Классификация сейсмических сигналов на основе нейросетевых технологий

градиента функции ошибки . Дело в том, что ошибка сети определяется по ее выходам, т.е. непосредственно связана лишь с выходным слоем весов. Вопрос состоял в .том, как определить ошибку для нейронов на скрытых слоях, чтобы найти производные по соответствующим весам. Нужна была процедура передачи ошибки с выходного слоя к предшествующим слоям сети, в направлении обратном обработке входной информации. Поэтому такой метод, когда он был найден, получил название метода обратного распространения ошибки (error back-propagation ).

Разберем этот метод на примере двухслойного персептрона с одним нейроном на выходе.(рис 6.1) Для этого воспользуемся введенными ранее обозначениями. Итак,

-Функция ошибки (13)

-необходимая коррекция весов коррекция весов (14)

для выходного слоя v записывается следующим образом.

Коррекция весов между входным и скрытым слоями производится по формуле:

(15)

Подставляя одно выражение в другое получаем

(16)

Производная функции активации, как было показано ранее (раздел 6.1), вычисляется через значение самой функции.

Непосредственно алгоритм обучения состоит из следующих шагов:

1. Выбрать очередной вектор из обучающего множества и подать его на вход сети.

2. Вычислить выход сети y(x) по формуле (12).

3. Вычислить разность между выходом сети и требуемым значением для данного вектора (13).

4. Если была допущена ошибка при классификации выбранного вектора, то подкорректировать последовательно веса сети сначала между выходным и скрытым слоями (15), затем между скрытым и входным (16).

5. Повторять шаги с 1 по 4 для каждого вектора обучающего множества до тех пор, пока ошибка на всем множестве не достигнет приемлемого уровня.

Несмотря на универсальность, этот метод в ряде случаев становится малоэффективным. Для того, чтобы избежать вырожденных случаев, а также увеличить скорость сходимости функционала ошибки, разработано много модификаций стандартного алгоритма, в частности две из которых и предлагается использовать.

Многостраничное обучение.

С математической точки зрения обучение нейронных сетей (НС) – это многопараметрическая задача нелинейной оптимизации. В классическом методе обратного распространения ошибки (single-режим) обучение НС рассматривается как набор однокритериальных задач оптимизации. Критерий для каждой задачи - качество решения одного примера из обучающей выборки. На каждой итерации алгоритма обратного распространения параметры НС (синаптические веса и смещения) модифицируются так, чтобы улучшить решение одного примера. Таким образом, в процессе обучения циклически решаются однокритериальные задачи оптимизации.

Из теории оптимизации следует, что при решении многокритериальных задач модификации параметров следует производить, используя сразу несколько критериев (примеров), в идеале - все. Тем более нельзя ограничиваться одним примером при оценке производимых изменений значений параметров.

Для учета нескольких критериев при модификации параметров используют агрегированные или интегральные критерии, которые могут быть, например, суммой, взвешенной суммой или квадратным корнем от суммы квадратов оценок решения отдельных примеров.

В частности, в настоящих исследованиях изменения весов проводилось после проверки всей обучающей выборки, при этом функция ошибки рассчитывалась в виде :

где,

k - номер обучающей пары в обучающей выборке, k=1,2,…,n1+n2

n1 - количество векторов первого класса;

n2 - число векторов второго класса.

Как показывают тестовые испытания, обучение при использовании пакетного режима, как правило сходится быстрее, чем обучение по отдельным примерам.

Автоматическая коррекция шага обучения.

В качестве еще одного расширения традиционного алгоритма обучения предлагается использовать так называемый градиентный алгоритм с автоматическим определением длины шага . Для его описания необходимо определить следующий набор параметров:

• начальное значение шага0 ;

• количество итераций, через которое происходит запоминание данных сети (синоптических весов и смещений);

• величина (в процентах) увеличения шага после запоминания данных сети, и величина уменьшения шага в случае увеличения функции ошибки.

В начале обучения записываются на диск значения весов и смещений сети. Затем происходит заданное число итераций обучения с заданным шагом. Если после завершения этих итераций значение функции ошибки не возросло, то шаг обучения увеличивается на заданную величину, а текущие значения весов и смещений записываются на диск. Если на некоторой итерации произошло увеличение функции ошибки, то с диска считываются последние запомненные значения весов и смещений, а шаг обучения уменьшается на заданную величину.

