Учебное пособие по курсу «Нейроинформатика»

Миркес Е. М.

Тот факт, что оба синдрома первого уровня принимают значение 1, если истинны ответы хотя бы на два из трех вопросов, позволяет избавиться от математических действий с ответами на вопросы. Окончательный ответ может быть истинным только если оба синдрома имеют значение –1.

Используя приведенные соображения, получаем окончательный текст решения задачи о предсказании результатов выборов президента США, приведенный на рис. 5.

Правление плохое, если верны хотя бы два из следующих высказываний: «Была серьезная конкуренция при выдвижении от правящей партии», «Год выборов был временем спада или депрессии», «Правящий президент не произвел существенных изменений в политике».

Ситуация политически нестабильна, если верны хотя бы два из следующих высказываний: «В год выборов была активна

третья партия», «Была серьезная конкуренция при выдвижении от правящей партии», «Во время правления были существенные социальные волнения».

Оппозиционная партия победит, если правление плохое или ситуация политически нестабильна.

Рис. 5. Окончательный вариант вербального описания

Таким образом, использовав идею логически прозрачных нейронных сетей и минимальные интеллектуальные затраты на этапе доводки вербального описания, был получен текст решения задачи. Причем процедура получения логически прозрачных нейронных сетей сама отобрала значимые признаки, сама привела сеть к нужному виду. Далее элементарная программа построила по структуре сети вербальное описание.

На рис. 2 приведены структуры шести логически прозрачных нейронных сетей, решающих задачу о предсказании результатов выборов президента США [300–302]. Все сети, приведенные на этом рисунке минимальны в том смысле, что из них нельзя удалить ни одной связи так, чтобы сеть могла обучиться правильно решать задачу. По числу нейронов минимальна пятая сеть.

Заметим, что все попытки авторов обучить нейронные сети со структурами, изображенными на рис. 2, и случайно сгенерированными начальными весами связей закончились провалом. Все сети, приведенные на рис. 2, были получены из существенно больших сетей с помощью процедуры контрастирования. Сети 1, 2, 3 и 4 были получены из трехслойных сетей с десятью нейронами во входном и скрытом слоях. Сети 5, 6, 7 и 8 были получены из двухслойных сетей с десятью нейронами во входном слое. Легко заметить, что в сетях 2, 3, 4 и 5 изменилось не только число нейронов в слоях, но и число слоев. Кроме того, почти все веса связей во всех восьми сетях равны либо 1, либо –1.

Множества повышенной надежности

Алгоритмы контрастирования, рассматриваемые в данной главе, позволяют выделить минимально необходимое множество входных сигналов. Использование минимального набора входных сигналов позволяет более экономично организовать работу нейркомпьютера. Однако у минимального множества есть свои недостатки. Поскольку множество минимально, то информация, несомая одним из сигналов, как правило не подкрепляется другими входными сигналами. Это приводит к тому, что при ошибке в одном входном сигнале сеть ошибается с большой степенью вероятности. При избыточном наборе входных сигналов этого как правило не происходит, поскольку информация каждого сигнала подкрепляется (дублируется) другими сигналами.

Таким образом возникает противоречие — использование исходного избыточного множества сигналов неэкономично, а использование минимального набора сигналов приводит к повышению риска ошибок. В этой ситуации правильным является компромиссное решение — необходимо найти такое минимальное множество, в котором вся информация дублируется. В данном разделе рассматриваются методы построения таких множеств, повышенной надежности. Кроме того, построение дублей второго рода позволяет установить какие из входных сигналов не имеют дублей в исходном множестве сигналов. Попадание такого «уникального» сигнала в минимальное множество является сигналом о том, что при использовании нейронной сети для решения данной задачи следует внимательно следить за правильностью значения этого сигнала.

Формальная постановка задачи

Пусть дана таблица данных, содержащая N записей, каждая из которых содержит M+1 поле. Обозначим значение i-о поля j-й записи через xⁱ_j, где i=0,…,M, j=1,…,N. Обозначим через V(A,S) задачник, в котором ответы заданы в полях с номерами i∈A,

а входные данные содржатся в полях с номерами i∈S. Множество А будем называть множеством ответов, а множество S — множеством входных данных. Минимальное множество входных сигналов, полученное при обучении сети на задачнике V(A,S), обозначим через F(A,S). В случае, когда сеть не удалось обучить решению задачи будем считать, что F(A,S)=∅. Число элементов в множестве A будем обозначать через |A|. Через T(A,S) будем обозначать сеть, обученную решать задачу предсказания всех полей (ответов), номера которых содержатся в множестве A, на основе входных сигналов, номера которых содержатся в множестве S.

Задача. Необходимо построить набор входных параметров, который позволяет надежно решать задачу V({0},{1,…,M}).

Решение задачи будем называть множеством повышенной надежности, и обозачать S_•′.

Для решения этой задачи необходимо определит набор параметров, дублирующих минимальный набор S₁=F({0},{1,…,M}). Возможно несколько подходов к определению дублирующего набора. В следующих разделах рассмотрены некоторые из них.

Классификация дублей

Возможно два типа дублей — набор входных сигналов, способный заменить определенный входной сигнал или множество сигналов при получении ответа первоначальной задачи, и набор входных сигналов, позволяющий вычислить дублируемый сигнал (множество дублируемых сигналов). Дубли первого типа будем называть прямыми, а дубли второго типа — косвенными.

Возможна другая классификация, не зависящая от ранее рассмотренной. Дубли первого и второго рода будем различать по объекту дублирования. Дубль первого рода дублирует все множество вцелом, а дубль второго рода дублирует конкретный сигнал.

Очевидно, что возможны все четыре варианта дублей: прямой первого рода, косвенный первого рода, прямой второго рода и косвенный второго рода. В следующих разделах будут описаны алгоритмы получения дублей всех вышеперечисленных видов.

Прямой дубль первого рода

Для нахождения прямого дубля первого рода требуется найти такое множество сигналов D что существует сеть T({0},D) и S₁∩D=∅. Решение этой задачи очевидно. Удалим из множества входных сигналов те их них, которые вошли в первоначальное минимальное множество входных сигналов S₁. Найдем минимальное множествовходных сигналов среди оставшихся. Найденное множество и будет искомым дублем.

Формально описанную выше процедуру можно записать следующей формулой:

D=F({0},{1,…,M}\S₁).

Множество повышенной надежности в этом случае можно записать в следующем виде:

Очевидно, что последнюю формулу можно обобщить, исключив из первоначального множества входных сигналов найденное ранее множество повышенной надежности и попытавшись найти минимальное множество среди оставшихся входных сигналов. С другой стороны, для многих нейросетевых задач прямых дублей первого рода не существует. Примером может служить одна из классических тестовых задач — задача о предсказании результатов выборов президента США.