Расширение нейронной сети - Википедия - Extension neural network

Расширение нейронной сети - это метод распознавания образов, разработанный М. Х. Ван и С. П. Хунгом в 2003 году для классификации экземпляров наборов данных. Нейронная сеть расширения состоит из искусственная нейронная сеть и концепции теории расширений. Он использует возможности быстрого и адаптивного обучения нейронной сети и свойство оценки корреляции теории расширений путем вычисления расстояния расширения.
ENN использовался в:

• Обнаружение отказов в технике.
• Классификация тканей с помощью МРТ.
• Распознавание неисправностей в автомобильном двигателе.
• Оценка состояния заряда свинцово-кислотного аккумулятора.
• Классификация с неполными данными обследования.

Теория расширений

Теория расширений была впервые предложена Цаем в 1983 году для решения противоречивых проблем. В то время как классическая математика знакома с количеством и формами объектов, теория расширений преобразует эти объекты в модель элементов материи.

${ Displaystyle R = (N, C, V)}$

(1)

где дело ${ displaystyle R}$, ${ displaystyle N}$ это имя или тип, ${ displaystyle C}$ это его характеристики и ${ displaystyle V}$ - соответствующее значение характеристики. Соответствующий пример приведен в уравнении 2.

${ displaystyle R = { begin {bmatrix} Юсуф и рост & 178 см & вес & 98 кг end {bmatrix}}}$

(2)

куда ${ displaystyle Height}$ и ${ displaystyle Weight}$ характеристики формы комплектов расширения. Эти наборы расширений определяются ${ displaystyle V}$ значения, которые являются значениями диапазона для соответствующих характеристик. Теория расширений связана с корреляционной функцией расширения между моделями элементов материи, как показано в уравнении 2, и наборами расширений. Функция корреляции расширений используется для определения пространства расширений, которое состоит из пар элементов и их функций корреляции расширений. Формула пространства расширений показана в уравнении 3.

${ Displaystyle А = влево {(х, у) | х в U, у = К (х) вправо }}$

(3)

куда, ${ displaystyle A}$ это пространство расширения, ${ displaystyle U}$ это объектное пространство, ${ displaystyle K}$ - корреляционная функция расширения, ${ displaystyle x}$ это элемент из объектного пространства и ${ displaystyle y}$ - соответствующий выход функции корреляции расширения элемента ${ displaystyle x}$. ${ Displaystyle К (х)}$ карты ${ displaystyle x}$ к интервалу членства ${ Displaystyle влево [- infty, infty right]}$. Отрицательная область представляет собой элемент, не принадлежащий степени принадлежности к классу, а положительная область - наоборот. Если ${ displaystyle x}$ отображается на ${ Displaystyle влево [0,1 вправо]}$теория расширений действует как нечеткое множество теория. Корреляционную функцию можно показать уравнением 4.

${ displaystyle rho (x, X_ {in}) = left | x - { frac {a + b} {2}} right | - { frac {b-a} {2}}}$ ${ displaystyle rho (x, X_ {out}) = left | x - { frac {c + d} {2}} right | - { frac {d-c} {2}}}$

(4)

куда, ${ displaystyle X_ {in}}$ и ${ displaystyle X_ {out}}$ называются заинтересованной и соседней областью, а их интервалы равны (a, b) и (c, d) соответственно. Расширенная корреляционная функция, используемая для оценки степени принадлежности между ${ displaystyle x}$ и ${ displaystyle X_ {in}}$, ${ displaystyle X_ {out}}$ показано в уравнении 5.

${ Displaystyle К (х) = { begin {case} - rho (x, X_ {in}) & x in {X_ {in}} { frac { rho (x, X_ {in}) } { rho (x, X_ {out}) - rho (x, X_ {in})}} & x not in {X_ {in}} end {case}}}$

(5)

Расширение нейронной сети

Нейронная сеть расширения имеет внешний вид нейросети. Вектор веса находится между входными узлами и выходными узлами. Выходные узлы представляют собой входные узлы путем передачи их через весовой вектор.

