JPH1011413A - Recurrent net model production device for dynamics system - Google Patents
Recurrent net model production device for dynamics systemInfo
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- JPH1011413A JPH1011413A JP8164628A JP16462896A JPH1011413A JP H1011413 A JPH1011413 A JP H1011413A JP 8164628 A JP8164628 A JP 8164628A JP 16462896 A JP16462896 A JP 16462896A JP H1011413 A JPH1011413 A JP H1011413A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、力学系を表現する
模型として使用されるリカレントネット模型の発生装置
に関し、特に、模型を獲得したい力学系に対して、その
力学系が生成する軌道のうち重要であるとして指定され
た軌道を生成することが可能な力学系のリカレントネッ
ト模型作成装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for generating a recurrent net model used as a model expressing a dynamic system, and more particularly, to a dynamic system for which a model is desired to be obtained, and a trajectory generated by the dynamic system. The present invention relates to an apparatus for creating a recurrent net model of a dynamical system capable of generating a trajectory designated as important.
【0002】[0002]
【従来の技術】線形力学系は、制御可能な模型を作成す
ることができるのでその解析や制御を容易になすことが
でき、さまざまな応用に供されてきた。しかしながら、
環境との相互作用によって生じる力学系は、一般に非線
形である。非線形力学系は、例えば、炉内の流れ、音声
合成、ロボットの運動、コンピュータグラフィクス(C
G)におけるアニメーション等のさまざまな分野におい
て現れる。そのため、任意の非線形力学系についての制
御可能な模型の獲得は、非線形力学系の解析や制御、さ
らにその工学的応用のための重要な課題となっている。2. Description of the Related Art A linear dynamic system can produce a controllable model, so that its analysis and control can be easily performed, and it has been used for various applications. However,
Dynamical systems generated by interaction with the environment are generally non-linear. Nonlinear dynamical systems include, for example, flow in a furnace, speech synthesis, robot motion, computer graphics (C
Appears in various fields such as animation in G). Therefore, obtaining a controllable model for an arbitrary nonlinear dynamical system is an important issue for the analysis and control of the nonlinear dynamical system and its engineering application.
【0003】ところで、フィードバック型機構をもつニ
ューラルネットであるリカレントネットは、任意の力学
系を近似する能力をもち、また、並列計算性をも有して
いる。そこで、任意の力学系の制御可能な模型として、
リカレントネットを用いることが試みられている。[0003] A recurrent net, which is a neural net having a feedback type mechanism, has the ability to approximate an arbitrary dynamical system, and also has parallel computing properties. Therefore, as a controllable model of any dynamical system,
Attempts have been made to use recurrent nets.
【0004】力学系は軌道の集まりであり、その各軌道
が実際問題を解析する上での重要な情報となる。公知の
文献、例えば、J. Hertz, A. Krogh and R. Palmer; "I
ntroduction to the Theory of Neural Computation",
Lecture Notes, Santa Fe Institute Studies in the S
ciences of Complexity, (1991)(文献1)に示されて
いるように、リカレントネットに非線形力学系の有限個
軌道を学習させる方法として、RTRL学習法(Real-Ti
me Recurrent Learning: 実時間再帰学習法)やTDR
BP学習法(Time-Dependent Recurrent Back-Propagati
on: 実時間依存再帰逆伝搬学習法)が広く用いられてい
る。しかしながら、これらのように軌道を直接学習する
リカレントネットの学習法は、複雑な力学系を学習する
場合には必ずしも効果的ではないということが指摘され
ている。そして、指定された軌道を生成する力学系に対
して、その力学系を決定するベクトル場をフィードバッ
ク機構をもたないニューラルネットであるフィードフォ
ワードネットによって学習し、このフィードフォワード
ネットに基づいて、その力学系の軌道を生成するリカレ
ントネットを求めるという、相空間学習の枠組みがより
効果的であるということが、公知の文献、F-S. Tsung a
nd G. W. Cottrell; "Phase-Space Learning", Advance
s in Neural Information Processing Systems, Vol.
7, pp. 481-488, (1995)(文献2)により指摘されてい
る。フィードフォワードネットの学習に対しては、上述
の文献1に示されているように、モメンタム項をもつ逆
誤差伝搬学習法等のような、さまざまな効率的学習法が
知られている。A dynamic system is a collection of trajectories, and each trajectory is important information for analyzing an actual problem. Known literature, for example, J. Hertz, A. Krogh and R. Palmer; "I
ntroduction to the Theory of Neural Computation ",
Lecture Notes, Santa Fe Institute Studies in the S
As shown in ciences of Complexity, (1991) (Reference 1), as a method for causing a recurrent net to learn a finite number of orbits of a nonlinear dynamical system, an RTRL learning method (Real-Ti
me Recurrent Learning) and TDR
BP learning method (Time-Dependent Recurrent Back-Propagati
on: Real-time dependent recursive backpropagation learning method) is widely used. However, it has been pointed out that such a recurrent net learning method for directly learning a trajectory is not always effective when learning a complicated dynamical system. Then, for a dynamical system that generates a specified trajectory, a vector field that determines the dynamical system is learned by a feedforward net, which is a neural network without a feedback mechanism, and based on this feedforward net, A well-known document, FS. Tsunga, found that the framework of phase space learning, which is to find a recurrent net that generates the trajectory of a dynamical system, is more effective.
nd GW Cottrell; "Phase-Space Learning", Advance
s in Neural Information Processing Systems, Vol.
7, pp. 481-488, (1995) (Reference 2). As for the learning of the feedforward net, various efficient learning methods such as a back error propagation learning method having a momentum term as described in the above-mentioned document 1 are known.
【0005】また、本発明者らは、特願平8−9389
において、隠れユニットをもたないn個のユニットから
なるリカレントネットによって完全に表現できるn次元
空間上のある力学系に対して、その指定された有限個の
軌道を生成するn次元空間上の力学系のうち、隠れユニ
ットをもたないn個のユニットからなるリカレントネッ
トによって完全に表現できる全ての力学系のリカレント
ネット模型を作成する装置であるニューラルネット発生
装置を提案した。この装置では、指定された軌道を生成
する力学系のリカレントネット模型の特解を計算する際
に、TDRBP学習法が使用されている。[0005] The present inventors have also disclosed in Japanese Patent Application No. Hei 8-9389.
For a given dynamical system in n-dimensional space that can be completely represented by a recurrent net consisting of n units with no hidden units, a dynamics in n-dimensional space that generates a specified finite number of orbitals We have proposed a neural network generator that creates a recurrent net model of all dynamical systems that can be completely represented by a recurrent net consisting of n units without hidden units. In this device, a TDRBP learning method is used when calculating a special solution of a recurrent net model of a dynamic system that generates a specified trajectory.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】実際問題においては、
模型を獲得したい力学系に対して、その力学系での重要
な情報である軌道のうち、特に重要な有限個の軌道を指
定される。したがって、指定されたこれらの軌道情報を
基にして、模型を獲得したい力学系のリカレントネット
模型を作成することが要求される。しかしながら、ある
軌道が指定されたとしてこれら軌道を生成する力学系
が、元の力学系の他の軌道を生成するとは限られない。
すなわち、指定された有限個の軌道情報だけからは、元
の力学系のリカレントネット模型を獲得できるかどうか
は、一般には分からない。SUMMARY OF THE INVENTION In a practical problem,
For a dynamical system for which a model is to be obtained, a particularly important finite number of orbits among the orbits that are important information in the dynamical system are designated. Therefore, it is required to create a recurrent net model of a dynamical system for which a model is desired to be acquired based on the specified orbit information. However, a dynamic system that generates these trajectories on the assumption that a certain trajectory is designated does not always generate another trajectory of the original dynamic system.
That is, it is generally unknown whether or not a recurrent net model of the original dynamical system can be obtained from only the specified finite number of orbital information.
【0007】そこで、指定された有限個の軌道を生成で
きるような力学系の広い族に対して、この族に属する力
学系のリカレントネット模型が作成できる装置を実現す
ることが要求され、また、特定の型の力学系に対してだ
けではなく、任意の力学系に対して、このような装置を
実現することが課題である。Therefore, for a wide family of dynamical systems capable of generating a specified finite number of orbits, it is required to realize an apparatus capable of creating a recurrent net model of a dynamical system belonging to this family. The challenge is to realize such a device not only for a particular type of dynamical system, but also for any dynamical system.
