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Memória Associativa Linear Ruy Luiz Milidiú

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Page 1: Memória Associativa Linear Ruy Luiz Milidiú. Regressão Linear Objetivo Examinar o modelo de memória associativa linear, suas vantagens e limitações Sumário

Memória Associativa Linear

Ruy Luiz Milidiú

Page 2: Memória Associativa Linear Ruy Luiz Milidiú. Regressão Linear Objetivo Examinar o modelo de memória associativa linear, suas vantagens e limitações Sumário

Regressão Linear ObjetivoExaminar o modelo de memória associativa

linear, suas vantagens e limitações

Sumário Memória linear simples Memória linear múltipla Múltiplas memórias lineares múltiplas Cross-Validation

Page 3: Memória Associativa Linear Ruy Luiz Milidiú. Regressão Linear Objetivo Examinar o modelo de memória associativa linear, suas vantagens e limitações Sumário

Memória linear simples Exemplos

(x1, y1), (x2, y2), … , (xn, yn) xi real, yi real

Neurônio Linear ŷ = w0 + w1. x w0 , w1 = ?

Desempenho E Erro = (ŷ1 – y1)2 + … + (ŷn – yn)2

Page 4: Memória Associativa Linear Ruy Luiz Milidiú. Regressão Linear Objetivo Examinar o modelo de memória associativa linear, suas vantagens e limitações Sumário

Exemplo

0

5

10

15

20

0 5 10 15

x

y

Page 5: Memória Associativa Linear Ruy Luiz Milidiú. Regressão Linear Objetivo Examinar o modelo de memória associativa linear, suas vantagens e limitações Sumário

Exemplo

0

5

10

15

20

0 5 10 15

x

y

Page 6: Memória Associativa Linear Ruy Luiz Milidiú. Regressão Linear Objetivo Examinar o modelo de memória associativa linear, suas vantagens e limitações Sumário

Aprendizado Supervisionado

Minimizar Erro … E(w0,w1) = (ŷ1 – y1)2 + … + (ŷn – yn)2

E(w0,w1) = (w0+w1.xi – yi)2

Diferenciando…2.(w0+w1.x1 – y1)+ … +2.(w0+w1.xn – yn) = 02.x1.(w0+w1.x1 – y1)+ … +2.xn.(w0+w1.xn – yn)

= 0

Page 7: Memória Associativa Linear Ruy Luiz Milidiú. Regressão Linear Objetivo Examinar o modelo de memória associativa linear, suas vantagens e limitações Sumário

Equações NormaisSistema de equações lineares…(w0+w1.x1 – y1) + … + (w0+w1.xn – yn) = 0x1.(w0+w1.x1 – y1)+ … +xn.(w0+w1.xn – yn) =

0

n.w0 + (x1+ … +xn).w1 = y1+ … +yn

(x1+ … +xn).w0 + (x12+ … +xn

2).w1 = x1.y1+ … +xn.yn

Page 8: Memória Associativa Linear Ruy Luiz Milidiú. Regressão Linear Objetivo Examinar o modelo de memória associativa linear, suas vantagens e limitações Sumário

Equações NormaisSolução por substituição…w0 = (y1+ … +yn )/n - [(x1+ … +xn)/n].w1

(x1+ … +xn).{(y1+ … +yn )/n - [(x1+ … +xn)/n].w1} + (x1

2+ … +xn2).w1 = x1.y1+ … +xn.yn

w1 = A / BA = x1.y1+ … +xn.yn - (x1+ … +xn).(y1+ … +yn )/n B = (x1

2+ … +xn2) - (x1+ … +xn).(x1+ … +xn)/n

w0 = (y1+ … +yn )/n - [(x1+ … +xn)/n].(A/B)

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Equações Normais

n xi w0 yi

xi xi2 w1

xi.yi

=

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Memória linear múltipla Exemplos

(x1, y1), (x2, y2), … , (xn, yn) xi Rk, yi real

Neurônio Linear ŷ = wT. x w = ?

