Е. Миркес - Учебное пособие по курсу «Нейроинформатика»

Как уже говорилось главе «Двойственные сети», на данный момент в нейросетевом сообществе принято описывать архитектуру нейронных сетей в неразрывном единстве с методами их обучения. Эта связь не является естественной. Так, в первой части этой главы будет рассматриваться только архитектура нейронных сетей. Во второй части будет продемонстрирована независимость ряда методов обучения нейронных сетей от их архитектуры. Однако, для удобства, во второй части главы архитектуры всех парадигм нейронных сетей будут описаны вместе с методами обучения.

Нейронные сети можно классифицировать по разным признакам. Для описания нейронных сетей в данной главе существенной является классификация по типу времени функционирования сетей. По этому признаку сети можно разбить на три класса.

1. Сети с непрерывным временем.

2. Сети с дискретным асинхронным временем.

3. Сети с дискретным временем, функционирующие синхронно.

В данной работе рассматриваются только сети третьего вида, то есть сети, в которых все элементы каждого слоя срабатывают одновременно и затем передают свои сигналы нейронам следующего слоя.

Конструирование нейронных сетей

Впервые последовательное описание конструирования нейронных сетей из элементов было предложено в книге А.Н. Горбаня [65]. Однако за прошедшее время предложенный А.Н. Горбанем способ конструирования претерпел ряд изменений.

При описании нейронных сетей принято оперировать такими терминами, как нейрон и слой. Однако, при сравнении работ разных авторов выясняется, что если слоем все авторы называют приблизительно одинаковые структуры, то нейроны разных авторов совершенно различны. Таким образом, единообразное описание нейронных сетей на уровне нейронов невозможна. Однако, возможно построение единообразного описания на уровне составляющих нейроны элементов и процедур конструирования сложных сетей из простых.

Элементы нейронной сети

На рис. 1 приведены все элементы, необходимые для построения нейронных сетей. Естественно, что возможно расширение списка нелинейных преобразователей. Однако, это единственный вид элементов, который может дополняться. Вертикальными стрелками обозначены входы параметров (для синапса — синаптических весов или весов связей), а горизонтальными — входные сигналы элементов. С точки зрения функционирования элементов сети сигналы и входные параметры элементов равнозначны. Различие между этими двумя видами параметров относятся к способу их использования в обучении. Кроме того, удобно считать, что параметры каждого элемента являются его свойствами и хранятся при нем. Совокупность параметров всех элементов сети называют вектором параметров сети. Совокупность параметров всех синапсов называют вектором обучаемых параметров сети, картой весов связей или синаптической картой. Отметим, что необходимо различать входные сигналы элементов и входные сигналы сети. Они совпадают только для элементов входного слоя сети.

Из приведенных на рис. 1 элементов можно построить практически любую нейронную сеть. Вообще говоря, нет никаких правил, ограничивающих свободу творчества конструктора нейронных сетей. Однако, есть набор структурных единиц построения сетей, позволяющий стандартизовать процесс конструирования. Детальный анализ различных нейронных сетей позволил выделить следующие структурные единицы:

• элемент — неделимая часть сети, для которой определены методы прямого и обратного функционирования;

• каскад — сеть составленная из последовательно связанных слоев, каскадов, циклов или элементов;

• слой — сеть составленная из параллельно работающих слоев, каскадов, циклов или элементов;

• цикл — каскад выходные сигналы которого поступают на его собственный вход.

Очевидно, что не все элементы являются неделимыми. В следующем разделе будет приведен ряд составных элементов.

Введение трех типов составных сетей связано с двумя причинами: использование циклов приводит к изменению правил остановки работы сети, описанных в разд. «Правила остановки работы сети»; разделение каскадов и слоев позволяет эффективно использовать ресурсы параллельных ЭВМ. Действительно, все сети, входящие в состав слоя, могут работать независимо друг от друга. Тем самым при конструировании сети автоматически закладывается база для использования параллельных ЭВМ.

