Учебное пособие по курсу «Нейроинформатика»

Подводя итог описанию можно сказать, что ассоциативная память позволяет по неполной и даже частично недостоверной информации восстановить достаточно полное описание знакомого объекта. Слово знакомого является очень важным, поскольку невозможно вызвать ассоциации с незнакомыми объектами. При этом объект должен быть знаком тому, у кого возникают ассоциации.

Одновременно рассмотренные примеры позволяют сформулировать решаемые ассоциативной памятью задачи:

Соотнести входную информацию со знакомыми объектами, и дополнить ее до точного описания объекта.

Отфильтровать из входной информации недостоверную, а на основании оставшейся решить первую задачу.

Очевидно, что под точным описанием объекта следует понимать всю информацию, которая доступна ассоциативной памяти. Вторая задача решается не поэтапно, а одновременно происходит соотнесение полученной информации с известными образцами и отсев недостоверной информации.

Нейронным сетям ассоциативной памяти посвящено множество работ (см. например, [75, 77, 80, 86, 114, 130, 131, 153, 231, 247, 296, 312, 329]). Сети Хопфилда являются основным объектом исследования в модельном направлении нейроинформатики.

Формальная постановка задачи

Пусть задан набор из m эталонов — n-мерных векторов {xⁱ}. Требуется построить сеть, которая при предъявлении на вход произвольного образа — вектора x — давала бы на выходе «наиболее похожий» эталон.

Всюду далее образы и, в том числе, эталоны — n-мерные векторы с координатами ±1. Примером понятия эталона «наиболее похожего» на x может служить ближайший к x вектор xⁱ. Легко заметить, что это требование эквивалентно требованию максимальности скалярного произведения векторов x и xⁱ :

Первые два слагаемых в правой части совпадают для любых образов x и xⁱ, так как длины всех векторов-образов равны √n. Таким образом, задача поиска ближайшего образа сводится к поиску образа, скалярное произведение с которым максимально. Этот простой факт приводит к тому, что сравнивать придется линейные функции от образов, тогда как расстояние является квадратичной функцией.

Сети Хопфилда

Наиболее известной сетью ассоциативной памяти является сеть Хопфилда [312]. В основе сети Хопфилда лежит следующая идея — запишем систему дифференциальных уравнений для градиентной минимизации «энергии» H (функции Ляпунова). Точки равновесия такой системы находятся в точках минимума энергии. Функцию энергии будем строить из следующих соображений:

1. Каждый эталон должен быть точкой минимума.

2. В точке минимума все координаты образа должны иметь значения ±1.

Функция

не удовлетворяет этим требованиям строго, но можно предполагать, что первое слагаемое обеспечит притяжение к эталонам (для вектора x фиксированной длины максимум квадрата скалярного произведения (x, xⁱ)² достигается при x= xⁱ…), а второе слагаемое — приблизит к единице абсолютные величины всех координат точки минимума). Величина a характеризует соотношение между этими двумя требованиями и может меняться со временем.

Используя выражение для энергии, можно записать систему уравнений, описывающих функционирование сети Хопфилда [312]:

(1)

Сеть Хопфилда в виде (1) является сетью с непрерывным временем. Это, быть может, и удобно для некоторых вариантов аналоговой реализации, но для цифровых компьютеров лучше воспользоваться сетями, функционирующими в дискретном времени — шаг за шагом.

Построим сеть Хопфилда [312] с дискретным временем. Сеть должна осуществлять преобразование входного вектора x так, чтобы выходной вектор x' был ближе к тому эталону, который является правильным ответом. Преобразование сети будем искать в следующем виде:

(2)

где w_i — вес i-го эталона, характеризующий его близость к вектору x, Sign — нелинейный оператор, переводящий вектор с координатами yi в вектор с координатами sign(yi).

Функционирование сети

Сеть работает следующим образом:

1. На вход сети подается образ x, а на выходе снимается образ x'.

2. Если x' ≠ x, то полагаем x = x' и возвращаемся к шагу 1.

3. Полученный вектор x' является ответом.

Таким образом, ответ всегда является неподвижной точкой преобразования сети (2) и именно это условие (неизменность при обработке образа сетью) и является условием остановки.

Пусть j^* — номер эталона, ближайшего к образу x. Тогда, если выбрать веса пропорционально близости эталонов к исходному образу x, то следует ожидать, что образ x' будет ближе к эталону x^i′, чем x, а после нескольких итераций он станет совпадать с эталоном x^i′.

Наиболее простой сетью вида (2) является дискретный вариант сети Хопфилда [312] с весами равными скалярному произведению эталонов на предъявляемый образ:

(3)

Рис. 1. а, б, в — эталоны, г — ответ сети на предъявление любого эталона

О сетях Хопфилда (3) известно [53, 231, 247, 312], что они способны запомнить и точно воспроизвести «порядка 0.14n слабо коррелированных образов». В этом высказывании содержится два ограничения:

• число эталонов не превосходит 0.14n.

• эталоны слабо коррелированны.