Прогнозирование при помощи рекуррентных нейронных сетей. Open Library - открытая библиотека учебной информации

Приветствую! Частенько я публиковал статьи различного вида, в которых объяснял о сетях прямого распространения. В них я рассказывал о том, как нейронные сети обучаются, о том, как работают нейроны и о практическом применении сетей. Теперь я расскажу о сетях, которые подходят для чат-ботов, сложного прогнозирования, классификации текстов и многого другого.

Архитектура

Как нам известно, нейронные сети прямого распространения имеют входной слой, скрытые слои, выходной слой. Рекуррентные сети имеют почти такое же строение, только к ним добавляется слой временной задержки. Например, скрытый слой связан с временной задержкой. Мы посылаем сигналы от входного слоя на скрытый, скрытый слой посылает обработанную информацию на слой временной задержки и на выходной слой. В следующий раз, когда мы посылаем опять сигналы, информация идёт от входного слоя к скрытому, да и ещё от слоя задержки идут сигналы через такие же синапсы(веса). После этого скрытый слой обрабатывает информацию, так же посылает новые сигналы на слой временной задержки и на выходной слой. Рассмотрим это всё на рисунке:

Давайте опишем это математической формулой. Сначала мы посылаем информацию от входного слоя по весам к скрытому: h1 = (x1 * w1) + (x2 * w4); h2 = (x1 * w2) + (x2 * w3)
Теперь посылаем информацию от скрытых нейронов на слой временной задержки и на выход сети: c1 = h1, c2 = h2; выход1 = (h1 * w5) + (h2 * w6)

Всё, мы получили первый ответ. Теперь мы записали данные слой временной задержки и снова начинаем прогонять сигнал, только добавляем сигналы от временной задержки: h1 = (x1 * w1) + (x2 * w4) + (c1 * c_w1) + (c2 * c_w3); и на второй скрытый нейрон h2 = (x1 * w2) + (x2 * w3) + (c1 * c_w2) + (c2 * c_w4). Теперь мы снова отправляем полученные данные на слой задержки и на выход: c1 = h1, c2 = h2; выход1 = (h1 * w5) + (h2 * w6).

С первого взгляда не понятно, если не знать строение искусственных нейронов. Напомню, что нейрон имеет весовые коэффициенты, которые умножаются на получаемые данные, в результате мы получаем модифицированный ответ. Затем модифицированные ответы в нейроне складываются и идут в функцию активации. Функция активации делает из суммирования понятный для нас ответ. Мы можем использовать пороговую функцию или сигмоидальные(гиперболический тангенс и логистическая функция)

Пороговая функция. Когда мы имеем результат суммирования и какой-то порог, мы сравниваем их. Если суммарный результат больше порогового, то нейрон выдаст 1, а если нет, то 0.

Гиперболический тангенс преобразует суммарный результат в число от -1 до 1. Для этого используют формулу:
Экспонента — показательная функция.

Логистическая функция преобразует суммарный результат в число от 0 до 1. Для этого используют формулу:

В конечном итоге, получается, что рекуррентные нейронные сети способны на кратковременную память.

Обучение рекуррентных сетей

Для обучения таких сетей очень часто используют метод градиентного спуска. Можно было бы и обратное распространение ошибки, но о нём и так много написано.

Я не буду рассказывать об этом методе обучения подробно. Лишь скажу такой алгоритм:

1. Отправляем сигнал на нейронную сеть.
2. Вычисляем ошибку (Берём правильный ответ и вычитаем из него ответ нейронной сети)
3. Умножаем ошибку на уклон сигмоиды.
4. Умножаем входные данные на результат из 3 шага.
5. Складываем результаты из 4 пункта(вектора или матрицы)
6. Вычитаем из весов результаты 5 пункта.

Получить ошибку можно таким образом: из правильного ответа вычесть ответ сети.
Уклон сигмоиды получается таким образом: выход * (1 — выход)

Думаю, что всё хоть немного понятно. В следующей части я расскажу о том, как на практике применить такую сеть с градиентным спуском и о том, как работают LSTM сети.

связь может исходить либо из выходного, либо из скрытого слоя нейронов. В каждом контуре такой связи присутствует элемент единичной задержки, благодаря которому поток сигналов может считаться однонаправленным (выходной сигнал предыдущего временного цикла рассматривается как априори заданный, который просто увеличивает размерность входного вектора сети). Представленная подобным образом рекуррентная сеть , с учетом способа формирования выходного сигнала, функционирует как однонаправленная персептронная сеть . Тем не менее, алгоритм обучения такой сети, адаптирующий значения синаптических весов, является более сложным из-за зависимости сигналов в момент времени от их значений в предыдущие моменты и соответственно из-за более громоздкой формулы для расчета вектора градиента.

При обсуждении рекуррентных сетей , в которых в качестве выходного элемента используется многослойный персептрон , рассмотрим наиболее известные структуры сетей RMLP , RTRN , Эльмана.