Общее количество узлов ввода и вывода представлено ${ displaystyle n}$ и ${ displaystyle n_ {c}}$, соответственно. Эти числа зависят от количества характеристик и классов. Вместо того, чтобы использовать одно значение веса между двумя узлами слоя, как в нейронная сеть, расширенная архитектура нейронной сети имеет два весовых значения. Например, в архитектуре расширенной нейронной сети ${ displaystyle i}$, ${ displaystyle x_ {ij} ^ {p}}$ это вход, который принадлежит классу ${ displaystyle p}$ и ${ displaystyle o_ {ik}}$ соответствующий результат для класса ${ displaystyle k}$. Выход ${ displaystyle o_ {ik}}$ рассчитывается с использованием расстояния выдвижения, как показано в уравнении 6.

${ displaystyle ED_ {ik} = sum limits _ {j = 0} ^ {n} left ({ frac {| x_ {ij} ^ {p} -z_ {kj} | - { frac {w_) {kj} ^ {U} -w_ {kj} ^ {L}} {2}}} {| { frac {w_ {kj} ^ {U} -w_ {kj} ^ {L}} {2}} |}} + 1 right)}$ ${ displaystyle k = 1,2, ...., n_ {c}}$

(6)

Предполагаемый класс находится путем поиска минимального расстояния расширения среди вычисленных расстояний расширения для всех классов, как показано в уравнении 7, где ${ displaystyle k ^ {*}}$ это оценочный класс.

${ displaystyle k ^ {*} = arg min _ {k} (o_ {ik})}$

(7)

Алгоритм обучения

Каждый класс состоит из ряда характеристик. Эти характеристики являются входными типами или именами, которые взяты из модели элемента материи. Значения веса в расширенной нейронной сети представляют эти диапазоны. В алгоритме обучения первые веса инициализируются путем поиска максимального и минимального значений входных данных для каждого класса, как показано в уравнении 8.

${ displaystyle w_ {kj} ^ {U} = max _ {i} {x_ {ij} ^ {k} }}$ ${ displaystyle w_ {kj} ^ {L} = min _ {i} {x_ {ij} ^ {k} }}$${ Displaystyle я = 1, ..., N_ {p}}$${ displaystyle k = 1, ..., n_ {c}}$${ displaystyle j = 1,2, ...., n}$

(8)

куда, ${ displaystyle i}$ номер экземпляра и ${ displaystyle j}$ представляет собой номер ввода. Эта инициализация предоставляет диапазоны классов в соответствии с заданными данными обучения.

После сохранения весов центр кластеров находится с помощью уравнения 9.

${ Displaystyle Z_ {k} = {z_ {k1}, z_ {k2}, ..., z_ {kn} }}$ ${ displaystyle z_ {kj} = { frac {w_ {kj} ^ {U} + w_ {kj} ^ {L}} {2}}}$${ displaystyle k = 1,2, ...., n_ {c}}$${ displaystyle j = 1,2, ...., n}$

(9)

Перед тем, как начнется процесс обучения, задается заранее определенный уровень эффективности обучения, как показано в уравнении 10.

${ displaystyle E _ { tau} = { frac {N_ {m}} {N_ {p}}}}$

(10)

куда, ${ displaystyle N_ {m}}$ неправильно классифицированные экземпляры и ${ displaystyle N_ {p}}$ общее количество экземпляров. Инициализированные параметры используются для классификации экземпляров с помощью уравнения 6. Если инициализации недостаточно из-за скорости обучения, требуется обучение. На этапе обучения веса корректируются для более точной классификации обучающих данных, поэтому нацелено снижение скорости обучения. На каждой итерации ${ displaystyle E _ { tau}}$ проверяется, чтобы проверить, достигается ли требуемая эффективность обучения. На каждой итерации каждый обучающий экземпляр используется для обучения.
Пример ${ displaystyle i}$, принадлежит к классу ${ displaystyle p}$ отображается:

${ displaystyle X_ {i} ^ {p} = {x_ {i1} ^ {p}, x_ {i2} ^ {p}, ..., x_ {in} ^ {p} }}$

${ displaystyle 1 leq p leq n_ {c}}$

Каждая точка входных данных ${ displaystyle X_ {i} ^ {p}}$ используется при расчете расстояния выдвижения для оценки класса ${ displaystyle X_ {i} ^ {p}}$. Если оценочный класс ${ displaystyle k ^ {*} = p}$ тогда обновление не требуется. А если ${ Displaystyle к ^ {*} neq p}$ то обновление выполнено. В случае обновления разделители, которые показывают взаимосвязь между входами и классами, смещаются пропорционально расстоянию между центром кластеров и точками данных.
Формула обновления:

