробовать сотни различных сетей, выделяя из них особо перспективные, либо быстро находить "грубое и простое" решение.

1.6 Как обучается многослойный персептрон

Мы сможем лучше понять, как устроен и как обучается многослойный персептрон (MLP), если выясним, какие функции он способен моделировать. Вспомним, что уровнем активации элемента называется взвешенная сумма его входов с добавленным к ней пороговым значением. Таким образом, уровень активации представляет собой простую линейную функцию входов. Эта активация затем преобразуется с помощью сигмоидной ( имеющей S-образную форму) кривой.

Комбинация линейной функции нескольких переменных и скалярной сигмоидной функции приводит к характерному профилю "сигмоидного склона", который выдает элемент первого промежуточного слоя MLP. При изменении весов и порогов меняется и поверхность отклика. При этом может меняться как ориентация всей поверхности, так и крутизна склона. Большим значениям весов соответствует более крутой склон. Так например, если увеличить все веса в два раза, то ориентация не изменится, а наклон будет более крутым.

В многослойной сети подобные функции отклика комбинируются друг с другом с помощью последовательного взятия их линейных комбинаций и применения нелинейных функций активации. На этом рисунке изображена типичная поверхность отклика для сети с одним промежуточным слоем, состоящим из двух элементов, и одним выходным элементом, для классической задачи "исключающего или" (Xor). Две разных сигмоидных поверхности объединены в одну поверхность, имеющую форму буквы "U".

Перед началом обучения сети весам и порогам случайным образом присваиваются небольшие по величине начальные значения. Тем самым отклики отдельных элементов сети имеют малый наклон и ориентированы хаотично - фактически они не связаны друг с другом. По мере того, как происходит обучение, поверхности отклика элементов сети вращаются и сдвигаются в нужное положение, а значения весов увеличиваются, поскольку они должны моделировать отдельные участки целевой поверхности отклика.

В задачах классификации выходной элемент должен выдавать сильный сигнал в случае, если данное наблюдение принадлежит к интересующему нас классу, и слабый - в противоположном случае. Иначе говоря, этот элемент должен стремиться смоделировать функцию, равную единице в той области пространства объектов, где располагаются объекты из нужного класса, и равную нулю вне этой области. Такая конструкция известна как дискриминантная функция в задачах распознавания. "Идеальная" дискриминантная функция должна иметь плоскую структуру, так чтобы точки соответствующей поверхности располагались либо на нулевом уровне, либо на высоте единица.

Если сеть не содержит скрытых элементов, то на выходе она может моделировать только одинарный "сигмоидный склон": точки, находящиеся по одну его сторону, располагаются низко, по другую - высоко. При этом всегда будет существовать область между ними (на склоне), где высота принимает промежуточные значения, но по мере увеличения весов эта область будет сужаться.

Такой сигмоидный склон фактически работает как линейная дискриминантная функция. Точки, лежащие по одну сторону склона, классифицируются как принадлежащие нужному классу, а лежащие по другую сторону - как не принадлежащие. Следовательно, сеть без скрытых слоев может служить классификатором только в линейно-отделимых задачах (когда можно провести линию - или, в случае более высоких размерностей, - гиперплоскость, разделяющую точки в пространстве признаков).

Сеть, содержащая один промежуточный слой, строит несколько сигмоидных склонов - по одному для каждого скрытого элемента, - и затем выходной элемент комбинирует из них "возвышенность". Эта возвышенность получается выпуклой, т.е. не содержащей впадин. При этом в некоторых направлениях она может уходить на бесконечность (как длинный полуостров). Такая сеть может моделировать большинство реальных задач классификации.

алгоритм нейронный персептрон процессирование

Рисунок 1.1. Поверхность отклика, полученная многослойным персептроном.

На рисунке показана поверхность отклика, полученная многослойным персептроном для решения задачи исключающего или: хорошо видно, что она выделяет область пространства, расположенную вдоль диагонали.

Сеть с двумя промежуточными слоями строит комбинацию из нескольких таких возвышенностей. Их будет столько же, сколько элементов во втором слое, и у каждой из них будет столько сторон, сколько элементов было в первом скрытом слое. После небольшого размышления можно прийти к выводу, что, используя достаточное число таких возвышенностей, можно воспроизвести поверхность любой формы - в том числе с впадинами и вогнутостями.