Персептронная сеть с обратной связью

Один из простейших способов построения рекуррентной сети на базе однонаправленной HC состоит во введении в персептронную сеть обратной связи. В дальнейшем мы будем сокращенно называть такую сеть RMLP (англ.: Recurrent MultiLayer Perceptron - рекуррентный многослойный персептрон ). Ее обобщенная структура представлена на рис. 1 ( - единичные элементы запаздывания ).

Это динамическая сеть , которая характеризуется запаздыванием входных и выходных сигналов, объединяемых во входной вектор сети. Рассуждения будут касаться только одного входного узла и одного выходного нейрона, а также одного скрытого слоя. Такая система реализует отображение :

(1)

где - количество задержек входного сигнала, а - количество задержек выходного сигнала. Обозначим количество нейронов в скрытом слое. В этом случае сеть RMLP можно характеризовать тройкой чисел . Подаваемый на вход сети вектор имеет вид:

Допустим, что все нейроны имеют сигмоидальную функцию активации. Обозначим взвешенную сумму сигналов -го нейрона скрытого слоя, a - взвешенную сумму сигналов выходного нейрона . При введенных обозначениях выходные сигналы конкретных нейронов описываются зависимостями

Сеть RMLP повсеместно применяется для моделирования динамических процессов в режиме " онлайн ". Типичным примером ее приложения может служить имитация нелинейных динамических объектов, для которых сеть

Рекуррентные нейронные сети

Рекуррентные нейронные сети - это наиболее сложный вид нейронных сетей, в которых имеется обратная связь. При этом под обратной связью подразумевается связь от логически более удалённого элемента к менее удалённому. Наличие обратных связей позволяет запоминать и воспроизводить целые последовательности реакций на один стимул. С точки зрения программирования в таких сетях появляется аналог циклического выполнения, а с точки зрения систем - такая сеть эквивалентна конечному автомату. Такие особенности потенциально предоставляют множество возможностей для моделирования биологических нейронных сетей. Но, к сожалению, большинство возможностей на данный момент плохо изучены в связи с возможностью построения разнообразных архитектур и сложностью их анализа.

Перцептроны Розенблатта с обратной связью

Первые идеи о нейронных сетях с обратными связями описал Ф.Розенблатт в заключение своей книги о перцептронах в 1962 году. Ф.Розенблатт дал качественное описание нескольких видов перцептронов с обратной связью . Первая группа таких перцептронов была предназначена для вырабатывания избирательного внимания, а вторая группа для обучения последовательности реакций.

Однослойные сети с обратной связью

После выхода книги Минского с критикой возможностей элементарного перцептрона в 1969 году работы по изучению искуственных нейронных сетей практически прекратились. Только небольшие группы продолжали исследования в этом направлении. Одна из таких групп в Массачусетском Технологическом институте в 1978 году начала свою работу. Джон Хопфилд был приглашен в качестве консультанта из отделения биофизики лаборатории Бела. Его идеи так же как и Розенблатта базировались на результатах исследования в нейрофизиологии. Главной заслугой Хопфилда является энергетическая интерпретация работы искуственной нейронной сети. Что же касается самой нейронной сети Хопфилда , то она обладает рядом недостатков из-за которых она не может быть использована практически. Впоследствии Коско развил идеи Хопфилда и разработал модель гетероассоциативной памяти - нейронная сеть Коско . Основным недостатком этих сетей является отсутствие устойчивости, а в случаях когда она достигается сеть становится эквивалентной однослойной нейронной сети из-за чего она не в состоянии решать линейно неразделимые задачи. В итоге емкость таких сетей крайне мала. Несмотря на эти практические недостатки в области распознавания, данная сеть успешно применялась в исследованиях энергетического хаоса, возникновения аттракторов, а так же с этого времени о искуственных нейронных сетей стало возможным говорить как о ассоциативной памяти .

Рекуррентные сети с единичной задержкой

См. также

Литература

• Розенблатт, Ф. Принципы нейродинамики: Перцептроны и теория механизмов мозга = Principles of Neurodynamic: Perceptrons and the Theory of Brain Mechanisms. - М.: Мир, 1965. - 480 с.

• J. J. Hopfield [PNAS Reprint (Abstract) PNAS Reprint (PDF) Neural networks and physical systems with emergent collective computational abilities.] // Proceedings of National Academy of Sciences . - April 1982. - С. vol. 79 no. 8 pp. 2554-2558.

• Jordan, M. I. Serial order: A parallel distributed processing approach. // Institute for Cognitive Science Report 8604 . - University of California, San Diego: 1986.