【0008】本発明の目的は、任意の力学系での指定さ
れた有限個の軌道を生成できるような力学系の広い族に
対して、この族に属する力学系のリカレントネット模型
を作成できるリカレントネット模型作成装置を提供する
ことにある。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a recurrent net model for a dynamic system belonging to a dynamic family that can generate a specified finite number of orbitals in an arbitrary dynamic system. An object of the present invention is to provide a net model making device.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明の力学系のリカレ
ントネット模型作成装置は、n次元空間上の任意の力学
系に対してそのm個の軌道が与えられたときに、そのm
個の軌道を生成するn次元空間上の力学系のリカレント
ネット模型を作成する装置において、時間刻みをΔtと
したm個の軌道の軌道情報According to the recurrent net model forming apparatus for a dynamical system of the present invention, when m orbits are given to an arbitrary dynamical system in an n-dimensional space, the m
In a device for creating a recurrent net model of a dynamical system on an n-dimensional space for generating orbits, orbit information of m orbits with a time step of Δt
【0010】[0010]
【外6】 を入力として、各軌道に沿ったn次元ベクトル場V(x)
を計算して出力する教師データ作成手段と、教師データ
作成手段が出力するn次元ベクトル場V(x)に対してそ
のn次元ベクトル場V(x)の定義域であるn次元空間の
部分集合Ω上で2層フィードフォワードネットAg(x)
とk個の隠れユニットを有する3層フィードフォワード
ネットBg(Hx+θ)との和によってベクトル場V(x)
+xを表現するために、n次元ベクトル場V(x)が入力
したときに、2層フィードフォワードネットにおける入
力ユニットから出力ユニットへのn×n行列で表わされ
るウエイト行列Aと、3層フィードフォワードネットに
おける入力ユニットから隠れユニットへのk×n行列で
表わされるウエイト行列Hと、3層フィードフォワード
ネットにおける隠れユニットから出力ユニットへのn×
k行列で表わされるウエイト行列Bと、3層フィードフ
ォワードネットでの隠れユニットの閾値を集めたk次元
のベクトルθを算出して出力するベクトル場学習手段
と、m個の軌道の軌道情報[Outside 6] , An n-dimensional vector field V (x) along each trajectory
Data generating means for calculating and outputting the data, and a subset of an n-dimensional space which is a domain of the n-dimensional vector field V (x) with respect to the n-dimensional vector field V (x) output from the teacher data generating means Two-layer feedforward net Ag (x) on Ω
And the three-layer feedforward net Bg (Hx + θ) having k hidden units, the vector field V (x)
In order to express + x, when an n-dimensional vector field V (x) is input, a weight matrix A expressed by an n × n matrix from an input unit to an output unit in a two-layer feedforward net, and a three-layer feedforward A weight matrix H expressed by a k × n matrix from an input unit to a hidden unit in a net, and an n × matrix from a hidden unit to an output unit in a three-layer feedforward net
vector field learning means for calculating and outputting a weight matrix B represented by a k matrix, a k-dimensional vector θ in which threshold values of hidden units in a three-layer feedforward net are collected, and orbit information of m orbits
【0011】[0011]
【外7】 と、ベクトル場学習手段から出力される隠れユニットの
数k、k次元のベクトルθ及びウエイト行列Hを入力と
して、リカレントネットのユニット活性化関数gによる
像であるn+k次元空間内のm個の曲線[Outside 7] And the number k of hidden units, the k-dimensional vector θ, and the weight matrix H output from the vector field learning means, and m curves in an n + k-dimensional space, which are images of the unit activation function g of the recurrent net
【0012】[0012]
【外8】 を表現する、mL個のn+k次元ベクトルq1,…,qmL
を計算して出力する曲線ベクトル作成手段と、曲線ベク
トル作成手段が出力するmL個のn+k次元ベクトルq
1,…,qmLを入力として、n+k次元空間内でのこれら
ベクトルq1,…,q mLを含む部分ベクトル空間のうちで
最小である部分ベクトル空間に対して、その直交補空間
の次元d及び基底{e1,…,ed}を計算して出力する基
底作成手段と、任意に与えられるn×d行列Cと3層フ
ィードフォワードネットでの隠れユニットの数kと各ウ
エイト行列A,H,Bとk次元のベクトルθと直交補空間
の次元d及び基底{e1,…,ed}とを入力として、軌道
情報[Outside 8]The mL n + k dimensional vector q expressing1,…, QmL
A curve vector generating means for calculating and outputting
ML n + k dimensional vectors q output by the
1,…, QmLAnd input them into n + k-dimensional space
Vector q1,…, Q mLIn the subvector space containing
For the smallest subvector space, its orthogonal complement
Dimension d and basis {e1,…, EdBase for calculating and outputting 基
Bottom creating means, arbitrarily given n × d matrix C and three-layer matrix
K and the number of hidden units in the forward network
Eight matrices A, H, B, k-dimensional vector θ and orthogonal complement space
Dimension d and basis {e1,…, EdOrbit as input
information
【0013】[0013]
【外9】 で表わされるm個の軌道を生成するn次元空間上の力学
系のリカレントネット模型であるφCを導くために、3
層フィードフォワードネットでの隠れユニットの数kを
リカレントネットでの隠れユニットの数とし、リカレン
トネットでのウエイト行列W及び外部入力Iを計算して
出力し、さらに、リカレントネットの出力ユニットの状
態により力学系の軌道を生成するために、n次元空間上
の点xが力学系の生成する軌道の初期値として与えられ
たときにリカレントネットに与える初期値を(x,Hx+
θ)とするためのパラメータであるウエイト行列H及び
k次元ベクトルθを出力するリカレントネット模型パラ
メータ作成手段と、を有することを特徴とする。[Outside 9] In order to derive φ C , which is a recurrent net model of a dynamical system on n-dimensional space that generates m orbits represented by
The number k of hidden units in the layer feedforward net is defined as the number of hidden units in the recurrent net, and the weight matrix W and the external input I in the recurrent net are calculated and output. In order to generate the trajectory of the dynamical system, the initial value given to the recurrent net when the point x on the n-dimensional space is given as the initial value of the trajectory generated by the dynamical system is (x, Hx +
θ), and a recurrent net model parameter generating means for outputting a weight matrix H and a k-dimensional vector θ as parameters.
【0014】本発明においては、n次元空間上の任意の
力学系のm個の軌道を生成できるようなn次元空間上の
力学系に対して、そのリカレントネット模型の特解を効
率的に計算するために、相空間学習の枠組みが用いら
れ、教師データ作成手段、ベクトル場学習手段及びリカ
レントネット模型パラメータ作成手段により特解が計算
される。また、ベクトル場学習手段においては、ニュー
ラルネットのモメンタム項をもつ逆誤差伝搬学習法を用
いることによって、ウエイト行列A,H,Bやk次元のベ
クトルθを求めることが望ましい。その際、ベクトル場
学習手段において、3層フィードフォワードネットでの
隠れユニットの数kを増加させながら誤差関数を算出
し、誤差関数の値が所定の許容誤差内となったときの隠
れユニットの数kが出力され、これによってこの隠れユ
ニットの数kがリカレントネットの隠れユニットの数と
なるようにすることが望ましい。According to the present invention, for a dynamical system in an n-dimensional space capable of generating m orbits of an arbitrary dynamical system in the n-dimensional space, a special solution of the recurrent net model is efficiently calculated. To do so, a phase space learning framework is used, and a special solution is calculated by the teacher data creating means, the vector field learning means, and the recurrent net model parameter creating means. In the vector field learning means, it is desirable to obtain the weight matrices A, H, B and the k-dimensional vector θ by using the inverse error propagation learning method having the momentum term of the neural network. At this time, the vector field learning means calculates an error function while increasing the number k of hidden units in the three-layer feedforward net, and calculates the number of hidden units when the value of the error function falls within a predetermined allowable error. Preferably, k is output, so that the number k of hidden units is the number of hidden units of the recurrent net.
【0015】本発明では、上述したm個の軌道情報に対
して、曲線ベクトル作成手段と基底作成手段により得ら
れる基底{e1,…,ed}と、任意に指定されたn×d行
列Cとから、リカレントネット模型パラメータ作成手段
により、そのような力学系の広い族のリカレントネット
模型を生成するためのパラメータが計算される。すなわ
ち、n×d行列Cを指定するごとに、異なるリカレント
ネットが生成する。According to the present invention, a basis {e 1 ,..., Ed } obtained by the curve vector creation means and the basis creation means, and an arbitrarily designated n × d matrix From C, parameters for generating such a recurrent net model of a wide family of dynamical systems are calculated by the recurrent net model parameter creation means. That is, every time the n × d matrix C is specified, a different recurrent net is generated.
【0016】以下、本発明の作用について、詳細に説明
する。まず、力学系について説明する。なお、本明細書
の本文部分においては、n次元空間Hereinafter, the operation of the present invention will be described in detail. First, the dynamic system will be described. In the text of this specification, the n-dimensional space
【0017】[0017]
【外10】 のことを単にRnと略記し、また、実数全体の集合[Outside 10] Is simply abbreviated as R n, and a set of all real numbers
【0018】[0018]
【外11】 のことをRと略記する。[Outside 11] Is abbreviated as R.
