Учебное пособие по курсу «Нейроинформатика»

Миркес Е. М.

Основные функции, которые должна выполнять оценка:

1. Вычислять оценку решения, выданного сетью.

2. Вычислять производные этой оценки по выходным сигналам сети.

Кроме оценок, в первом разделе этой главы рассмотрен другой, тесно связанный с ней объект — интерпретатор ответа. Основное назначение этого объекта — интерпретировать выходной вектор сети как ответ, понятный пользователю. Однако, при определенном построении интерпретатора и правильно построенной по нему оценке, интерпретатор ответа может также оценивать уровень уверенности сети в выданном ответе.

При частичной аппаратной реализации нейрокомпьютера включение функции оценки в аппаратную часть не эффективно, поскольку оценка является сложным устройством (многие функции оценки включают в себя операции сортировки, и другие аналогичные операции). Однако при аппаратной реализации обученной нейронной сети (даже если

предусматривается доучивание сети) аппаратная реализация интерпретатора ответа может оказаться эффективной, поскольку для обученной сети интерпретатор уже не меняется, и по сравнению с оценкой интерпретатор ответа достаточно прост.

Интерпретатор ответа

Как было показано в главе «Описание нейронных сетей», ответ, выдаваемый нейронной сетью, как правило, является числом, из диапазона [a,b]. Если ответ выдается несколькими нейронами, то на выходе сети мы имеем вектор, каждый компонент которого лежит в интервале [a,b]. Если в качестве ответа требуется число из этого диапазона, то мы можем его получить. Однако, в большинстве случаев это не так. Достаточно часто требуемая в качестве ответа величина лежит в другом диапазоне. Например, при предсказании температуры воздуха 25 июня в Красноярске ответ должен лежать в интервале от 5 до 35 градусов Цельсия. Сеть не может дать на выходе такого сигнала. Значит, прежде чем обучать сеть необходимо решить в каком виде будем требовать ответ. В данном случае ответ можно требовать в виде α=(b-a)(T– T_min)/(T_max– T_min)+a, где T — требуемая температура, T_min и T_max — минимальная и максимальная температуры, α — ответ, который будем требовать от сети. При интерпретации ответа необходимо проделать обратное преобразование. Если сеть выдала сигнал α, то ответом является величина T=(α– a)(T– T_min)/(b-a)+T_min. Таким образом, можно интерпретировать выдаваемый сетью сигнал, как величину из любого, наперед заданного диапазона.

Если при составлении обучающего множества ответ на примеры определялся с некоторой погрешностью, то от сети следует требовать не точного воспроизведения ответа, а попадания в интервал заданной ширины. В этом случае интерпретатор ответа может выдать сообщение о правильности (попадании в интервал) ответа.

Другим, часто встречающимся случаем, является предсказание сетью принадлежности входного вектора одному из заданных классов. Такие задачи называют задачами классификации, а решающие их сети — классификаторами. В простейшем случае задача классификации ставится следующим образом: пусть задано N классов. Тогда нейросеть выдает вектор из N сигналов. Однако, нет единого универсального правила интерпретации этого вектора. Наиболее часто используется интерпретация по максимуму: номер нейрона, выдавшего максимальный по величине сигнал, является номером класса, к которому относится предъявленный сети входной вектор. Такие интерпретаторы ответа называются интерпретаторами, кодирующими ответ номером канала (номер нейрона — номер класса). Все интерпретаторы, использующие кодирование номером канала, имеют один большой недостаток — для классификации на N классов требуется N выходных нейронов. При большом N требуется много выходных нейронов для получения ответа. Однако существуют и другие виды интерпретаторов.

Двоичный интерпретатор. Основная идея двоичного интерпретатора — получение на выходе нейронной сети двоичного кода номера класса. Это достигается двухэтапной интерпретацией:

1. Каждый выходной сигнал нейронной сети интерпретируется как 1, если он больше (a+b)/2, и как 0 в противном случае.

2. Полученная последовательность нулей и единиц интерпретируется как двоичное число.

Двоичный интерпретатор позволяет интерпретировать N

выходных сигналов нейронной сети как номер одного из 2^N классов.

Порядковый интерпретатор. Порядковый интерпретатор кодирует номер класса подстановкой. Отсортируем вектор выходных сигналов по возрастанию. Вектор, составленный из номеров нейронов последовательно расположенных в отсортированном векторе выходных сигналов, будет подстановкой. Если каждой подстановке приписать номер класса, то такой интерпретатор может закодировать N! классов используя N выходных сигналов.

Уровень уверенности

Часто при решении задач классификации с использованием нейронных сетей недостаточно простого ответа «входной вектор принадлежит K-му классу». Хотелось бы также оценить уровень уверенности в этом ответе. Для различных интерпретаторов вопрос определения уровня уверенности решается по-разному. Однако, необходимо учесть, что от нейронной сети нельзя требовать больше того, чему ее обучили. В этом разделе будет рассмотрен вопрос об определении уровня уверенности для нескольких интерпретаторов, а в следующем будет показано, как построить оценку так, чтобы нейронная сеть позволяла его определить.

1. Кодирование номером канала. Знаковый интерпретатор. Знаковый интерпретатор работает в два этапа.

1. Каждый выходной сигнал нейронной сети интерпретируется как 1, если он больше (a+b)/2, и как 0 в противном случае.

2. Если в полученном векторе только одна единица, то номером класса считается номер нейрона, сигнал которого интерпретирован как 1. В противном случае ответом считается неопределенный номер класса (ответ «не знаю»).

Для того чтобы ввести уровень уверенности для этого интерпретатора потребуем, чтобы при обучении сети для всех примеров было верно неравенство: |-(a+b)/2|≤ε, где i=1,…,N; α_i — i-ый выходной сигнал. e — уровень надежности (насколько сильно сигналы должны быть отделены от (a+b)/2 при обучении). В этом случае уровень уверенности R определяется следующим образом:

Таким образом, при определенном ответе уровень уверенности показывает, насколько ответ далек от неопределенного, а в случае неопределенного ответа — насколько он далек от определенного.

2. Кодирование номером канала. Максимальный интерпретатор. Максимальный интерпретатор в качестве номера класса выдает номер нейрона, выдавшего максимальный сигнал. Для такого интерпретатора в качестве уровня уверенности естественно использовать некоторую функцию от разности между максимальным и вторым по величине сигналами. Для этого потребуем, чтобы при обучении для всех примеров обучающего множества разность между максимальным и вторым по величине сигналами была не меньше уровня надежности e. В этом случае уровень уверенности вычисляется по следующей формуле: R=max{1,(α_i– α_j)/e}, где α_i — максимальный, а α_j — второй по величине сигналы.

3. Двоичный интерпретатор. Уровень надежности для двоичного интерпретатора вводится так же, как и для знакового интерпретатора при кодировании номером канала.

4. Порядковый интерпретатор. При использовании порядкового интерпретатора в качестве уровня уверенности естественно брать функцию от разности двух соседних сигналов в упорядоченном по возрастанию векторе выходных сигналов. Для этого потребуем, чтобы при обучении для всех примеров обучающего множества в упорядоченном по возрастанию векторе выходных сигналов разность между двумя соседними элементами была не меньше уровня надежности e. В этом случае уровень уверенности можно вычислить по формуле

, причем вектор выходных сигналов предполагается отсортированным по возрастанию.