Значения функций
активации, формируемые нейроузлами выходного слоя, могут быть представлены
(закодированы) как в виде фиксированных значений бита, равного «0» или «1», так
и в виде единичного импульса . В первом случае
формирование выходной величины
нейроузла
производится в соответствии с
пороговой функцией активации (2.3). При использовании импульсной формы кодирования
значений пороговой функции активации ее результат формируется в соответствии с
выражением:
(2.5)
где –
значение суммы на входе порогового элемента нейрона в дискретный момент времени
(такт)
,
–
номер такта преобразования длительностью
.
С учетом количества и
нейронов,
составляющих входной и выходной слои соответственно, однослойная персептронная
сеть (см. рис. 2.3), реализующая операцию преобразования
, где
,
описывается в виде системы активационных функций:
,
, (2.6)
где –
входная преобразуемая аналоговая величина, представленная в виде частоты
или временного интервала
;
–
дискрет преобразования (как один из возможных эталонов), задаваемый исходя из
вида преобразуемой переменной либо частотой
,
либо периодом
(см. табл. 1.1);
–
пороговая функция активации вида (2.3) или (2.5), для которой принимается, что
операции умножения
аналоговой переменной
на цифровое значение веса
осуществляются в 1-м слое с
формированием результата умножения в виде аналоговой величины.
Зависимость (2.6) в
матричной форме для всех бит эквивалента примет
вид:
, (2.7)
где –
матрица-строка, состоящая из входных аналоговых величин;
–
транспонированная матрица весовых коэффициентов между распределительным и
выходным слоями, в которой 1-й и 2-й столбцы соответственно содержат веса
связей нейроузлов
и
со
всеми
нейронами 1-го слоя;
–
матрица-столбец, состоящая из
бит эквивалента
.
Необходимо отметить, что
функция в выражении (2.7) применяется над
каждым элементом
матрицы
. Матрица
является
памятью сети, хранящей информацию о том, как должна выполняться задача
преобразования информации. Цена этой памяти может быть учтена в затратах на
реализацию всех синаптических связей с весами
.
Таким образом, сформированная структура однослойного персептрона (см. рис. 2.3), описываемая в аналитической (2.6) и матричной (2.7) форме, является аппроксимирующей сетью, способной в результате проводимого далее обучения реализовать конкретную задачу линейного или нелинейного преобразования.
Этап 3. Обучение нейросети
На данном этапе осуществляются выбор алгоритма обучения сети на решение поставленной задачи преобразования, а затем его проведение с получением структуры и весов синаптических связей между его нейронами – как итогового результата построения нейросетевой модели ПФИ.
Обучение однослойного персептрона, как правило, осуществляется с помощью алгоритма Розенблатта или дельта-правила. Его математическая формулировка имеет вид:
, (2.8)
где –
эталонное значение
‑го выхода нейронной сети;
–
номер нейрона входного слоя;
и
– соответственно старое и новое
значения весовых коэффициентов;
–
параметр, характеризующий скорость обучения, обычно
,
.
Кроме того, по аналогии с
(2.8) могут обучаться пороговые значения нейронов
выходного слоя:
, (2.9)
, (2.10)
где и
– соответственно старое и новое
значения порога нейроузла
;
– шаг их изменения. Значение
в ряде случаев можно
интерпретировать как вес
для
дополнительного входа
каждого нейрона
.
В качестве примера, в
соответствии с (2.8) – (2.10) проведено обучение исходной аппроксимирующей
сети, описанной системой (2.6), решению задачи линейного преобразования , где результат
представлен в виде (1.7).
Сформированные при этом значения весов
синаптических
связей сети и порогов
ее нейронов показаны на
рис. 2.3. Структура этих связей отражена в виде столбцов
и
матрицы:
. (2.11)
На полученной в
результате обучения структуре ИНС-преобразователя (см. рис. 2.3) над линиями
его синаптических связей обозначены: слева – наименования весовых коэффициентов
, а справа – их значения (например, 1)
для конкретной операции преобразования. Значения порогов
для персептронных нейронов указаны
над знаком порога в правом верхнем углу их изображений.
С учетом полученных
коэффициентов (2.11) и значений порогов
система (2.6), описывающая процедуру
получения
, примет вид:
. (2.12)
Для дальнейшей физической реализации
нейропреобразователя систему операций (2.12) по формированию как бинарной активационной функции
нейрона с порогом
целесообразно представить
в виде:
. (2.13)
На основе модели (см.
рис. 2.3), характеризуемой матрицей весов (2.11), целесообразно строить
линейные преобразователи частоты в унитарный
позиционный код
непрерывного принципа
действия, для которых входные сигналы описываются в виде матрицы
, где
–
дискрет преобразования. При их реализации на базе такой современной ПЛИС, как Virtex 2 фирмы Xilinx, взвешенные произведения
со значениями
, заданными 2-м столбцом матрицы
(2.11), могут быть сформированы с помощью ее цифрового менеджера частот (DCM). Ввиду ограниченного числа его
частотных выходов такой прием получения произведений используется только при
построении малоразрядных преобразователей. Если в модели преобразователя (см.
рис. 2.3) вместо эталона – дискрета
принять величину
, то матрица весов (2.11), полученная
в результате обучения ИНС-преобразователя частоты в код, например трехразрядного,
примет вид:
.
Синаптические связи с этими весами могут быть реализованы, в частности, на основе двоичного умножителя частоты.
Приведенная на рис. 2.3
сеть может быть также обучена выполнению операции нелинейного преобразования , например с монотонно убывающей
первой производной (рис. 2.4).
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.