Как следствие наших рассмотрений мы получаем, что, теоретически, для моделирования любой задачи достаточно многослойного персептрона с двумя промежуточными слоями (в точной формулировке этот результат известен как теорема Колмогорова). При этом может оказаться и так, что для решения некоторой конкретной задачи более простой и удобной будет сеть с еще большим числом слоев. Однако, для решения большинства практических задач достаточно всего одного промежуточного слоя, два слоя применяются как резерв в особых случаях, а сети с тремя слоями практически не применяются.

В задачах классификации очень важно понять, как следует интерпретировать те точки, которые попали на склон или лежат близко от него. Стандартный выход здесь состоит в том, чтобы для пороговых значений установить некоторые доверительные пределы (принятия или отвержения), которые должны быть достигнуты, чтобы данных элемент считался "принявшим решение". Например, если установлены пороги принятия/отвержения 0.95/0.05, то при уровне выходного сигнала, превосходящем 0.95 элемент считается активным, при уровне ниже 0.05 - неактивным, а в промежутке - "неопределенным".

Имеется и более тонкий (и, вероятно, более полезный) способ интерпретировать уровни выходного сигнала: считать их вероятностями. В этом случае сеть выдает несколько большую информацию, чем просто "да/нет": она сообщает нам, насколько (в некотором формальном смысле) мы можем доверять ее решению. Разработаны (и реализованы в пакете ST Neural Networks) модификации метода MLP, позволяющие интерпретировать выходной сигнал нейронной сети как вероятность, в результате чего сеть по существу учится моделировать плотность вероятности распределения данного класса. При этом, однако, вероятностная интерпретация обоснована только в том случае, если выполнены определенные предположения относительно распределения исходных данных (конкретно, что они являются выборкой из некоторого распределения, принадлежащего к семейству экспоненциальных распределений; Bishop, 1995). Здесь, как и ранее, может быть принято решение по классификации, но, кроме того, вероятностная интерпретация позволяет ввести концепцию "решения с минимальными затратами".

2. РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ ОБУЧЕНИЯ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ "С УЧИТЕЛЕМ"

Рассмотренный в алгоритм обучения нейронной сети с помощью процедуры обратного распространения подразумевает наличие некоего внешнего звена, предоставляющего сети кроме входных так же и целевые выходные образы. Алгоритмы, пользующиеся подобной концепцией, называются алгоритмами обучения с учителем. Для их успешного функционирования необходимо наличие экспертов, создающих на предварительном этапе для каждого входного образа эталонный выходной. Так как создание искусственного интеллекта движется по пути копирования природных прообразов, ученые не прекращают спор на тему, можно ли считать алгоритмы обучения с учителем натуральными или же они полностью искусственны. Например, обучение человеческого мозга, на первый взгляд, происходит без учителя: на зрительные, слуховые, тактильные и прочие рецепторы поступает информация извне, и внутри нервной системы происходит некая самоорганизация. Однако, нельзя отрицать и того, что в жизни человека не мало учителей - и в буквальном, и в переносном смысле, - которые координируют внешние воздействия. Вместе в тем, чем бы ни закончился спор приверженцев этих двух концепций обучения, они обе имеют право на существование.

Главная черта, делающая обучение без учителя привлекательным, - это его "самостоятельность". Процесс обучения, как и в случае обучения с учителем, заключается в подстраивании весов синапсов. Некоторые алгоритмы, правда, изменяют и структуру сети, то есть количество нейронов и их взаимосвязи, но такие преобразования правильнее назвать более широким термином - самоорганизацией, и в рамках данной статьи они рассматриваться не будут. Очевидно, что подстройка синапсов может проводиться только на основании информации, доступной в нейроне, то есть его состояния и уже имеющихся весовых коэффициентов. Исходя из этого соображения и, что более важно, по аналогии с известными принципами самоорганизации нервных клеток, построены алгоритмы обучения Хебба.

Развивая объектно-ориентированный подход в моделировании нейронных сетей, для программной реализации сетей, использующих алгоритм обучения без учителя, были разработаны отдельные классы объектов типа нейрон, слой и сеть, названия которых снабжены суффиксом UL. Они наследуют основные свойства от соответствующих объектов прямопоточной сети. Фрагмент заголовочного файла с описаниями классов и функций для таких сетей представлен на листинге 1.