При использовании автономного градиентного алгоритма происходит автоматический подбор длины шага обучения в соответствии с характеристиками адаптивного рельефа, и его применение позволило заметно сократить время обучения сети без потери качества полученного результата.

Эффект переобучения.

Одна из наиболее серьезных трудностей изложенного подхода обучения заключается в том, что таким образом минимизируется не та ошибка, которую на самом деле нужно минимизировать, а ошибка, которую можно ожидать от сети, когда ей будут подаваться совершенно новые наблюдения. Иначе говоря, хотелось бы, чтобы нейронная сеть обладала способностью обобщать результат на новые наблюдения. В действительности сеть обучается минимизировать ошибку на обучающем множестве, и в отсутствие идеального и бесконечно большого обучающего множества это совсем не то же самое, что минимизировать "настоящую" ошибку на поверхности ошибок в заранее неизвестной модели явления [5]. Иначе говоря, вместо того, чтобы обобщить известные примеры, сеть запомнила их. Этот эффект и называется переобучением.

Соответственно возникает проблема – каким методом оценить ошибку обобщения? Поскольку эта ошибка определена для данных, которые не входят в обучающее множество, очевидным решением проблемы служит разделение всех имеющихся в нашем распоряжении данных на два множества: обучающее – на котором подбираются конкретные значения весов, и валидационного – на котором оцениваются предсказательные способности сети. На самом деле, должно быть еще и третье множество, которое вообще не влияет на обучение и используется лишь для оценки предсказательных возможностей уже обученной сети. Ошибки, полученные на обучающем, валидационном и тестовом множестве соответственно называются ошибка обучения, валидационная ошибка и тестовая ошибка.

В нейроинформатике для борьбы с переобучением используются три основных подхода:

• Ранняя остановка обучения;

• Прореживание связей (метод от большого к малому);

• Поэтапное наращивание сети ( от малого к большому).

Самым простым является первый метод. Он предусматривает вычисление во время обучения не только ошибки обучения, но и ошибки валидации, используя ее в качестве контрольного параметра. В самом начале работы ошибка сети на обучающем и контрольном множестве будет одинаковой. По мере того, как сеть обучается, ошибка обучения, естественно, убывает, и, пока обучение уменьшает действительную функцию ошибок, ошибка на контрольном множестве также будет убывать. Если же контрольная ошибка перестала убывать или даже стала расти, это указывает на то, что сеть начала слишком близко аппроксимировать данные и обучение следует остановить. Рисунок 6.5 дает качественное представление об этой методике.

Использование этой методики в работе с сейсмическими данными затруднено тем обстоятельством, что исходная выборка очень мала, а хотелось бы как можно больше данных использовать для обучения сети. В связи с этим было принято решение отказаться от формирования валидационного множества, а в качестве момента остановки алгоритма обучения использовать следующее условие: ошибка обучения достигает заданного минимального уровня, причем значение минимума устанавливается немного большим чем обычно. Для проверки этого условия проводились дополнительные эксперименты, показавшие что при определенном минимуме ошибки обучения достигался относительный минимум ошибки на тестовых данных.

Два других подхода для контроля переобучения предусматривают постепенное изменение структуры сети. Только в одном случае происходит эффективное вымывание малых весов (weight elimination) ,т.е. прореживание малозначительных связей, а во втором, напротив, поэтапное наращивание сложности сети. [3,4,5].

6.6 Формирование обучающей выборки и оценка эффективности обученной нейросетевой модели.

Из исходных данных необходимо сформировать как минимум две выборки – обучающую и проверочную. Обучающая выборка нужна для алгоритма настройки весовых коэффициентов, а наличие проверочной, тестовой выборки нужно для оценки эффективности обученной нейронной сети.

Как правило, используют следующую методику: из всей совокупности данных случайным образом выбирают около 90% векторов для обучения, а на оставшихся 10% тестируют сеть. Однако, в условиях малого количества примеров эта процедура становится неэффективной с точки зрения оценивания вероятности ошибки классификации. В разделе 4.4 был описан другой, наиболее точный метод расчета ошибки классификации. Это, так называемый, метод скользящего