Учебное пособие по курсу «Нейроинформатика»

Миркес Е. М.

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.

При

обычном прямом функционировании каждый элемент вычисляет выходную функцию от входных сигналов и параметров и выдает ее на выход в сеть для передачи далее.

При нагруженном прямом функционировании каждый элемент вычисляет выходную функцию от входных сигналов и параметров и выдает ее на выход в сеть для передачи далее. Кроме того, он вычисляет производные выходной функции по каждому входному сигналу и параметру и запоминает их (блоки под элементами в верхней цепочке на рис. 5б). При обратном функциони-ровании элементы исход-ной сети выдают на специальные выходы ранее вычисленные производные (связи между верхней и нижней цепочками на рис. 5б), которые далее используются для вычисления градиентов по параметрам и входным сигналам сети двойственной сетью (нижняя цепочка на рис. 5б). Вообще говоря, для хорошей организации работы такой сети требуется одно из следующих устройств. Либо каждый элемент должен получать дополнительный сигнал выдачи запомненных сигналов (ранее вычисленных производных), либо к сети следует добавить элемент, вычисляющий функцию оценки.

Первое решение требует дополнительных линий связи с каждым элементом, за исключением точек ветвления, что в существенно увеличивает (приблизительно в полтора раза) и без того большое число связей. Большое число связей, в свою очередь, увеличивает сложность и стоимость аппаратной реализации нейронной сети.

Второй подход — включение оценки как элемента в нейронную сеть — лишает структуру гибкости, поскольку для замены функции оценки потребуется изменять сеть. Кроме того, оценка будет достаточно сложным элементом. некоторые оценки включают в себя процедуру сортировки и другие сложные операции (см. главу «Оценка и интерпретатор ответа»).

Метод нагруженного функционирования позволяет вычислять не только градиент оценки, но и производные по входным параметрам и сигналам от произвольного функционала от градиента. Для этого строится дважды двойственная сеть. Для работы дважды двойственной сети необходимо, чтобы элементы выполняли дважды двойственное функционирование — вычисляли не только выходной сигнал и производные выходного сигнала по входным сигналам и параметрам, но и матрицу вторых производных выходного сигнала по входным сигналам и параметрам. Кроме того, построение дважды двойственной сети потребует дополнительных затрат от пользователя, поскольку процедура построения двойственной и дважды двойственной сети достаточно понятна, но описывается сложным алгоритмом. При этом построение дважды двойственной сети не является построением сети двойственной к двойственной.

Для унификации процедуры построения сети, двойственной к данной сети, автором разработан унифицированный метод двойственности. В этом методе каждому элементу исходной сети ставится в соответствие подсеть. На рис. 5в приведен пример двойственной сети, построенной по унифицированному методу. Каждый элемент, кроме точки ветвления и сумматора, заменяется на элемент, вычисляющий производную выходной функции исходного элемента по входному сигналу (параметру) и умножитель, умножающий сигнал обратного функционирования на вычисленную производную. Если элемент имеет несколько входов и параметров, то он заменяется на столько описанных выше подсетей, сколько у него входных сигналов и параметров. При этом сигнал обратного функционирования пропускается через точку ветвления.

Двойственная сеть, построенная по этому методу, требует включения в нее оценки

как элемента. Достоинством этого метода является универсальность. Для построения дважды двойственной сети достаточно построить сеть двойственную к двойственной. Кроме того, построенная по этому методу сеть имеет меньшее время срабатывания.

Анализ этих двух методов с точки зрения аппаратной реализации, выявил в них следующие недостатки.

• Для реализации обратного функционирования необходимо изменять архитектуру сети, причем в ходе обратного функционирования связи прямого функционирования не используются.

• Необходимо включать в сеть оценку как один из элементов

Для устранения этих недостатков, автором предложен метод самодвойственных сетей. Этот метод не позволяет строить дважды двойственных сетей, что делает его менее мощным, чем два предыдущих. Однако большинство методов обучения не требует использования дважды двойственных сетей, что делает это ограничение не очень существенным. Идея самодвойственных сетей состоит в том, чтобы каждый элемент при прямом функционировании запоминал входные сигналы. А при обратном функционировании вычислял все необходимые производные, используя ранее запомненные сигналы, и умножал их на сигнал обратного функционирования.

Такая модификация делает элементы более сложными, чем в двух предыдущих методах. Однако этот метод дает следующие преимущества по отношению к методу нагруженного функционирования и унифицированному методу двойственности.

• Для элементов не требуется дополнительного управления, поскольку получение сигнала прямого или обратного функционирования инициирует выполнение одной из двух функций.

• Для выполнения обратного функционирования не требуется дополнительных элементов и линий связи между элементами.

• Оценка является независимым от сети компонентом.

Наиболее существенным является второе преимущество, поскольку при аппаратной реализации нейронных сетей наиболее существенным ограничением является число связей. Так в приведенных на рис. 5 сетях задействовано для самодвойственной сети — 6 связей, для сети, построенной по методу нагруженного функционирования — 20 связей, а для сети, построенной по методу унифицированной двойственности — 27 связей. Следует заметить, что с ростом размеров сети данные пропорции будут примерно сохраняться.

Исходя из соображений экономичной и эффективной аппаратной реализации и функционального разделения компонентов далее в данной работе рассматриваются только самодвойственные сети.

Элементы самодвойственных сетей

Если при обратном функционировании самодвойственной сети на ее выход подать производные некоторой функции F по выходным сигналам сети, то в ходе обратного функционирования на входах параметров сети должны быть вычислены элементы градиента функции F по параметрам сети, а на входах сигналов — элементы градиента функции F по входным сигналам. Редуцируя это правило на отдельный элемент, получаем следующее требование к обратному функционированию элемента самодвойственной сети: Если при обратном функционировании элемента самодвойственной сети на его выход подать производные некоторой функции F по выходным сигналам элемента, то в ходе обратного функционирования на входах параметров элемента должны быть вычислены элементы градиента функции F по параметрам элемента, а на входах сигналов — элементы градиента функции F по входным сигналам элемента. Легко заметить, что данное требование автоматически обеспечивает подачу на выход элемента, предшествующего данному, производной функции F по выходным сигналам этого элемента.