Как видно из него, в классе NeuronUL в отличие от NeuronBP отсутствуют обратные связи и инструменты их поддержания, а по сравнению с NeuronFF здесь появилось лишь две новых переменных - delta и inhibitory. Первая из них хранит расстояние, рассчитываемое по формуле , а вторая - величину заторможенности нейрона. В классе NeuronUL существует два конструктора - один, используемый по умолчанию, - не имеет параметров, и к созданным с помощью него нейронам необходимо затем применять метод _allocateNeuron класса NeuronFF. Другой сам вызывает эту функцию через соответствующий конструктор NeuronFF. Метод Propagate является почти полным аналогом одноименного метода из NeuronFF, за исключением вычисления величин delta и inhibitory. Методы Normalize и Equalize выполняют соответственно нормализацию значений весовых коэффициентов по формуле. Метод CountDistance вычисляет расстояние. Следует особо отметить, что в классе отсутствует метод IsConverged, что, объясняется, как говорилось выше, различными способами определения факта завершения обучения. Хотя в принципе написать такую функцию не сложно, в данной программной реализации завершение обучения определяется по "телеметрической" информации, выводимой на экран, самим пользователем. В представленном же вместе со статьей тесте число итераций, выполняющих обучение, вообще говоря, эмпирически задано равным 3000.

В состав класса LayerUL входит массив нейронов neurons и переменная с размерностью массивов синапсов - neuronrang. Метод распределения нейронов - внешний или внутренний - определяется тем, как создавался слой. Этот признак хранится в переменной allocation. Конструктор LayerUL(unsigned, unsigned) сам распределяет память под нейроны, что соответствует внутренней инициализации; конструктор LayerUL(NeuronUL _FAR *, unsigned, unsigned) создает слой из уже готового, внешнего массива нейронов. Все методы этого класса аналогичны соответствующим методам класса LayerFF и, в большинстве своем, используют одноименные методы класса NeuronUL.

В классе NetUL также особое внимание необходимо уделить конструкторам. Один из них - NetUL(unsigned n) создает сеть из n пустых слоев, которые затем необходимо заполнить с помощью метода SetLayer. Конструктор NetUL(unsigned n, unsigned n1, ...) не только создает сеть из n слоев, но и распределяет для них соответствующее число нейронов с синапсами, обеспечивающими полносвязность сети. После создания сети необходимо связать все нейроны с помощью метода FullConnect. Как и в случае сети обратного распространения, сеть можно сохранять и загружать в/из файла с помощью методов SaveToFile, LoadFromFile. Из всех остальных методов класса новыми по сути являются лишь NormalizeNetInputs и ConvexCombination. Первый из них нормализует входные вектора, а второй реализует преобразование выпуклой комбинации.

В конце заголовочного файла описаны глобальные функции. SetSigmoidTypeUL, SetSigmoidAlfaUL и SetDSigmaUL аналогичны одноименным функциям для сети обратного распространения. Функция SetAccreditationUL устанавливает режим, при котором эффективность обучения нейронов, попавших в окружение наиболее возбужденного на данной итерации нейрона, пропорциональна функции Гаусса от расстояния до центра области обучения. Если этот режим не включен, то все нейроны попавшие в область с текущим радиусом обучения одинаково быстро подстраивают свои синапсы, причем область является квадратом со стороной, равной радиусу обучения. Функция SetLearnRateUL устанавливает коэффициент скорости обучения, а SetMaxDistanceUL - радиус обучения. Когда он равен 0 - обучается только один нейрон. Функции SetInhibitionUL и SetInhibitionFresholdUL устанавливают соответственно длительность торможения и величину возбуждения, его вызывающего.

Тексты функций помещены в файле neuro_mm.cpp, представленном в листинге 2. Кроме него в проект тестовой программы входят также модули neuron_ff.cpp и subfun.cpp. Главный модуль, neuman7.cpp приведен в листинге 3. Программа компилировалась с помощью компилятора Borland C++ 3.1 в модели LARGE.