【0019】n次元空間Rn上の力学系ψとは、A dynamical system 上 の in an n-dimensional space R n is
【0020】[0020]
【外12】 写像[Outside 12] Mapping
【0021】[0021]
【数1】 であり、性質(Equation 1) And nature
【0022】[0022]
【数2】 を満足するものである。すなわち、n次元空間Rn上の
力学系ψ(力学系6)とは、時刻をtとして、図1に示
すように、入力部5によってn次元ベクトルxを与えら
れたときに、n次元空間Rn上に下記式で表わされる軌
道ξ(t)を生成してそれを出力部7に出力するシステム
であると考えられる。(Equation 2) Is satisfied. That is, a dynamical system ψ (dynamical system 6) on an n-dimensional space R n is defined as an n-dimensional space when an input unit 5 gives an n-dimensional vector x, as shown in FIG. It is considered that the system generates a trajectory ξ (t) represented by the following equation on R n and outputs it to the output unit 7.
【0023】[0023]
【数3】 以下の説明では、模型を獲得したいn次元空間Rn上の
力学系をψとし、この力学系ψが生成する軌道のうち、
重要であるとして指定されたm個の軌道をξ(1 )(t),
…,ξ(m)(t)とする。(Equation 3) In the following description, a dynamical system in an n-dimensional space R n for which a model is to be obtained is denoted by ψ, and of the trajectories generated by this dynamical system ψ,
Let m orbits designated as important be ξ (1 ) (t),
..., ξ (m) (t).
【0024】次に、本発明で扱うn次元空間上の力学系
のリカレントネット模型について説明する。リカレント
ネットでは、n+k個のユニットが設けられ、1番目か
らn番目までのn個のユニットが出力ユニットであり、
n+1番目からn+k番目までのk個のユニットは隠れ
ユニットである。リカレントネットは、(n+k)×(n
+k)実行列であるウエイト行列W=(Wij)と、外部入
力I=(I1,…,In+k)∈Rn+kによってパラメータづけ
られる。リカレントネットにおけるユニットiの時刻t
∈Rでの状態ui(t)は、各ユニットに初期値を与えれ
ば、次の常微分方程式の解によって決定される:Next, a recurrent net model of a dynamical system on an n-dimensional space handled in the present invention will be described. In the recurrent net, n + k units are provided, and n units from the first to the n-th are output units,
The k units from the (n + 1) th to the (n + k) th are hidden units. The recurrent net is (n + k) × (n
+ K) Parameterized by a weight matrix W = (W ij ), which is an execution sequence, and an external input I = (I 1 ,..., I n + k ) ∈R n + k . Time t of unit i in the recurrent net
The state u i (t) at ∈R, given an initial value for each unit, is determined by the solution of the following ODE:
【0025】[0025]
【数4】 ここに、ユニット活性化関数gはR上の与えられた有界
な単調増加(Equation 4) Where the unit activation function g is a given bounded monotonic increase on R
【0026】[0026]
【外13】 関数であり、例えば、tanh(βt),(β>0)であ
る。このようなリカレントネットによって構成される、
n次元空間Rn上の力学系のリカレントネット模型φC、
(Cはn×d実行列)とは、[Outside 13] A function, for example, tanh (βt), (β> 0). It is constituted by such a recurrent net,
Recurrent net model φ C of a dynamical system on n-dimensional space R n ,
(C is an n × d execution sequence)
【0027】[0027]
【外14】 写像[Outside 14] Mapping
【0028】[0028]
【数5】 であり、図2に示すように、力学系への初期値であるn
次元空間Rn上の点xに対して、軌道φC(t,x)を生成
するものである。すなわちリカレントネット模型φ
C(リカレントネット模型6A)は、入力部5Aからn
次元ベクトルxを与えられたときに、出力部7Aに対し
て、軌道φC(t,x)を出力するものである。ここに、リ
カレントネットへの初期値を与える、k×n行列のパラ
メータHiとθ1∈Rkとが指定されると、軌道φC(t,
x)は、リカレントネットに初期値(x,H1x+θ1)を代
入することによって生成されるn個の出力ユニットの状
態(u1(t),…,Un(t))として計算される。(Equation 5) As shown in FIG. 2, n is an initial value for the dynamical system.
A trajectory φ C (t, x) is generated for a point x on the dimensional space R n . That is, the recurrent net model φ
C (recurrent net model 6A) is input from input unit 5A to n
When the dimensional vector x is given, the trajectory φ C (t, x) is output to the output unit 7A. Here, providing an initial value for the recurrent net, when the parameter H i and theta 1 ∈R k of k × n matrix is specified, the trajectory phi C (t,
x) is calculated as the states (u 1 (t),..., U n (t)) of n output units generated by substituting the initial values (x, H 1 x + θ 1 ) into the recurrent net. You.
【0029】指定された軌道ξ(1)(t),…,ξ(m)(t)を
生成する力学系の広い族に対して、それらのリカレント
ネット模型を、φC、(C:n×d実行列)の形で作成す
ることが、本発明の目指すところである。以下、本発明
の各ステップについて詳細に説明する。For a wide family of dynamical systems producing the specified orbitals ξ (1) (t),..., Ξ (m) (t), their recurrent net models are represented by φ C , (C: n It is the aim of the present invention to create in the form of (* d execution sequence). Hereinafter, each step of the present invention will be described in detail.
【0030】《特解の作成》力学系ψでの指定された軌
道<< Preparation of Special Solution >> Specified trajectory in dynamical system ψ
【0031】[0031]
【外15】 を生成する力学系の1つのリカレントネット模型を、相
空間学習の枠組みに基づいて以下のように計算する。[Outside 15] Is calculated as follows based on the framework of phase space learning.
【0032】まず、力学系ψを決定するn次元空間Rn
上のベクトル場のサンプルとして、指定された軌道の接
ベクトル場V(x),(x∈Ω)を計算する。すなわち、First, an n-dimensional space R n for determining the dynamical system ψ
As a sample of the above vector field, a tangent vector field V (x), (x∈Ω) of a specified trajectory is calculated. That is,
【0033】[0033]
【数6】 を計算する。(Equation 6) Is calculated.
【0034】次に、2つのフィードフォワードネットに
よって、ベクトル場V(x)+xを学習する。これによ
り、リカレントネット模型の特解のパラメータである隠
れユニットの数k、n×n実行列A0、n×k実行列
B0、k×n実行列H、θ∈Rkが計算される。すなわ
ち、Next, a vector field V (x) + x is learned by two feedforward nets. Thereby, the number k of hidden units, the n × n execution sequence A 0 , the n × k execution sequence B 0 , the k × n execution sequence H, θ∈R k , which are the parameters of the special solution of the recurrent net model, are calculated. . That is,
【0035】[0035]
【数7】 となる。なお、2つのフィードフォワードネットのう
ち、一方は2層フィードフォワードネットであって、上
述のn×n実行列A0は、この2層フィードフォワード
ネットでの入力ユニットから出力ユニットへのウエイト
行列である。他方のフィードフォワードネットはk個の
隠れユニットを有する3層フィードフォワードネットで
あり、k×n実行列Hはこの3層フィードフォワードネ
ットにおける入力ユニットから隠れユニットへのウエイ
ト行列であり、n×k実行列B0は隠れユニットから出
力ユニットへのウエイト行列である。また、k次元のベ
クトルθは、3層フィードフォワードネットでのk個の
隠れユニットの閾値を集めたベクトル、すなわちこれら
閾値を要素とするベクトルである。(Equation 7) Becomes Note that one of the two feedforward nets is a two-layer feedforward net, and the above-described n × n execution sequence A 0 is a weight matrix from an input unit to an output unit in the two-layer feedforward net. is there. The other feedforward net is a three-layer feedforward net having k hidden units, and the k × n execution sequence H is a weight matrix from an input unit to a hidden unit in this three-layer feedforward net, and has n × k The execution sequence B 0 is a weight matrix from the hidden unit to the output unit. The k-dimensional vector θ is a vector in which threshold values of k hidden units in the three-layer feedforward net are collected, that is, a vector having these threshold values as elements.
【0036】ウエイト行列W0をThe weight matrix W 0 is
【0037】[0037]
【数8】 とし、外部入力Iを(Equation 8) And the external input I is
【0038】[0038]
【数9】 とするリカレントネットを作成する。このリカレントネ
ットの出力ユニットを用いてn次元空間Rn上の力学系
φ0が次のように定義され、これが目的であった力学系
のリカレントネット模型の特解になる。すなわち、t∈
Rとx∈Rnに対して、φ0(t,x)は、(x,Hx+θ)∈
Rn+kを初期値としたときのこのリカレントネットのn
個の出力ユニットの時刻tでの状態である。(Equation 9) To create a recurrent net. Using the output unit of this recurrent net, a dynamic system φ 0 on the n-dimensional space R n is defined as follows, and this is a special solution of the recurrent net model of the intended dynamic system. That is, t∈
For R and x∈R n , φ 0 (t, x) is (x, Hx + θ) ∈
N of this recurrent net when R n + k is the initial value
This is the state of the output units at time t.
