Учебное пособие по курсу «Нейроинформатика»

При обучении нейронных сетей иногда возникают ситуации, когда дальнейшее обучение нейронной сети невозможно. В этом случае необходимо проанализировать причины. Возможно несколько видов анализа. Одной из возможных причин является высокая сложность задачи, определяемая как выборочная оценка константы Липшица.

Для упрощения задачи необходимо уменьшить выборочную оценку константы Липшица. Наиболее простой способ добиться этого — увеличить расстояние между входными сигналами. Рассмотрим пару примеров — xⁱ, xj — таких, что

Определим среди координат векторов xⁱ и x^j координату, в которой достигает минимума величина |xⁱ_l-x^j_l|, исключив из рассмотрения совпадающие координаты. Очевидно, что эта координата является «узким местом», определяющим сложность задачи. Следовательно, для уменьшения сложности задачи требуется увеличить расстояние между векторами xⁱ и x^j, а наиболее перспективной координатой для этого является l-я. Однако увеличение расстояние между xⁱ_l и x^j_l не всегда осмыслено. Дело в том, что все параметры, как правило, измеряются с конечной точностью. Поэтому, если величина |xⁱ_l-x^j_l| меньше чем точность измерения l-го параметра, значения xⁱ_l и x^j_l можно считать совпадающими. Таким образом, для изменения масштаба надо выбирать тот из входных параметров, для которого значение |xⁱ_l-x^j_l| минимально, но превышает точность измерения этого параметра.

Таблица 7. Кодирование параметра после разбиения на два сигнала

Предположим, что все входные параметры предобработаны в соответствии с формулой (1). Перенумеруем примеры обучающего множества так, чтобы были верны следующие неравенства: x_l¹<x_l²<,…,x_l^N, где N — число примеров в обучающем множестве. При этом, возможно, придется исключить ряд пар параметр-ответ с совпадающими значениями параметра. Если в какой-либо из таких пар значения ответов различаются, то это снижает возможную полезность данной процедуры.

Наиболее простой путь — разбить диапазон l-го параметра на два. Зададимся точкой x. Будем кодировать l-й параметр двумя входными сигналами в соответствии с табл. 7. При таком кодировании критерий Липшица, очевидно, уменьшится. Вопрос о выборе точки x может решаться по-разному. Простейший путь — положить x=(a-b)/2. Более сложный, но часто более эффективный — подбор x исходя из требования минимальности критерия Липшица.

Приведенный выше способ уменьшения критерия Липшица не единственный. В следующем разделе рассмотрен ряд способов предобработки, решающих ту же задачу.

Другие способы предобработки числовых признаков

В данном разделе будет рассмотрено три вида предобработки числовых признаков — модулярный, позиционный и функциональный. Основная идея этих методов предобработки состоит в том, чтобы сделать значимыми малые отличия больших величин. Действительно, пусть для ответа существенно изменение величины признака на единицу при значении признака порядка миллиона. Очевидно, что простейшая предобработка (1) сделает отличие в единицу неразличимым для нейронной сети при абсолютных значениях порядка миллиона.

Все эти виды предобработки обладают одним общим свойством — за счет кодирования входного признака несколькими сигналами они уменьшают сложность задачи (критерий Липшица).

Модулярная предобработка

Зададимся некоторым набором положительных чисел y₁, …, y_k. Определим сравнение по модулю для действительных чисел следующим образом:

x mod y = x-y·Int(x/y), (15)

где Int(x) — функция, вычисляющая целую часть величины x путем отбрасывания дробной части. Очевидно, что величина x mod y лежит в интервале (-y, y).

Кодирование входного признака x при модулярной предобработке вектором Z производится по следующей формуле:

(16)

Таблица 8. Пример сигналов при модулярном вводе

x	x mod 3	x mod 5	x mod 7	x mod 11
5	2	0	5	5
10	1	0	3	10
15	0	0	1	3

Однако модулярная предобработка обладает одним отрицательным свойством — во всех случаях, когда y_i≠y^r₁, при целом r, разрушается отношение предшествования чисел. В табл. 8 приведен пример векторов. Поэтому, модульная предобработка пригодна при предобработке тех признаков, у которых важна не абсолютная величина, а взаимоотношение этой величины с величинами y₁, …, y_k.

Примером такого признака может служить угол между векторами, если в качестве величин y выбрать y_i=π/i.

Функциональная предобработка

Функциональная предобработка преследует единственную цель — снижение константы Липшица задачи. В разделе «Предобработка, облегчающая обучение», был приведен пример такой предобработки. Рассмотрим общий случай функциональной предобработки, отображающих входной признак x в k-мерный вектор z. Зададимся набором из k чисел, удовлетворяющих следующим условиям: x_min<y₁<…<y_k-1<y_k<x_max.