Тестовая программа демонстрирует христоматийный пример обучения самонастраивающейся сети следующей конфигурации. Входной слой состоит из двух нейронов, значения аксонов которых генерируются вспомогательной функцией на основе генератора случайных чисел. Выходной слой имеет размер 10 на 10 нейронов. В процессе обучения он приобретает свойства упорядоченной структуры, в которой величины синапсов нейронов плавно меняются вдоль двух измерений, имитируя двумерную сетку координат. Благодаря новой функции DigiShow и выводу индексов X и Y выигравшего нейрона, пользователь имеет возможность убедиться, что значения на входе сети достаточно точно определяют позицию точки максимального возбуждения на ее выходе.

Необходимо отметить, что обучение без учителя гораздо более чувствительно к выбору оптимальных параметров, нежели обучение с учителем. Во-первых, его качество сильно зависит от начальных величин синапсов. Во-вторых, обучение критично к выбору радиуса обучения и скорости его изменения. И наконец, разумеется, очень важен характер изменения собственно коэффициента обучения. В связи с этим пользователю, скорее всего, потребуется провести предварительную работу по подбору оптимальных параметров обучения сети.

Несмотря на некоторые сложности реализации, алгоритмы обучения без учителя находят обширное и успешное применение. Возникающее после обучения разбиение на классы может в случае необходимости уточняться с помощью обучения с учителем. По сути дела, по алгоритму обучения без учителя функционируют и наиболее сложные из известных на сегодняшний день искусственные нейронные сети - когнитрон и неокогнитрон, - максимально приблизившиеся в своем воплощении к структуре мозга. Однако они, конечно, существенно отличаются от рассмотренных выше сетей и намного более сложны. Тем не менее, на основе вышеизложенного материала можно создать реально действующие системы для распознавания образов, сжатия информации, автоматизированного управления, экспертных оценок и много другого.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результатом написания данной курсовой работы стала программная реализация алгоритмов обучения нейронных сетей "с учителем".

Серия работ М. Г. Доррера с соавторами посвящена исследованию вопроса о возможности развития психологической интуиции у нейросетевых экспертных систем. Полученные результаты дают подход к раскрытию механизма интуиции нейронных сетей, проявляющейся при решении ими психодиагностических задач. Создан нестандартный для компьютерных методик интуитивный подход к психодиагностике, заключающийся в исключении построения описанной реальности. Он позволяет сократить и упростить работу над психодиагностическими методиками.

Нейронные сети широко используются в химических и биохимических исследованиях. В настоящее время нейронные сети являются одним из самых распространенных методов хемоинформатики для поиска количественных соотношений структура-свойство, благодаря чему они активно используются как для прогнозирования физико-химических свойств и биологической активности химических соединений, так и для направленного дизайна химических соединений и материалов с заранее заданными свойствами, в том числе при разработке новых лекарственных препаратов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Стюарт Рассел, Питер Норвиг Искусственный интеллект: современный подход (Artificial Intelligence: A Modern Approach). 2-е издание. Вильямс, 2006 г.

2. Тархов Д.А. Нейронные сети. Модели и алгоритмы. Радиотехника, 2005 г.

3. Рутковская.Д. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечёткие системы, Горячая линия-Телеком, 2004 г.

4. Усков А.А., Кузьмин А.В. Интеллектуальные технологии управления. Искусственные нейронные сети и нечеткая логика, Горячая линия-Телеком,2004 г.

5. Иванов А.И. Нейросетевые алгоритмы биометрической идентификации- Радиотехника, 2004 г.

6. С.Хайкин, Нейронные сети: полный курс. 2-е изд. М., "Вильямс", 2006.

7. Л.Г.Комарцова, А.В.Максимов. Нейрокомпьютеры. М., Изд-во МГТУ им. Баумана, 2002 г.

8. Круглов, Борисов - Искусственные нейронные сети. Теория и практика, 2002 г.

9. В.А.Головко. Нейронные сети: обучение, организация и применение. М., ИПРЖР, 2001 г.

10. В.А.Головко. Нейронные сети: обучение, организация и применение. М., ИПРЖР, 2001 г.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Листинг 1. Фрагмент заголовочного файла с описаниями классов и функций

// FILE neuro_mm.h

#include "neuro.h" // описание базовых классов

class LayerUL;

class NetUL;

class NeuronUL: public NeuronFF

{ friend LayerUL;

friend NetUL;

float delta;