Однослойный персептрон (пример)

Материал из MachineLearning.

Версия 17:23, 6 мая 2009

Однослойный персептрон — это модель нейрона, простейший пример нейронной сети. Фактически представляет собой линейный пороговый классификатор. ^{[1] [1]}

Постановка задачи линейного разделения классов

Пусть - пространство объектов; ^{[1] [1]}

- множество допустимых ответов. Будем считать, что , где - признаковое описание объекта, а - дополнительный константный признак; . Задана обучающая выборка . Значения признаков рассматриваются как импульсы, поступающие на вход нейрона, которые складываются с весами . Если суммарный импульс превышает порог активации , то нейрон возбуждается и выдаёт на выходе 1, иначе выдаётся 0. Таким образом, нейрон вычисляет -арную булеву функцию вида

, где

Требуется найти значения параметров, при которых алгоритм наилучшим образом аппроксимирует целевую зависимость, заданную на объектах обучающей выборки. ^{[1] [1]}

Описание алгоритма

Для настройки вектора весов воспользуемся методом стохастического градиента. Возьмем квадратичную функцию потерь: , а в качестве функции активации возьмем сигмоидную функцию: . Согласно принципу минимизации эмпирического риска задача сводится к поиску вектора, доставляющего минимум функционалу . Применим для минимизации метод градиентного спуска:

где величина шага в направлении антиградиента, называемая также темпом обучения (learning rate). Будем выбирать прецеденты по одному в случайном порядке, для каждого делать градиентный шаг и сразу обновлять вектор весов:

^[1]

^[1]

Вычислительный эксперимент

Показана работа алгоритма в серии задач, основанных как на реальных, так и на модельных данных.

Пример на реальных данных: ирисы

Из задачи о классификации ирисов выбраны 2 вида ирисов: Versicolour и Virginica, которые предлагается классифицировать по двум признакам — длине и ширине лепестка. Данные содержат информацию о 50 цветках каждого видаiris.txt.

На графике показаны результаты классификации. По оси абсцисс отложено значение одного признака (длина лепестка в см.), а по оси ординат — значение второго признака (ширина лепестка в см.). Различные классы показаны крестиками различных цветов, а результат классификации показан кружочками соотвествующего цвета. Зеленой линией показана граница между классами, построенная алгоритмом.

%load data
load 'iris.txt';
x = iris;
x(:,1:2) = []; %eliminating first two attributes
y = [repmat(0,50,1);repmat(1,50,1)]; %creating class labels
 
%plotting data
plot(x(y == 0,1),x(y == 0,2),'*r');
hold on
plot(x(y == 1,1),x(y == 1,2),'*b');
 
%invoke One layer perceptron algorithm
w = OneLayerPerc(x,y);
 
%getting classification
y = PercTest(x,w);
 
%plotting resulting classification
plot(x(y == 0,1),x(y == 0,2),'or');
plot(x(y == 1,1),x(y == 1,2),'ob');
 
plot([w(3)/w(1),0],[0,w(3)/w(2)],'g');
 
hold off;

Заметим, что данные линейно не разделимы, но алгоритм показывает хороший результат, допустив 5 ошибок классификации.

Модельные данные (простой вариант): 2 нормально распределенных класса линейно разделимы

%generating 2 sample normal classes
x = GetNormClass(100,[0,0],[1,1]);
s = GetNormClass(100,[4,4],[1,1]);
 
x = [x;s];
 
y = [repmat(1,100,1);repmat(0,100,1)];
 
%invoke One layer perceptron algorithm
w = OneLayerPerc(x,y);
 
%generating control data with the same distribution
x = GetNormClass(100,[0,0],[1,1]);
s = GetNormClass(100,[4,4],[1,1]);
x = [x;s];
 
%plotting control data
plot(x(:,1),x(:,2),'*r');
hold on
plot(s(:,1),s(:,2),'*b');
 
%getting classification
y = PercTest(x,w);
 
%plotting classified data
plot(x(y == 0,1),x(y == 0,2),'ob');
plot(x(y == 1,1),x(y == 1,2),'or');
 
plot([w(3)/w(1),0],[0,w(3)/w(2)],'g');
 
hold off

Алгоритм не допустил при классификации ни одной ошибки.

Модельные данные (сложный вариант): задача исключающего ИЛИ

%generate 2 sample classes
x = GetNormClass(100,[0,0],[1,1]);
s = GetNormClass(100,[6,6],[1,1]);
x = [x;s];
s = GetNormClass(100,[0,6],[1,1]);
x = [x;s];
s = GetNormClass(100,[6,0],[1,1]);
x = [x;s];
 
 
y = [repmat(1,200,1);repmat(0,200,1)];
 
%invoke One layer perceptron algorithm
w = OneLayerPerc(x,y);
 
%generate control data with the same distribution
x = GetNormClass(100,[0,0],[1,1]);
s = GetNormClass(100,[6,6],[1,1]);
x = [x;s];
s = GetNormClass(100,[0,6],[1,1]);
x = [x;s];
s = GetNormClass(100,[6,0],[1,1]);
x = [x;s];
 
 
%plot control data
plot(x(y == 1,1),x(y == 1,2),'*r');
hold on
plot(x(y == 0,1),x(y == 0,2),'*b');
 
%get classification
y = PercTest(x,w);
 
%plot classified data
plot(x(y == 0,1),x(y == 0,2),'ob');
plot(x(y == 1,1),x(y == 1,2),'or');
 
plot([w(3)/w(1),0],[0,w(3)/w(2)],'g');
 
hold off

Алгоритм допустил около 50% ошибок классификация, что неудивительно, т.к. входные данные были принципиально линейно неразделимы.

Исходный код

Скачать листинги алгоритмов можно здесь Func.m, OneLayerPerc.m, PercTest.m, GetNormClass.m.

Смотри также

• Линейный классификатор
• Персептрон
• Логистическая регрессия

Литература

• Nabney Ian, NetLab Algotithms for Pattern Recognition. Springer. 2001.
• К. В. Воронцов, Лекции по линейным алгоритмам классификации
• Bishop, C. Pattern Recognition And Machine Learning. Springer. 2006.

Данная статья является непроверенным учебным заданием. Студент: Участник:Максим Панов Преподаватель: Участник:В.В. Стрижов Срок: 28 мая 2009 До указанного срока статья не должна редактироваться другими участниками проекта MachineLearning.ru. По его окончании любой участник вправе исправить данную статью по своему усмотрению и удалить данное предупреждение, выводимое с помощью шаблона {{Задание}}. См. также методические указания по использованию Ресурса MachineLearning.ru в учебном процессе.

Замечания