${ displaystyle z_ {pj} ^ {new} = z_ {pj} ^ {old} + eta (x_ {ij} ^ {p} -z_ {pj} ^ {old})}$
${ displaystyle z_ {k ^ {*} j} ^ {new} = z_ {k ^ {*} j} ^ {old} - eta (x_ {ij} ^ {p} -z_ {k ^ {*}) j} ^ {old})}$
${ displaystyle w_ {pj} ^ {L (новый)} = w_ {pj} ^ {L (старый)} + eta (x_ {ij} ^ {p} -z_ {pj} ^ {old})}$
${ displaystyle w_ {pj} ^ {U (новый)} = w_ {pj} ^ {U (старый)} + eta (x_ {ij} ^ {p} -z_ {pj} ^ {old})}$
${ displaystyle w_ {k ^ {*} j} ^ {L (новый)} = w_ {k ^ {*} j} ^ {L (старый)} - eta (x_ {ij} ^ {p} -z_ {k ^ {*} j} ^ {old})}$
${ displaystyle w_ {k ^ {*} j} ^ {U (новый)} = w_ {k ^ {*} j} ^ {U (старый)} - eta (x_ {ij} ^ {p} -z_ {k ^ {*} j} ^ {old})}$

Чтобы классифицировать экземпляр ${ displaystyle i}$ точно, разделитель классов ${ displaystyle p}$ для ввода ${ displaystyle j}$ перемещается близко к точке данных экземпляра ${ displaystyle i}$, тогда как разделитель класса ${ displaystyle k ^ {*}}$ для ввода ${ displaystyle j}$ уходит далеко. На изображении выше представлен пример обновления. Предположим, что экземпляр ${ displaystyle i}$ принадлежит к классу A, тогда как он классифицируется как класс B, потому что расчет расстояния выноса ${ displaystyle ED_ {A}> ED_ {B}}$. После обновления разделитель класса A приближается к точке данных экземпляра ${ displaystyle i}$ тогда как разделитель класса B удаляется далеко. Следовательно, расстояние удлинения дает ${ displaystyle ED_ {B}> ED_ {A}}$, поэтому после экземпляра обновления ${ displaystyle i}$ относится к классу А.

Рекомендации

1. Wang, M. H .; Ценг, Ю. Ф .; Chen, H.C .; Чао, К. Х. (2009). «Новый алгоритм кластеризации, основанный на теории расширений и генетическом алгоритме». Экспертные системы с приложениями. 36 (4): 8269–8276. Дои:10.1016 / j.eswa.2008.10.010.
2. Гуй-Сян Чао, Мэн-Хуэй Ван и Цзя-Чанг Сюй. Новый метод оценки остаточной емкости на основе расширенной нейронной сети для свинцово-кислотных аккумуляторов. Международный симпозиум по нейронным сетям, страницы 1145–1154, 2007 г.
3. Гуй-Сян Чао, Мэн-Хуэй Ван, Вэнь-Цай Сун и Гуань-Цзе Хуан. Использование enn-1 для распознавания неисправностей автомобильного двигателя. Экспертные системы с приложениями, 37 (4): 29432947, 2010
4. Wang, C.M .; Wu, M. J .; Chen, J. H .; Ю., С. Ю. (2009). "Расширенный подход нейронной сети к классификации МРТ головного мозга". 2009 Пятая Международная конференция по интеллектуальному сокрытию информации и обработке мультимедийных сигналов. п. 515. Дои:10.1109 / IIH-MSP.2009.141. ISBN  978-1-4244-4717-6. S2CID  12072969.
5. Е, Дж. (2009). "Применение теории расширения в диагностике пропусков зажигания бензиновых двигателей". Экспертные системы с приложениями. 36 (2): 1217–1221. Дои:10.1016 / j.eswa.2007.11.012.
6. Цзунчай Чжан, Сюй Цянь, Ю Чжоу и Ай Дэн. Методика мониторинга состояния оборудования на базе нейронной сети расширения. Китайская конференция по контролю и принятию решений, страницы 1735–1740, 2010 г.
7. Wang, M .; Хунг, С. П. (2003). «Расширение нейронной сети и ее приложения». Нейронные сети. 16 (5–6): 779–784. Дои:10.1016 / S0893-6080 (03) 00104-7. PMID  12850034.