【0039】《解の族の作成》上述のようにしてリカレ
ントネット模型の特解が求められたとして、指定された
軌道を生成する力学系の広い族に対して、この族に属す
る力学系のリカレントネット模型は、以下のようにして
計算される。<< Creation of Solution Family >> As described above, assuming that the specific solution of the recurrent net model has been obtained, the dynamic system belonging to this family is The recurrent net model is calculated as follows.
【0040】上述のユニット活性化関数gは、次のよう
にしてn次元空間RnのThe above-mentioned unit activation function g is expressed as follows in the n-dimensional space R n .
【0041】[0041]
【外16】 同型写像に拡張される:[Outside 16] Extended to isomorphism:
【0042】[0042]
【数10】 また、ベクトル空間Rn+kの部分集合(Equation 10) Also, a subset of the vector space R n + k
【0043】[0043]
【数11】 を含むこのベクトル空間Rn+kの最小の部分ベクトル空
間をV(ξ(1),…,ξ(m))とする。また、ベクトル空間R
n+kの標準内積に関する、部分ベクトル空間V(ξ (1),
…,ξ(m))の直交補空間[Equation 11]This vector space R containingn + kThe smallest partial vector of
V (ξ(1),…, Ξ(m)). Also, the vector space R
n + kThe subvector space V (ξ (1),
…, Ξ(m)) Orthogonal complement space
【0044】[0044]
【外17】 の基底を[Outside 17] The basis of
【0045】[0045]
【数12】 とする。(Equation 12) And
【0046】このとき、任意のn×d実行列C=(Cij)
に対して、n×n行列A*=(A* ij)とn×k行列B*=
(B* ij)とをAt this time, an arbitrary n × d execution sequence C = (C ij )
, N * n matrix A * = (A * ij ) and n * k matrix B * =
(B * ij ) and
【0047】[0047]
【数13】 で定義し、(Equation 13) Defined by
【0048】[0048]
【数14】 なるウエイト行列Wを有しかつ外部入力がIであるリカ
レントネットを作成する。[Equation 14] A recurrent net having the following weight matrix W and an external input of I is created.
【0049】このリカレンネットの出力ユニットを用い
てn次元空間Rn上の力学系φCが次のように定義され、
これが目的であった力学系のリカレントネット模型にな
る。すなわち、t∈Rとx∈Rnに対して、φC(t,x)
は、(x,Hx+θ)∈Rn+kを初期値としたときのこのリ
カレントネットのn個の出力ユニットの時刻tでの状態
である。Using the output unit of this Rikaren net, a dynamic system φ C on an n-dimensional space R n is defined as follows:
This is the recurrent net model of the dynamical system that was the goal. That is, for t∈R and x∈R n, φ C (t, x)
Is a state at time t of n output units of this recurrent net when (x, Hx + θ) ∈R n + k is set as an initial value.
【0050】本発明により、n次元空間Rn上の力学系
ψの指定された軌道ξ(1)(t),…,ξ (m)(t)を生成する
力学系の族のリカレントネット模型φCを、特解のパラ
メータであるμ=(A0,B0,H,θ)の計算と、ベクトル
空間According to the present invention, an n-dimensional space RnUpper dynamics
指定 designated orbit ξ(1)(t),…, ξ (m)generate (t)
Recurrent net model φ for a family of dynamical systemsCIs a special solution
Μ = (A0, B0, H, θ) and the vector
space
【0051】[0051]
【外18】 の基底を{e1,…,ed}の計算と、式(14),(15)によっ
て作成することが可能になる。式(14),(15)から明らか
なように、n×d行列Cは、広い族の中のある力学系を
特定するために用いられており、行列Cを変化させるこ
とによって、族の中の各力学系を生成することが可能に
なる。[Outside 18] The underlying {e 1, ..., e d } and the calculation of the formula (14), it is possible to create by (15). As is clear from equations (14) and (15), the n × d matrix C is used to identify a certain dynamical system in a wide family, and by changing the matrix C, Can be generated.
【0052】[0052]
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を用いて説明する。図3は、本発明の実施の一形
態の力学系のリカレントネット模型作成装置の構成を示
すブロック図である。Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a recurrent net model creation device for a dynamic system according to an embodiment of the present invention.
【0053】この力学系のリカレントネット模型作成装
置1は、n次元空間上の任意の力学系に対してその有限
個(m個)の軌道が与えられたときに、与えられた軌道
を生成するn次元空間上の力学系の族のリカレントネッ
トを生成するものであって、入力手段10、教師データ
作成手段20、ベクトル場作成手段30、曲線ベクトル
作成手段40、基底作成手段50、リカレントネット模
型パラメータ作成手段60及び出力手段70とによって
構成されている。n次元空間上の力学系のm個の軌道情
報は予め入力情報格納部80に格納されているとし、こ
の軌道情報は入力手段10によって、入力情報格納部8
0からこのリカレントネット模型作成装置1に入力され
る。When a finite number (m) of orbits is given to an arbitrary dynamical system in an n-dimensional space, the recurrent net model creation device 1 for the dynamical system generates the given orbit. It is for generating a recurrent net of a family of a dynamical system in an n-dimensional space, and includes an input unit 10, a teacher data generation unit 20, a vector field generation unit 30, a curve vector generation unit 40, a basis generation unit 50, a recurrent net model. It comprises a parameter creation means 60 and an output means 70. It is assumed that m orbit information of the dynamic system in the n-dimensional space is stored in the input information storage unit 80 in advance, and this orbit information is input by the input means 10 to the input information storage unit 8.
0 is input to the recurrent net model creation device 1.
【0054】教師データ作成手段20は、入力手段10
から入力する指定されたm個の軌道情報ξ(1)(t),…,
ξ(m)(t)に基づいてこれらの軌道に沿ったn次元ベク
トル場V(x)を計算して出力するものであって、n次元
ベクトル場V(x)を算出する際に使用するルールを格納
する教師データ作成ルールデータベース21と、教師デ
ータ作成ルールデータベース21を参照してn次元ベク
トル場V(x)を算出する演算部22と、演算結果を一時
的に保持するためのバッファ領域23とから、構成され
ている。The teacher data creating means 20 is provided with the input means 10
M (1) (t),…,
n (m) Calculates and outputs an n-dimensional vector field V (x) along these orbits based on (t), and is used when calculating the n-dimensional vector field V (x). A teacher data creation rule database 21 for storing rules, an operation unit 22 for calculating an n-dimensional vector field V (x) with reference to the teacher data creation rule database 21, and a buffer area for temporarily holding the operation result 23.
【0055】ベクトル場作成手段30は、教師データ作
成手段20が出力するn次元ベクトル場V(x)に対して
そのn次元ベクトル場V(x)の定義域であるn次元空間
の部分集合Ω上で2層フィードフォワードネットAg
(x)とk個の隠れユニットを有する3層フィードフォワ
ードネットBg(Hx+θ)との和によってベクトル場V
(x)+xを表現するために、n次元ベクトル場V(x)が
入力したときに、これらのフィードフォワードネットを
特徴づけるパラメータμを算出し、算出した各パラメー
タを隠れユニットの数kとともに出力するものである。
具体的には、パラメータμは、2層フィードフォワード
ネットにおける入力ユニットから出力ユニットへのn×
n行列で表わされるウエイト行列Aと、3層フィードフ
ォワードネットにおける入力ユニットから隠れユニット
へのk×n行列で表わされるウエイト行列Hと、3層フ
ィードフォワードネットにおける隠れユニットから出力
ユニットへのn×k行列で表わされるウエイト行列B
と、3層フィードフォワードネットでの隠れユニットの
閾値を集めたk次元のベクトルθとによって構成され
る。ベクトル場作成手段30には、入力したn次元ベク
トル場V(x)に基づき、隠れユニットの数kを0から増
加させつつウエイト行列A,H,Bとk次元ベクトルθを
算出する際に使用するルールを格納するベクトル場作成
ルールデータベース31と、ベクトル場作成ルールデー
タベース31を参照して、後述する誤差関数Ek(μ)や
ウエイト行列A,H,B、k次元のベクトルθを算出する
演算部32と、演算結果を一時的に保持するためのバッ
ファ領域33とが設けられている。The vector field creating means 30 generates a subset Ω of the n-dimensional space which is the domain of the n-dimensional vector field V (x) for the n-dimensional vector field V (x) output from the teacher data creating means 20. On the two-layer feedforward net Ag
(x) and the three-layer feedforward net Bg (Hx + θ) having k hidden units, the vector field V
In order to express (x) + x, when an n-dimensional vector field V (x) is input, parameters μ characterizing these feedforward nets are calculated, and each calculated parameter is output together with the number k of hidden units. Is what you do.