Desempenho E Erro = (ŷ1 – y1)2 + … + (ŷn – yn)2

Page 11: Memória Associativa Linear Ruy Luiz Milidiú. Regressão Linear Objetivo Examinar o modelo de memória associativa linear, suas vantagens e limitações Sumário

Aprendizado Supervisionado

E(w) = (wT.xi – yi)2

E(w) = vT.v onde vi = wT.xi – yi = xiT.w – yi

E(w) =∑i (xiT.w – yi)T.(xi

T.w – yi) E(w) =∑i yi

2 – 2 ∑i yi.xiT.w + wT.∑i xi.xi

T.w X = [x1,…,xn] E(w) = yT.y – 2.(Xy)T.w + wT.XXTw

∂E/∂w = 2.XXTw – 2.Xy = 0

Page 12: Memória Associativa Linear Ruy Luiz Milidiú. Regressão Linear Objetivo Examinar o modelo de memória associativa linear, suas vantagens e limitações Sumário

Aprendizado Supervisionado

XXTw = Xy Eq. Normal

w = (XXT)-1Xy

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Adaptação Rápidaw = (XXT)-1Xy

X(n) = [x1,…,xn] X(n)X(n)

T = [x1,…,xn] . [x1,…,xn]T

X(n)X(n)T = xi.xi

T

X(n)X(n)T = X(n-1)X(n-1)

T + xn.xnT

[X(n)X(n)T]-1 = [X(n-1)X(n-1)

T + xn.xnT]-1

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Inversa Incremental(A + x.xT)-1 = ? AT = A

A + x.xT = (I + x.xT.A-1).A

(I + x.xT.A-1)-1 = ? (I + x.vT)-1 = ? onde v = A-1x (I + U)-1 = I - U + U2 - U3 + … (x.vT)2 = c.x.vT onde c = vT.x (x.vT)r =cr-1.x.vT r=1,2,… (I + x.vT)-1 = I - (1+c)-1.x.vT

Page 15: Memória Associativa Linear Ruy Luiz Milidiú. Regressão Linear Objetivo Examinar o modelo de memória associativa linear, suas vantagens e limitações Sumário

Inversa Incremental

(A + x.xT)-1 = A-1 - (1+c)-1.v.vT)

onde v = A-1x c = vT.x

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Adaptação Rápidaw = (XXT)-1Xy

X(n) = [x1,…,xn] = [X(n-1) ,xn]X(n)X(n)

T = .I + xi.xiT 0

X(n)X(n)T = A + xn.xn

Tvn = A-1.xn

w(n) = {A-1 - (1+xnT.vn)-1.vn.vn

T}.(X(n-1)y(n-1)+yn.xn)A-1.X(n-1)y(n-1) = w(n-1) A-1.yn.xn = yn.vn

vnT.X(n-1)y(n-1) = xn

T.A-1.X(n-1)y(n-1) = xnT.w(n-1)

vnT.yn.xn = yn.xn

T.vn

Page 17: Memória Associativa Linear Ruy Luiz Milidiú. Regressão Linear Objetivo Examinar o modelo de memória associativa linear, suas vantagens e limitações Sumário

Adaptação Rápidaw = (XXT)-1Xy

XXT = [x1,…,xn] . [x1,…,xn]T

XXT = .I + xi.xiT 0

XXT = A + xn.xnT vn = A-1.xn

w(n) = w(n-1) + (yn-w(n-1)T.xn).(1+xn

T.vn)-1.vn

Page 18: Memória Associativa Linear Ruy Luiz Milidiú. Regressão Linear Objetivo Examinar o modelo de memória associativa linear, suas vantagens e limitações Sumário