• Elman, J.L. Finding structure in time. // Cognitive Science . - 1990. - С. 179-211.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Рекуррентные нейронные сети" в других словарях:

Запрос «Нейронная сеть» перенаправляется сюда. Cм. также другие значения. Схема простой нейросети. Зелёным обозначены входные элементы, жёлтым выходной элемент Искусственные нейронные сети (ИНС) математические модели, а также их программные или… … Википедия

Запрос «Нейронная сеть» перенаправляется сюда. Cм. также другие значения. Схема простой нейросети. Зелёным обозначены входные элементы, жёлтым выходной элемент Искусственные нейронные сети (ИНС) математические модели, а также их программные или… … Википедия

Запрос «Нейронная сеть» перенаправляется сюда. Cм. также другие значения. Схема простой нейросети. Зелёным обозначены входные элементы, жёлтым выходной элемент Искусственные нейронные сети (ИНС) математические модели, а также их программные или… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Нейронная сеть (значения). Схема простой нейросети. Зелёным цветом обозначены входные нейроны, голубым скрытые нейроны, жёлтым выходной нейрон … Википедия

Для улучшения этой статьи желательно?: Добавить иллюстрации. Рекуррентные нейронные сети (англ. … Википедия

Нейронная сеть Хопфилда полносвязная нейронная сеть с симметричной матрицей связей. В процессе работы динамика таких сетей сходится (конвергирует) к одному из положений равновесия. Эти положения равновесия являются локальными минимумами… … Википедия

Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей. Человеческая память ассоциативна, то есть некоторое воспоминание может порождать большую связанную с ним область. Один предмет напоминает нам … Википедия

Архитектура нейронной сети Коско Нейронная сеть Коско (Двунаправленная ассоциативная память ДАП) нейронная сеть, разработанная Бартом Коско. Это однослойная нейронная сеть с обратными связями, базируется на двух идеях: адаптивной… … Википедия

Логическая схема перцептрона с тремя выходами Основная статья: Перцептрон Перцептрон является одной из первых моделей искусстве … Википедия

Книги

• Прикладное машинное обучение с помощью Scikit-Learn и TensorFlow. Концепции, инструменты и техники , Жерон Орельен. Прикладное машинное обучение с помощью Scikit-Learn и TensorFlow. Концепции, инструменты и техники для создания интеллектуальных систем. Полноцветное издание. "Эта книга - замечательное…

авторитет 7 января 2016 в 15:24

Рекуррентная нейронная сеть решает задачу поддержания равновесия

• Искусственный интеллект

Сразу постановка задачи.

Дано:
Примитивное виртуальное пространство для проведения эксперимента:
1. Аквариум высотой 1000 мм.
2. Дырявое дно аквариума. Уровень воды уменьшается на 1 мм за такт.
3. Стакан с водой, доливка которой в аквариум повышает уровень воды на 6 мм.

Также имеется заготовка нейронной сети, состоящая из:
1. 1000 рецепторов. По 1 рецептору на миллиметр.
2. 1 эффектор. Возбужденный в текущем такте, дает команду вылить стакан воды в аквариум.

Хотелось бы:
1. Добиться поддержания определенного нами уровня воды в аквариуме. Ну, или близко к нему. В текущем примере 500 мм.

Результат эксперимента:
На графике показан уровень воды с течением времени.

Укрупненный масштаб на старте эксперимента:

1. Стартуем со 100 мм уровня. Видно, что уровень воды неуклонно падает. Необученная заготовка нейросети просто не знает, что делать.
2. Достигнув нуля, т.е. иссушив аквариум, сеть запускает рефлекторную реакцию выливания порции воды.
3. Далее происходит рост уровня воды. Сеть получает поощрение, если уровень приблизился к требуемому. В противном случае - наказание.

Случайные дестабилизирующие воздействия:

4. Один раз в 1000 тактов происходит мощное дестабилизирующее воздействие на систему. Доливаем (выливаем) случайное количество воды.
5. Уровень воды в аквариуме стабилизируется.

Что происходит с сетью в процессе эксперимента:
1. Разрастается, создаются новые нейроны.
2. Синапсы обучаются.

Характеристики сети и ее структурных элементов:
1. Сеть - рекуррентная, возможны связи «на себя».
2. Синапсы, нейроны не удаляются.
3. Использовалось около 10000 нейронов и 500000 синапсов.
4. Сеть не использует математических функций над вещественным переменным. Из математики используется только суммирование целочисленных величин.

Что, собственно, предложено инновационного:
1. Способ обучения синапсов (остался за кадром, простите) .
2. Механизм добавления/удаления структурных элементов (за кадром) .
3. Ну и, в целом, не использующая математику, рекуррентная нейронная сеть.

Что еще необходимо реализовать:
1. Механизм уничтожения «бесполезных» синапсов и нейронов. В текущей реализации они вреда не приносят, но отнимают много времени на обсчет.
2. Визуализация нейросети была бы не лишней.
3. И все остальное… Пока не понятно, т.к. приходится быть последовательным.

Буду рад здоровой критике и вопросам!

Замечания:
1. Тема - хобби для меня.
2. Написано самостоятельно на C++.
3. ИИ будет чуть позже.

Спасибо!

Теги: нейронные сети, рекуррентная нейросеть, нейрон, синапс, пид-регулятор, искусственный интеллект