Specifically, the parameter μ is nx from the input unit to the output unit in the two-layer feedforward net.
A weight matrix A expressed by an n matrix, a weight matrix H expressed by a k × n matrix from an input unit to a hidden unit in a three-layer feedforward net, and an nx from a hidden unit to an output unit in a three-layer feedforward net Weight matrix B represented by k matrix
And a k-dimensional vector θ in which threshold values of hidden units in the three-layer feedforward net are collected. The vector field creating means 30 is used to calculate the weight matrices A, H, B and the k-dimensional vector θ while increasing the number k of hidden units from 0 based on the input n-dimensional vector field V (x). With reference to the vector field creation rule database 31 that stores rules to be executed, and the vector field creation rule database 31, an error function E k (μ), weight matrices A, H, B, and k-dimensional vector θ described later are calculated. An operation unit 32 and a buffer area 33 for temporarily holding an operation result are provided.
【0056】曲線ベクトル作成手段40は、入力手段1
0から入力する軌道情報The curve vector creating means 40 is provided with the input means 1
Orbit information input from 0
【0057】[0057]
【外19】 と、ベクトル場学習手段30から出力される隠れユニッ
トの数k、k次元のベクトルθ及びウエイト行列Hを入
力として、リカレントネットのユニット活性化関数gに
よる像であるn+k次元空間内のm個の曲線[Outside 19] And the number k of hidden units, the k-dimensional vector θ, and the weight matrix H output from the vector field learning means 30 as inputs, and m number of images in an n + k-dimensional space, which is an image of a unit activation function g of the recurrent net, are input. curve
【0058】[0058]
【外20】 を表現する、mL個のn+k次元ベクトルq1,…,qmL
を計算して出力するものであって、これらn+k次元ベ
クトルq1,…,qmLを算出する際に使用するルールを格
納する曲線ベクトル作成ルールデータベース41と、曲
線ベクトル作成ルールデータベース41を参照してn+
k次元ベクトルq1,…,qmLを算出する演算部42と、
演算結果を一時的に保持するためのバッファ領域43と
から、構成されている。[Outside 20] , Represents mL n + k-dimensional vectors q 1 , ..., q mL
, And outputs a curve vector creation rule database 41 for storing rules used for calculating these n + k-dimensional vectors q 1 ,..., Q mL , and a curve vector creation rule database 41. N +
an operation unit 42 for calculating k-dimensional vectors q 1 ,..., q mL ;
And a buffer area 43 for temporarily holding the operation result.
【0059】基底作成手段50は、曲線ベクトル作成手
段40から出力されるmL個のn+k次元ベクトルq1,
…,qmLを入力として、n+k次元空間内でのこれらベ
クトルq1,…,qmLを含む部分ベクトル空間のうちで最
小である部分ベクトル空間に対して、その直交補空間の
次元d及び基底{e1,…,ed}を計算して出力するもの
であって、次元d及び基底{e1,…,ed}を算出する際
に使用するルールを格納する基底作成ルールデータベー
ス51と、基底作成ルールデータベース51を参照して
次元d及び基底{e1,…,ed}を算出する演算部52
と、演算結果を一時的に保持するためのバッファ領域5
3とから、構成されている。The basis creating means 50 outputs mL n + k dimensional vectors q 1 ,
..., as input q mL, these vectors q 1 in the n + k-dimensional space, ..., with respect to partial vector space is the smallest among the partial vector space containing q mL, dimension d and basis of the orthogonal complement {e 1, ..., e d } be one that calculates and outputs, the dimension d and basis {e 1, ..., e d } a base created rules database 51 which stores rules to be used when calculating the , Calculating a dimension d and a basis {e 1 ,..., E d } with reference to the basis creation rule database 51.
And a buffer area 5 for temporarily holding an operation result
3 is constituted.
【0060】リカレントネット模型パラメータ作成手段
60は、任意に与えられて入力手段10から入力するn
×d行列Cとベクトル場作成手段30から入力するパラ
メータ(3層フィードフォワードネットでの隠れユニッ
トの数kと各ウエイト行列A,H,Bとk次元のベクトル
θ)と、基底作成手段50から入力する直交補空間の次
元d及び基底{e1,…,ed}とに基づいて、軌道情報The recurrent net model parameter creating means 60 is arbitrarily given and inputted from the input means 10.
Xd matrix C, parameters input from vector field creating means 30 (number k of hidden units in three-layer feedforward net, weight matrices A, H, B, and k-dimensional vector θ), and basis input means 50 Based on the dimension d of the orthogonal complement space to be input and the basis {e 1 ,..., E d }, the trajectory information
【0061】[0061]
【外21】 で表わされるm個の軌道を生成するn次元空間上の力学
系のリカレントネット模型であるφCを導くために、こ
のリカレントネットでのウエイト行列W及び外部入力I
を計算して出力するものであって、ウエイト行列Wや外
部入力Iを算出する際に使用するルールを格納するパラ
メータ作成ルールデータベース61と、パラメータ作成
ルールデータベース61を参照してウエイト行列Wや外
部入力Iを算出する演算部62と、演算結果を一時的に
保持するためのバッファ領域63とによって構成されて
いる。さらに、リカレントネット模型パラメータ作成手
段60は、ベクトル場作成手段40から出力される隠れ
ユニットの数kをリカレントネットでの隠れユニットの
数としてこの隠れユニットの数を出力し、リカレントネ
ットの出力ユニットの状態により力学系の軌道を生成す
るために、n次元空間上の点xが力学系の生成する軌道
の初期値として与えられたときにリカレントネットに与
える初期値を(x,Hx+θ)とするためのパラメータで
あるウエイト行列H及びk次元ベクトルθを出力する。[Outside 21] In order to derive φ C , which is a recurrent net model of a dynamical system on an n-dimensional space that generates m orbits represented by the following formula, a weight matrix W and an external input I
The parameter creation rule database 61 stores rules used when calculating the weight matrix W and the external input I, and the weight matrix W and the external It comprises an operation unit 62 for calculating the input I and a buffer area 63 for temporarily holding the operation result. Further, the recurrent net model parameter creating means 60 outputs the number of hidden units in the recurrent net, using the number k of hidden units output from the vector field creating means 40 as the number of hidden units in the recurrent net, and outputs the number of hidden units in the recurrent net. In order to generate the trajectory of the dynamical system according to the state, when the point x in the n-dimensional space is given as the initial value of the trajectory generated by the dynamical system, the initial value given to the recurrent net is (x, Hx + θ) The weight matrix H and the k-dimensional vector θ, which are the parameters of
【0062】出力手段70は、リカレントネット模型パ
ラメータ作成手段60から出力されるウエイト行列W,
H、隠れユニットの数k、外部入力I及びk次元のベク
トルθを所定の出力情報格納部90に出力するためのも
のである。The output means 70 outputs the weight matrix W,
H, the number k of hidden units, the external input I, and the k-dimensional vector θ are output to a predetermined output information storage unit 90.
【0063】この力学系のリカレントネット模型作成装
置1は、一般的には、計算機システムとして実現するこ
とができる。したがって、時刻tをΔt刻みで離散化
し、離散化された各時刻ごとに、各々の値が計算され
る。計算機システムとして実現する場合には、各ルール
データベース21,31,41,51,61は計算機の補助
記憶装置(ハードディスク装置など)上に構築され、各
演算部22,32,42,52,62は計算機のCPU(中
央処理ユニット)が受持ち、また、各バッファ領域2
3,33,43,53,63は計算機の主記憶(RAM)あ
るいは補助記憶装置上に確保される。入力情報格納部8
0及び出力情報格納部90も、計算機の補助記憶装置上
に構築される。The recurrent net model creation device 1 for a dynamic system can be generally realized as a computer system. Therefore, the time t is discretized at intervals of Δt, and each value is calculated for each discretized time. When implemented as a computer system, each of the rule databases 21, 31, 41, 51, 61 is constructed on an auxiliary storage device (such as a hard disk device) of the computer, and each of the arithmetic units 22, 32, 42, 52, 62 is The CPU (Central Processing Unit) of the computer is in charge, and each buffer area 2
3, 33, 43, 53, 63 are secured in a main memory (RAM) or an auxiliary storage device of the computer. Input information storage unit 8
0 and the output information storage unit 90 are also constructed on the auxiliary storage device of the computer.
【0064】次に、この力学系のリカレントネット模型
作成装置1の動作を説明する。Next, the operation of the recurrent net model creation device 1 for a dynamic system will be described.