Adaptação Rápidaw = (XXT)-1Xy

XXT = [x1,…,xn] . [x1,…,xn]T

XXT = .I + xi.xiT 0

XXT = A + xn.xnT vn = A-1.xn

w w + (yn-wT.xn).(1+xnT.vn)-1.vn

Page 19: Memória Associativa Linear Ruy Luiz Milidiú. Regressão Linear Objetivo Examinar o modelo de memória associativa linear, suas vantagens e limitações Sumário

Adaptação LentaE(w) = (wT.xi – yi)2

E(n)(w) = E(n-1)(w) + (wT.xn – yn)2

∂E(n)/∂w = ∂E(n-1)/∂w + 2.(wT.xn – yn).xn ∂E(n)/∂w 0 + 2.(wn-1

T.xn – yn).xn ∂E(n)/∂w 2.(wn-1

T.xn – yn).xn

wn = wn-1 + .(yn-wn-1T.xn).xn

Page 20: Memória Associativa Linear Ruy Luiz Milidiú. Regressão Linear Objetivo Examinar o modelo de memória associativa linear, suas vantagens e limitações Sumário

ADALINEE(w) = (wT.xi – yi)2

ADAptive LInear NEuron Adaptação lenta Método do gradiente Aprendizado online por exemplo Aprendizado distribuido vetores

wn = wn-1 + .(yn-wn-1T.xn).xn

Page 21: Memória Associativa Linear Ruy Luiz Milidiú. Regressão Linear Objetivo Examinar o modelo de memória associativa linear, suas vantagens e limitações Sumário

… memórias lineares múltiplas Exemplos

(x1, y1), (x2, y2), … , (xn, yn) xi em Rk, yi em Rs

Neurônio Linear ŷ = W.x W = ?

Memória Ótima

W = Y.XT.(XXT)-1

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20 1 2: ( ; ) m

mf R R f x w w x w x w x w

1T TX X X

w y

2(1) (1) (1)

0(1) 2(2) (2) (2)1

( )

2( ) ( ) ( )

1

1

1

m

m

nmmn n n

x x xw

ywx x xX

y wx x x

y w

Polynomial Regression

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0 1 ( ; )f x w w x w 2 30 1 2 3 ( ; )f x w w x w x w x w

2 50 1 2 5( ; )f x w w x w x w x w 2 10

0 1 2 10( ; )f x w w x w x w x w

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

2

4

6

8

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

2

4

6

8

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

0

2

4

6

8

Regression with polynomials: fit improves with increased order

Page 24: Memória Associativa Linear Ruy Luiz Milidiú. Regressão Linear Objetivo Examinar o modelo de memória associativa linear, suas vantagens e limitações Sumário

We want to fit the training set, but as model complexity

increases, we run the risk of over-fitting.

2( ) ( )

1

1 ˆ; 0n

i i

iy f

n x w

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

0

2

4

6

8

Train set

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.50

2

4

6

8

Leave out

When the model order is over-fitting, leaving a single data point out of the training set can drastically change the fit.

Over-fitting

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We want to fit the training set, but we want to also generalize correctly. To measure generalization, we leave out a data point (named the test

point), fit the data, and then measure error on the test point. The average error over all possible test points is the cross validation error.

2( ) ( ) (! )

1

1 ;n

i i i

iCV y f

n x w

(! )iwWeights estimated from a training set that does not include the i-th data point

Cross-Validation

Page 26: Memória Associativa Linear Ruy Luiz Milidiú. Regressão Linear Objetivo Examinar o modelo de memória associativa linear, suas vantagens e limitações Sumário

2 4 6 8 10

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Model order

Mea

n-sq

uare

d er

ror

(trai

ning

set

)

2 4 6 8 100

25

50

75

100

125

150

175

1 2 3 4 5

1

1.5

2

2.5

3

Model order

Cro

ss-v

alid

atio

n er

ror

Cro

ss-v

alid

atio

n er

ror

Model order

(actual data was generated with a 2nd order polynomial process)

Model Selection