На рис. 2 приведен пример поэтапного конструирования трехслойной сигмоидной сети.

Составные элементы

Название «составные элементы» противоречит определению элементов. Это противоречие объясняется соображениями удобства работы. Введение составных элементов преследует цель упрощения конструирования. Как правило, составные элементы являются каскадами простых элементов.

Хорошим примером полезности составных элементов может служить использование сумматоров. В ряде работ [36, 53, 107, 127, 289] интенсивно используются сети, нейроны которых содержат нелинейные входные сумматоры. Под нелинейным входным сумматором, чаще всего понимают квадратичные сумматоры — сумматоры, вычисляющие взвешенную сумму всех попарных произведений входных сигналов нейрона. Отличие сетей с квадратичными сумматорами заключается только в использовании этих сумматоров. На рис. 3а приведен фрагмент сети с линейными сумматорами. На рис. 3б — соответствующий ему фрагмент с квадратичными сумматорами, построенный с использованием элементов, приведенных на рис. 1. На (рис. 3в) — тот же фрагмент, построенный с использованием квадратичных сумматоров. При составлении сети с квадратичными сумматорами из простых элементов на пользователя ложится большой объем работ по проведению связей и организации вычисления попарных произведений. Кроме того, рис. 3в гораздо понятнее рис. 3б и содержит ту же информацию. Кроме того, пользователь может изменить тип сумматоров уже сконструированной сети, указав замену одного типа сумматора на другой. На рис. 4 приведены обозначения и схемы наиболее часто используемых составных элементов.

Необходимо отметить еще одну разновидность сумматоров, полезную при работе по конструированию сети — неоднородные сумматоры. Неоднородный сумматор отличается от однородного наличием еще одного входного сигнала, равного единице. На рис. 4 г приведены схема и обозначения для неоднородного адаптивного сумматора. В табл. 1 приведены значения, вычисляемые однородными и соответствующими им неоднородными сумматорами.

Таблица 1. Однородные и неоднородные сумматоры

Функционирование сети

Рис. 5 Схема функционирования сети

Прежде всего, необходимо разделить процессы обучения нейронной сети и использования обученной сети. При использовании обученной сети происходит только решение сетью определенной задачи. При этом синаптическая карта сети остается неизменной. Работу сети при решении задачи будем далее называть прямым функционированием.

При обучении нейронных сетей методом обратного распространения ошибки нейронная сеть (и каждый составляющий ее элемент) должна уметь выполнять обратное функционирование. Во второй части этой главы будет показано, что обратное функционирование позволяет обучать также и нейросети, традиционно считающиеся не обучаемыми, а формируемыми (например, сети Хопфилда [312]). Обратным функционированиемназывается процесс работы сети, когда на вход двойственной сети подаются определенные сигналы, которые далее распространяются по связям двойственной сети. При прохождении сигналов обратного функционирования через элемент, двойственный элементу с обучаемыми параметрами, вычисляются поправки к параметрам этого элемента. Если на вход сети, двойственной к сети с непрерывными элементами, подается производная некоторой функции F от выходных сигналов сети, то вычисляемые сетью поправки должны быть элементами градиента функции F по обучаемым параметрам сети. Двойственная сеть строится так, чтобы удовлетворять этому требованию.

Методы построения двойственных сетей

Пусть задана нейронная сеть, вычисляющая некоторую функцию (рис. 5а). Необходимо построить двойственную к ней сеть, вычисляющую градиент некоторой функции H от выходных сигналов сети. В книге А.Н. Горбаня «Обучение нейронных сетей» [65] предложен метод построения сети, двойственной к данной. Пример сети, построенной по методу А.Н. Горбаня, приведен на рис. 5б. Для работы такой сети необходимо, обеспечение работы элементов в трех режимах. Первый режим — обычное прямое функционирование (рис. 5а). Второй режим — нагруженное прямое функционирование (рис. 5б, верхняя цепочка). Третий режим — обратное функционирование.