【0065】ここでは時間を離散化するのが前提である
ので、n次元空間の任意の力学系ψのm個の軌道ξ
(1)(t),…,ξ(m)(t)が、時間[0,T]上、等間隔Δ
t、サンプル数Lで指定されたとする。すなわち、Here, since it is assumed that the time is discretized, m orbits of an arbitrary dynamical system n in an n-dimensional space ξ
(1) (t),..., Ξ (m) (t) is equal to Δ at time [0, T].
It is assumed that the number is specified by t and the number of samples L. That is,
【0066】[0066]
【数15】 が指定されたとする。ここに、(Equation 15) Is specified. here,
【0067】[0067]
【数16】 である。任意のn×d行列Cに対して、これらの軌道(Equation 16) It is. For any n × d matrix C, these trajectories
【0068】[0068]
【外22】 を生成するn次元空間の力学系のリカレントネット模型
φCを考え、このリカレントネット模型φCを表わすため
のパラメータである隠れユニットの数k、ウエイト行列
W及び外部入力Iと、リカレントネット模型φCに初期
値を与えるためのパラメータであるk×n行列Hとk次
元のベクトルθ(∈Rk)を計算して出力する場合につ
いて説明する。[Outside 22] Consider a recurrent net model φ C of a dynamical system in an n-dimensional space that generates the following formulas. The number k of hidden units, the weight matrix W and the external input I, which are parameters for expressing the recurrent net model φ C , and the recurrent net model φ A case where a k × n matrix H, which is a parameter for giving an initial value to C , and a k-dimensional vector θ (∈R k ) are calculated and output will be described.
【0069】まず、入力手段10を介して、入力情報格
納部80から、m個の軌道情報First, m pieces of orbit information are input from the input information storage unit 80 through the input means 10.
【0070】[0070]
【外23】 と、利用者によって与えられた任意のn×d行列Cが入
力する。そして、教師データ作成手段20においてn次
元ベクトル場V(x)が算出され、これによって、ベクト
ル場作成手段30によって、隠れユニットの数kとリカ
レントネットを特徴づけるパラメータμ[=(A0,B0,
H,θ)]が算出される。その後、曲線ベクトル作成手
段40において、上述の軌道情報と隠れユニットの数
k、ベクトルθ及びウエイト行列HとによりmL個のn
+k次元ベクトルq1,…,qmLが算出され、これらmL
個のベクトルq1,…,qmLにより、基底作成手段50に
おいて、基底の数d及び基底{e1,…,ed}が算出され
る。最後に、リカレントネット模型パラメータ作成手段
60において、上述した各パラメータすなわちC,A,
k,θ,H,B,d,{e1,…,ed}によってリカレントネ
ットのウエイト行列Wと外部入力Iが算出され、出力手
段70を介して、隠れユニットの数k、ウエイト行列
W,H、外部入力I及びベクトルθが出力情報格納部9
0に格納される。以下、各部での処理の詳細を説明す
る。[Outside 23] , An arbitrary n × d matrix C given by the user is input. Then, the n-dimensional vector field V (x) is calculated by the teacher data generating means 20, whereby the number k of hidden units and the parameter μ [= (A 0 , B 0 ,
H, θ)] is calculated. Then, in the curve vector creation means 40, mL n values are obtained from the above-mentioned trajectory information, the number k of hidden units, the vector θ, and the weight matrix H.
+ K-dimensional vectors q 1 ,..., Q mL are calculated.
Number of vectors q 1, ..., a q mL, in the basal creation unit 50, the number d and underlying basement {e 1, ..., e d } are calculated. Finally, in the recurrent net model parameter creation means 60, each of the above-mentioned parameters, that is, C, A,
The weight matrix W and the external input I of the recurrent net are calculated by k, θ, H, B, d, {e 1 ,..., e d }, and the number k of hidden units and the weight matrix W , H, the external input I and the vector θ are stored in the output information storage unit 9.
0 is stored. Hereinafter, details of the processing in each unit will be described.
【0071】《教師データ作成手段20での処理》指定
された軌道情報を集めて、n次元空間Rnの部分集合
Ω;<< Processing by Teacher Data Creation Means 20 >> The specified trajectory information is collected, and a subset Ω of the n-dimensional space R n ;
【0072】[0072]
【数17】 を定義する。ΩからRnへの写像V;[Equation 17] Is defined. The mapping V from Ω to R n ;
【0073】[0073]
【数18】 を計算して出力する。式(19)に示す写像Vが、n次元ベ
クトル場V(x)を表わしている。式(18),(19)は、それ
ぞれ、式(7),(6)を離散化したものに相当する。(Equation 18) Is calculated and output. The mapping V shown in Expression (19) represents an n-dimensional vector field V (x). Equations (18) and (19) correspond to discretized equations (7) and (6), respectively.
【0074】《ベクトル場学習手段30での処理》教師
データ作成手段20において出力されたΩからRnへの
写像V(x)をΩ上で近似する、n次元空間Rn上のベク
トル場<< Process in Vector Field Learning Means 30 >> A vector field in an n-dimensional space R n that approximates the mapping V (x) from Ω to R n output by the teacher data creation means 20 on Ω.
【0075】[0075]
【外24】 を[Outside 24] To
【0076】[0076]
【数19】 のパラメータである隠れユニットの数kとパラメータ
μ;[Equation 19] The number k of hidden units and the parameter μ, which are the parameters of
【0077】[0077]
【数20】 を計算して出力する。式(20)は式(8)を離散化したもの
に相当する。ここに、A0はn×n実行列、B0はk×n
実行列、Hはn×k実行列、θ∈Rkである。(Equation 20) Is calculated and output. Equation (20) is equivalent to discretization of equation (8). Here, A 0 is an n × n execution sequence, and B 0 is k × n
The execution sequence, H, is an n × k execution sequence, θ∈R k .
【0078】ベクトル場V(x)の学習は、隠れユニット
の数kが与えられると、誤差関数Ε kをLearning of the vector field V (x) is performed by a hidden unit
Is given, the error function Ε kTo
【0079】[0079]
【数21】 により定義し、整数ηと0と1の間を実数δを指定し
て、(Equation 21) The integer η and a real number δ between 0 and 1 are defined by
【0080】[0080]
【数22】 のように、最急降下法に基づいたニューラルネットのモ
メンタム項をもつ逆誤差伝搬法でなされる。隠れユニッ
トの数kは、0から順次増やされる。これは、指定され
た学習回数で誤差Εk(μ)が指定された許容誤差内に入
るまで続けられる。このようにベクトル場V(x)の学習
を行って、隠れユニットの数kとパラメータμを決定す
ることにより、リカレントネットの特解が定まったこと
になる。(Equation 22) Is performed by the inverse error propagation method having the momentum term of the neural network based on the steepest descent method. The number k of hidden units is sequentially increased from zero. This continues until the error Ε k (μ) falls within the specified tolerance with the specified number of learnings. By learning the vector field V (x) and determining the number k of hidden units and the parameter μ in this manner, the special solution of the recurrent net is determined.
【0081】《曲線ベクトル作成手段40での処理》式
(16)で与えられた軌道の離散データから、RnのmL個
のベクトルq1,…,q mLを出力する。それらは、以下の
ようにして計算される:<< Processing in Curve Vector Creation Means 40 >>
From the discrete data of the orbit given in (16), RnML pieces
Vector q1,…, Q mLIs output. They are:
Is calculated as:
【0082】[0082]
【数23】 ここに、gは式(11)で定義されたRnの(Equation 23) Where g is the value of R n defined in equation (11).
【0083】[0083]
【外25】 同型写像である。すなわちベクトルq1,…,qmLは、ユ
ニット活性化関数gによる軌道情報の像である。[Outside 25] It is an isomorphism. That is, the vectors q 1 ,..., Q mL are images of the trajectory information based on the unit activation function g.
【0084】《基底作成手段50での処理》曲線ベクト
ル作成手段40において求められたmL個のベクトルq
1,…,qmLに対して、<< Processing in Basis Creating Means 50 >> mL vectors q obtained in the curve vector creating means 40
1 ,…, q mL
【0085】[0085]
【数24】 とおく。これらmL個のベクトルq1,…,qmLを含むRn
の最小部分ベクトル空間の直交補空間の基底{e1,…,
ed}が計算され出力される。このとき、基底作成手段
50は、その直交補空間の次元dが0である場合には、
基底を出力せず、d=0という情報だけをリカレントネ
ット模型パラメータ作成手段60に送る。以下、基底
{e1,…,ed}を計算する具体的手続きを述べる。(Equation 24) far. R n including these mL vectors q 1 ,..., Q mL
{E 1 , ..., the basis of the orthogonal complement space of the minimum partial vector space of
ed } is calculated and output. At this time, when the dimension d of the orthogonal complement space is 0,
Only the information of d = 0 is sent to the recurrent net model parameter creation means 60 without outputting the basis. Hereinafter, a specific procedure for calculating the basis {e 1 ,..., E d } will be described.
