Опубликован: 25.12.2006 | Доступ: свободный | Студентов: 1843 / 370 | Оценка: 4.43 / 4.13 | Длительность: 15:29:00
Специальности: Программист, Экономист
Лекция 3:

Обучение с учителем: Распознавание образов

Аннотация: Персептроны. Прототипы задач: аппроксимация многомерных функций, классификация образов. Возможности персептронов. Обучение с обратным распространением ошибки. Эффект обобщения и переобучение. Оптимизация размеров сети: разрежение связей и конструктивные алгоритмы.

Английской грамматикой в объеме Basic English первым овладел Proteus orator mirabilis, тогда как E.coli eloquentissima даже в 21 000 поколении делал, увы, грамматические ошибки. С.Лем, "Эрунтика"

\ldots постарайся, насколько можешь отвечать о чем я буду спрашивать тебя. И, если я по рассмотрении твоего ответа найду в нем нечто призрачное и неистинное, незаметно выну это и отброшу \ldots Платон, " Теэтет"

Персептроны. Прототипы задач

Сети, о которых пойдет речь в этой лекции, являются основной "рабочей лошадкой" современного нейрокомпьютинга. Подавляющее большинство приложений связано именно с применением таких многослойных персептронов или для краткости просто персептронов (напомним, что это название происходит от английского perception - восприятие, т.к. первый образец такого рода машин предназначался как раз для моделирования зрения). Как правило, используются именно сети, состоящие из последовательных слоев нейронов. Хотя любую сеть без обратных связей можно представить в виде последовательных слоев, именно наличие многих нейронов в каждом слое позволяет существенно ускорить вычисления используя матричные ускорители.

В немалой степени популярность персептронов обусловлена широким кругом доступных им задач. В общем виде они решают задачу аппроксимации многомерных функций, т.е. построения многомерного отображения F:x \Rightarrow y, обобщающего заданный набор примеров \{x^{\alpha},y^{\alpha}\}.

В зависимости от типа выходных переменных (тип входных не имеет решающего значения), аппроксимация функций может принимать вид

  • Классификации (дискретный набор выходных значений), или
  • Регрессии (непрерывные выходные значения)

Многие практические задачи распознавания образов, фильтрации шумов, предсказания временных рядов и др. сводится к этим базовым прототипическим постановкам.

Причина популярности персептронов кроется в том, что для своего круга задач они являются во-первых универсальными, а во-вторых - эффективными с точки зрения вычислительной сложности устройствами. В этой лекции мы затронем оба аспекта.

Возможности многослойных персептронов

Изучение возможностей многослойных персептронов удобнее начать со свойств его основного компонента и одновременно простейшего персептрона - отдельного нейрона.

Нейрон - классификатор

Простейшим устройством распознавания образов, принадлежащим к рассматриваемому классу сетей, является одиночный нейрон, превращающий входной вектор признаков в скалярный ответ, зависящий от линейной комбинации входных переменных:

y=f(\sum^d_{j=1} w_jx_j) \equiv f(\sum^d_{j=0} w_jx_j)

Здесь и далее мы предполагаем наличие у каждого нейрона дополнительного единичного входа с нулевым индексом, значение которого постоянно: x_0 \equiv 1. Это позволит упростить выражения, трактуя все синаптические веса w j, включая порог w0, единым образом.

Скалярный выход нейрона можно использовать в качестве т.н. дискриминантной функции. Этим термином в теории распознавания образов называют индикатор принадлежности входного вектора к одному из заданных классов. Так, если входные векторы могут принадлежать одному из двух классов, нейрон способен различить тип входа, например, следующим образом: f(x)\geq 0 если , входной вектор принадлежит первому классу, в противном случае - второму.

Поскольку дискриминантная функция зависит лишь от линейной комбинации входов, нейрон является линейным дискриминатором. В некоторых простейших ситуациях линейный дискриминатор - наилучший из возможных, а именно - в случае когда вероятности принадлежности входных векторов к классу k задаются гауссовыми распределениями p_k(x) \infty exp[-(x-m_k)^T \sum^{-1}(x-m_k)] с одинаковыми ковариационными матрицами \sum. В этом случае границы, разделяющие области, где вероятность одного класса больше, чем вероятность остальных, состоят из гиперплоскостей (см. рисунок 3.1 иллюстрирующий случай двух классов).

Линейный дискриминатор дает точное решение в случае если вероятности принадлежности к различным  классам - гауссовы, с одинаковым разбросом и разными центрами в пространстве параметров

Рис. 3.1. Линейный дискриминатор дает точное решение в случае если вероятности принадлежности к различным классам - гауссовы, с одинаковым разбросом и разными центрами в пространстве параметров

В более общем случае поверхности раздела между классами можно описывать приближенно набором гиперплоскостей - но для этого уже потребуется несколько линейных дискриминаторов - нейронов.

Выбор функции активации

Монотонные функции активации f() не влияют на классификацию. Но их значимость можно повысить, выбрав таким образом, чтобы можно было трактовать выходы нейронов как вероятности принадлежности к соответствующему классу, что дает дополнительную информацию при классификации. Так, можно показать, что в упомянутом выше случае гауссовых распределений вероятности, сигмоидная функция активации нейрона f(a)=1/(1+exp(-a)) дает вероятность принадлежности к соответствующему классу.