【0086】v∈Rnとn文字の置換σに対して、For v∈R n and the substitution σ of n characters,
【0087】[0087]
【外26】 を次で定義する:[Outside 26] Is defined by:
【0088】[0088]
【数25】 さて、(Equation 25) Now,
【0089】[0089]
【数26】 とし、n文字の置換σ1を1とj1の互換によって定義す
る。また、(Equation 26) And the substitution σ 1 of n characters is defined by the compatibility between 1 and j 1 . Also,
【0090】[0090]
【数27】 とし、[Equation 27] age,
【0091】[0091]
【数28】 とする。そして、Rn∋qi (2),qi (3),…を、次のよう
に帰納的に計算する。[Equation 28] And Then, R n ∋q i (2) , q i (3) ,... Are calculated recursively as follows.
【0092】一般に自然数rに対して、In general, for a natural number r,
【0093】[0093]
【数29】 が計算されたとき、(Equation 29) When is calculated,
【0094】[0094]
【数30】 は次のように計算される:まず(r+1)×(r+1)行列[Equation 30] Is calculated as follows: First, an (r + 1) × (r + 1) matrix
【0095】[0095]
【外27】 を、[Outside 27] To
【0096】[0096]
【数31】 で定義し、(Equation 31) Defined by
【0097】[0097]
【数32】 とし、n文字の置換σr+1をr+1とjr+1の互換によっ
て定義し、(Equation 32) And define the permutation σ r + 1 of n characters by the compatibility of r + 1 and j r + 1 ,
【0098】[0098]
【数33】 と計算する。この操作をrに関して順次続けて、 (1): r=nであるか、 (2): ir+1が存在しなくなれば、 この操作を終了する。(1)の場合はd=0を出力する。
(2)の場合はd=n−rを出力し、r×n行列Q=(q
ij (r))とr×r行列[Equation 33] Is calculated. This operation is sequentially continued with respect to r. If (1): r = n or (2): i r + 1 no longer exists, this operation is terminated. In the case of (1), d = 0 is output.
In the case of (2), d = n−r is output, and an r × n matrix Q = (q
ij (r) ) and r × r matrix
【0099】[0099]
【数34】 を計算し、(Equation 34) And calculate
【0100】[0100]
【数35】 を計算する。ここに、ε1,…,εnは、(Equation 35) Is calculated. Where ε 1 , ..., ε n are
【0101】[0101]
【数36】 なるn×1行列である。また、n文字の置換σ1,…,σr
の合成置換σ=σ1…σrを計算し、さらに、その逆置換
σ-1を計算する。最後に次の計算によって、目的の基底
が求められる:[Equation 36] N × 1 matrix. Also, the substitution σ 1 , ..., σ r of n characters
The synthesized substituted σ = σ 1 ... σ r calculated in, further calculates the inverse permutation sigma -1. Finally, the following calculation yields the desired basis:
【0102】[0102]
【数37】 以上のようにして、式(13)に相当する基底{e1,…,
ed}が求められる。(37) As described above, the basis {e 1 ,.
e d 求め is required.
【0103】《リカレントネット模型パラメータ作成手
段70での処理》利用者によって任意に与えられたn×
d実行列C=(Cij)と、ベクトル場学習手段30で求め
られた隠れユニットの数k、n×n行列A0、k×n行
列B0、n×k行列H及びθ∈Rkと、基底作成手段50
で求められた次元d及び基底{e1,…,ed}とに対し
て、力学系のリカレントネット模型φCを導くために、
リカレントネットのパラメータであるウエイト行列Wと
外部入力I∈Rn+kとを計算する。ここでリカレントネ
ットの隠れユニットの数としては、ベクトル場作成手段
30で決定した隠れユニットの数k、すなわち、特解で
の隠れユニットの数を採用する。また、ウエイト行列W
は(n+k)×(n+k)行列である。外部入力Iは、式(1
0)で計算される。また、基底の数(次元)dが0である
場合には、ウエイト行列Wは、式(9)で計算されるW0で
あり、次元dが正の場合には、ウエイト行列Wは、式(1
4),(15)で計算されるWである。<< Process in Recurrent Net Model Parameter Creation Means 70 >> n × arbitrarily given by the user
d execution sequence C = (C ij ), the number of hidden units k obtained by the vector field learning means 30, the n × n matrix A 0 , the k × n matrix B 0 , the n × k matrix H, and θ∈R k And the base creation means 50
Dimension d and basal {e 1, ..., e d } obtained in respect and, in order to guide the recurrent net model phi C dynamical system,
A weight matrix W and external input I∈R n + k which are parameters of the recurrent net are calculated. Here, as the number of hidden units of the recurrent net, the number k of hidden units determined by the vector field creating means 30, that is, the number of hidden units in the special solution is adopted. Also, the weight matrix W
Is an (n + k) × (n + k) matrix. The external input I is given by the equation (1
0). When the number (dimension) d of the basis is 0, the weight matrix W is W 0 calculated by the equation (9). When the dimension d is positive, the weight matrix W is expressed by the equation (1
This is W calculated in 4) and (15).
【0104】さらに、リカレントネット模型パラメータ
作成手段60は、隠れユニットの数kを出力するととも
に、リカレントネットの出力ユニットの状態により力学
系の軌道を生成するために、n次元空間上の点xが力学
系の初期値として与えられたときにこのリカレントネッ
トに与える初期値を(x,Hx+θ)とするためのパラメ
ータであるn×k行列H、k次元のベクトルθを出力す
る。Further, the recurrent net model parameter creating means 60 outputs the number k of hidden units, and generates a trajectory of a dynamic system based on the state of the output unit of the recurrent net. An n × k matrix H and a k-dimensional vector θ, which are parameters for setting an initial value given to the recurrent net when given as an initial value of the dynamic system to (x, Hx + θ), are output.
【0105】リカレントネット模型パラメータ作成手段
60から出力された整数k、(n+k)×(n+k)行列
W、I∈Rn+k、n×k行列H及びθ∈Rkによって指定
された軌道(時系列)ξ(1)(t),…,ξ(m)(t)を生成す
れば、力学系のリカレントネット模型φCが作成され
る。The trajectory designated by the integer k, (n + k) × (n + k) matrix W, I∈R n + k , n × k matrix H, and θ∈R k output from the recurrent net model parameter creation means 60 By generating ( time series) ξ (1) (t),..., Ξ (m) (t), a recurrent net model φ C of the dynamical system is created.
【0106】[0106]
【発明の効果】以上説明したように本発明は、相空間学
習によってリカレントネットの特解を求め、この特解と
任意の行列Cとを用いることによって、力学系の広い族
のリカレントネット模型を計算することにより、任意の
力学系に対して、その力学系が生成する有限個の軌道が
指定されたときに、これら軌道を生成できるような力学
系の広い族のリカレントネット模型を作成することが可
能となり、模型を獲得したい力学系に対して、それが生
成する軌道のうち重要であるとして指定された有限個の
軌道を生成できるような力学系の制御可能な模型が得ら
れるという効果がある。As described above, according to the present invention, a special solution of a recurrent net is obtained by phase space learning, and by using this special solution and an arbitrary matrix C, a recurrent net model of a wide family of dynamical systems can be obtained. By calculating, for a given dynamical system, when a finite number of orbits generated by the dynamical system are specified, create a recurrent net model of a wide family of dynamical systems that can generate these orbitals Is possible, and for a dynamic system that wants to acquire a model, the effect that a controllable model of the dynamic system that can generate a finite number of orbits designated as important among the orbits generated by the model can be obtained is obtained. is there.
【図1】入力部と出力部をもつシステムとして力学系ψ
を説明する図である。FIG. 1 shows a dynamic system as a system having an input unit and an output unit.
FIG.
【図2】入力部と出力部をもつシステムとして、力学系
ψのリカレントネット模型φCを説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a recurrent net model φ C of a dynamical system ψ as a system having an input unit and an output unit.
【図3】本発明の実施の一形態の力学系のリカレントネ
ット模型作成装置の構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a recurrent net model creation device for a dynamic system according to an embodiment of the present invention.
1 力学系のリカレントネット模型作成装置 5,5A 入力部 6 力学系 6A リカレントネット設け位 7,7A 出力部 10 入力手段 20 教師データ作成手段 21 教師データ作成ルールデータベース 22,32,42,52,62 演算部 23,33,43,53,63 バッファ領域 30 ベクトル場作成手段 31 ベクトル場作成ルールデータベース 40 曲線ベクトル作成手段 41 曲線ベクトル作成ルールデータベース 50 基底作成手段 51 基底作成ルールデータベース 60 リカレントネット模型パラメータ作成手段 61 パラメータ作成ルールデータベース 70 出力手段 80 入力情報格納部 90 出力情報格納部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Recurrent net model creation device of dynamics system 5,5A input part 6 Dynamic system 6A Recurrent net installation position 7,7A output part 10 Input means 20 Teacher data creation means 21 Teacher data creation rule database 22,32,42,52,62 Arithmetic units 23, 33, 43, 53, 63 Buffer area 30 Vector field creation means 31 Vector field creation rule database 40 Curve vector creation means 41 Curve vector creation rule database 50 Base creation means 51 Base creation rule database 60 Recurrent net model parameter creation Means 61 Parameter creation rule database 70 Output means 80 Input information storage unit 90 Output information storage unit
Claims (4)
のm個の軌道が与えられたときに、前記m個の軌道を生
成する前記n次元空間上の力学系のリカレントネット模
型を作成する装置において、 時間刻みをΔtとした前記m個の軌道の軌道情報 【外1】 を入力として、前記各軌道に沿ったn次元ベクトル場V
(x)を計算して出力する教師データ作成手段と、 前記教師データ作成手段が出力するn次元ベクトル場V
(x)に対して該n次元ベクトル場V(x)の定義域である
n次元空間の部分集合Ω上で2層フィードフォワードネ
ットAg(x)とk個の隠れユニットを有する3層フィー
ドフォワードネットBg(Hx+θ)との和によってベク
トル場V(x)+xを表現するために、前記n次元ベクト
ル場V(x)が入力したときに、前記2層フィードフォワ
ードネットにおける入力ユニットから出力ユニットへの
n×n行列で表わされるウエイト行列Aと、前記3層フ
ィードフォワードネットにおける入力ユニットから前記
隠れユニットへのk×n行列で表わされるウエイト行列
Hと、前記3層フィードフォワードネットにおける隠れ
ユニットから出力ユニットへのn×k行列で表わされる
ウエイト行列Bと、前記3層フィードフォワードネット
での隠れユニットの閾値を集めたk次元のベクトルθを
算出して出力するベクトル場学習手段と、 前記m個の軌道の軌道情報 【外2】 と、前記ベクトル場学習手段から出力される前記3層フ
ィードフォワードネットの隠れユニットの数k、前記k
次元のベクトルθ及び前記ウエイト行列Hを入力とし
て、リカレントネットのユニット活性化関数gによる像
であるn+k次元空間内のm個の曲線 【外3】 を表現する、mL個のn+k次元ベクトルq1,…,qmL
を計算して出力する曲線ベクトル作成手段と、 前記曲線ベクトル作成手段が出力するmL個のn+k次
元ベクトルq1,…,qm Lを入力として、n+k次元空間
内でのこれらベクトルq1,…,qmLを含む部分ベクトル
空間のうちで最小である部分ベクトル空間に対して、そ
の直交補空間の次元d及び基底{e1,…,ed}を計算し
て出力する基底作成手段と、 任意に与えられるn×d行列Cと前記3層フィードフォ
ワードネットでの隠れユニットの数kと前記各ウエイト
行列A,H,Bと前記k次元のベクトルθと前記直交補空
間の次元d及び基底{e1,…,ed}とを入力として、前
記軌道情報 【外4】 で表わされる前記m個の軌道を生成するn次元空間上の
力学系のリカレントネット模型であるφCを導くため
に、前記3層フィードフォワードネットでの隠れユニッ
トの数kをリカレントネットでの隠れユニットの数と
し、前記リカレントネットでのウエイト行列W及び外部
入力Iを計算して出力し、さらに、前記リカレントネッ
トの出力ユニットの状態により力学系の軌道を生成する
ために、n次元空間上の点xが力学系の生成する軌道の
初期値として与えられたときに前記リカレントネットに
与える初期値を(x,Hx+θ)とするためのパラメータ
である前記ウエイト行列H及び前記k次元ベクトルθを
出力するリカレントネット模型パラメータ作成手段と、 を有することを特徴とする力学系のリカレントネット模
型作成装置。When a given dynamical system in an n-dimensional space is given m orbits, a recurrent net model of the dynamical system in the n-dimensional space that generates the m orbits is generated. In the device to be created, the orbit information of the m orbits in which the time interval is Δt , The n-dimensional vector field V along each trajectory
teacher data generating means for calculating and outputting (x); and an n-dimensional vector field V output by the teacher data generating means.
For (x), a two-layer feedforward net Ag (x) and a three-layer feedforward having k hidden units on a subset Ω of an n-dimensional space that is a domain of the n-dimensional vector field V (x) In order to express the vector field V (x) + x by the sum with the net Bg (Hx + θ), when the n-dimensional vector field V (x) is input, the input unit is changed from the input unit to the output unit in the two-layer feedforward net. A weight matrix A represented by an n × n matrix, a weight matrix H represented by a k × n matrix from the input unit to the hidden unit in the three-layer feedforward net, and a hidden unit in the three-layer feedforward net. A weight matrix B expressed by an n × k matrix to the output unit and a threshold value of a hidden unit in the three-layer feedforward net are Vector field learning means for calculating and outputting the collected k-dimensional vector θ, and trajectory information of the m trajectories And the number k of hidden units of the three-layer feedforward net output from the vector field learning means,
With the two-dimensional vector θ and the weight matrix H as inputs, m curves in an n + k-dimensional space, which are images of the recurrent net by the unit activation function g, , Represents mL n + k-dimensional vectors q 1 , ..., q mL
And curves vector generating means for calculating and outputting the said mL pieces of n + k-dimensional vector q 1 the curve vector generating means outputs, ..., as input q m L, these vectors q 1 in the n + k-dimensional space, ... , q mL , a basis creation means for calculating and outputting the dimension d and the basis {e 1 ,..., e d } of the orthogonal complement space for the smallest partial vector space of the partial vector spaces; N × d matrix C arbitrarily given, the number k of hidden units in the three-layer feedforward net, the weight matrices A, H, B, the k-dimensional vector θ, the dimension d of the orthogonal complement space, and the basis With {e 1 , ..., ed } as input, the orbit information In order to derive φ C , which is a recurrent net model of a dynamical system on an n-dimensional space that generates the m orbits represented by The number of units, the weight matrix W and the external input I in the recurrent net are calculated and output, and furthermore, in order to generate a trajectory of a dynamical system based on the state of the output unit of the recurrent net, When the point x is given as the initial value of the trajectory generated by the dynamic system, the weight matrix H and the k-dimensional vector θ, which are parameters for setting the initial value given to the recurrent net to (x, Hx + θ), are output. A recurrent net model creation device for a dynamical system, comprising:
ータ作成手段が出力した前記n次元ベクトル場V(x)を
教師データとしたニューラルネットのモメンタム項をも
つ逆誤差伝搬学習法によって、前記ウエイト行列A,H,
B及び前記k次元のベクトルθを計算するものである、
請求項1に記載の力学系のリカレントネット模型作成装
置。2. The weighting method according to claim 1, wherein the vector field learning means performs the weighting by a reverse error propagation learning method having a momentum term of a neural network using the n-dimensional vector field V (x) output from the teacher data generating means as teacher data. Matrices A, H,
B and the k-dimensional vector θ are calculated.
The recurrent net model creation device for a dynamic system according to claim 1.
成手段が、前記軌道情報 【外5】 で表わされる前記m個の軌道を生成するn次元空間上の
力学系に対して、前記n×d行列Cを指定するごとに、
そのような力学系の異なるリカレントネット模型を作成
するものである、請求項1または2に記載の力学系のリ
カレントネット模型作成装置。3. The method according to claim 2, wherein the recurrent net model parameter creating means is configured to generate the trajectory information. For each dynamical system in the n-dimensional space that generates the m orbits represented by
The recurrent net model creation device for a dynamic system according to claim 1 or 2, wherein the device creates such a recurrent net model having a different dynamic system.
ィードフォワードネットでの隠れユニットの数kを増加
させながら誤差関数を算出し、誤差関数の値が所定の許
容誤差内となったときの隠れユニットの数kを出力す
る、請求項1乃至3いずれか1項に記載の力学系のリカ
レントネット模型作成装置。4. The vector field learning means calculates an error function while increasing the number k of hidden units in the three-layer feedforward net, and calculates the error function when the value of the error function is within a predetermined allowable error. The recurrent net model creation device for a dynamic system according to any one of claims 1 to 3, wherein the number k of hidden units is output.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8164628A JPH1011413A (en) | 1996-06-25 | 1996-06-25 | Recurrent net model production device for dynamics system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8164628A JPH1011413A (en) | 1996-06-25 | 1996-06-25 | Recurrent net model production device for dynamics system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1011413A true JPH1011413A (en) | 1998-01-16 |
Family
ID=15796822
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8164628A Pending JPH1011413A (en) | 1996-06-25 | 1996-06-25 | Recurrent net model production device for dynamics system |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JPH1011413A (en) |
-
1996
- 1996-06-25 JP JP8164628A patent/JPH1011413A/en active Pending
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