Департамент Образования города Москвы Московская городская научно-практическая конференция школьников по экономике «Шаги в экономическую науку» «нейронные сети. Их применение, роль и значимость в современной и будущей экономике» (исследовательская работа)

Департамент Образования города Москвы Московская городская научно-практическая конференция школьников по экономике «Шаги в экономическую науку» «НЕЙРОННЫЕ СЕТИ. ИХ ПРИМЕНЕНИЕ, РОЛЬ И ЗНАЧИМОСТЬ В СОВРЕМЕННОЙ И БУДУЩЕЙ ЭКОНОМИКЕ» (исследовательская работа) Выполнил ученик 10 класса гимназии №1503 Браженко Дмитрий Руководитель: Куприков Александр Васильевич, учитель экономики ГБОУ гимназии №1503 Москва 2013 Нейронные сети. Их применение, роль и значимость в современной и будущей экономике План: Введение…………………………………………………………………………………………… Цели и задачи……………………………………………………………………………………… Понятие нейронных сетей, их смысл……………………………………………………… Простейшая аналитическая технология……………………………………………… Нелинейная задача……………………………………………………………………….. Преимущества использования нейронных сетей……………………………………… Принцип работы нейронных сетей……………………………………………………… Программные реализации…………………………………………………………………… Применение нейронных сетей……………………………………………………………… Прогнозирование изменения котировок……………………………………………... Управление ценами и производством………………………………………………… Исследование факторов спроса……………………………………………………….. Оценка недвижимости…………………………………………………………………. Анализ потребительского рынка……………………………………………………… Борьба с мошенничеством……………………………………………………………… Распознавание текста…………………………………………………………………… Эмпирическая часть………………………………………………………………………… Прогнозирование изменения курса USD/RUR………………………………………… Оценка стоимости недвижимости…………………………………………………….. Недостатки использования нейронных сетей ……………………………………………… Заключение ……………………………………………………………………………………… Список литературы……………………………………………………………………………… Приложения……………………………………………………………………………….……... 3 4 5 5 5 6 6 9 10 10 12 12 13 13 14 14 15 15 16 17 17 Опасность не в том, что компьютер однажды начнет мыслить, как человек, а в том, что человек однажды начнет мыслить, как компьютер. (Сидни Дж. Харрис) Введение В современном мире экономические расчеты должны быть очень точными, опираться на предыдущий опыт. Традиционные методы, такие как прогнозирования спроса на новую продукцию путем общественного опроса анализа полученных данных вручную, анализ качества продукции путем тестирования отдельных экземпляров, управление потенциальными рисками стандартными способами, медленно, но верно отходят на второй план из-за относительно низкой точности. Нейронные сети представляют собой новую и весьма перспективную вычислительную технологию, которая дает совершенно новые подходы к исследованию динамических задач в экономической области. Изначально нейронные сети открыли новые возможности в области распознавания образов, далее к этому прибавились статистические и основанные на методе поиска сложных взаимосвязей (искусственного интеллекта) средства поддержки принятия решений и решения задач в сфере экономики. [5] Способность к моделированию нелинейных процессов, работе с зашумленными данными и адаптивность позволяет применять нейронные сети для решения широкого класса задач, которые охватывают самые разнообразные области интересов. Распознавание образов, обработка зашумленных или неполных данных, ассоциативный поиск, классификация, оптимизация, прогноз, диагностика, управление процессами, сегментация данных, сжатие информации, сложные отображения, моделирование нестандартных процессов, распознавание речи. [1] В последние несколько лет на основе нейронных сетей было разработано множество программных систем для применения в таких вопросах, как операции на товарном рынке, оценка вероятности банкротства банка, оценка кредитоспособности, контроль над инвестициями, размещение займов. Смысл использования нейронные сетей в экономике заключается вовсе не в том, чтобы вытеснить традиционные методы или изобретать велосипед, а это еще одно возможное средство для решения задач. Благотворное влияние на развитие нейросетевых технологий оказало создание методов параллельной обработки информации. Гипотеза состоит в том, что нейронные сети считаются инструментом, способным выявить сложнейшие зависимости. В своей работе я хочу проверить это. Практическая значимость проводимого мною исследования связана с тем, что сейчас еще не очень большое количество компаний использует нейронные сети в качестве основного инструмента. Поэтому при «обычном» расчете они могут допускать ошибки, которые можно выявить с помощью «нейросетевого» подхода. Свою работу я разделил на 5 глав. В первой главе я раскрываю общие понятия нейронных сетей, их смысл. Во второй главе я привожу программные реализации, т.е. программы, созданные для работы с нейронными сетями. В главе №3 я привожу подробные примеры использования нейронных сетей на практике. В четвертой главе я выбираю два примера и, используя технологию нейронных сетей, я провожу исследования, результаты которого описываю в работе. Цель написания работы: Выявить необходимость использования нейронных сетей в экономике Задачи: Разобраться в системе нейронных сетей, понять, что они из себя представляют Определить экономические задачи, которые можно решать при помощи нейронных сетей Смоделировать нейронную сеть, используя программный нейропакет и при помощи него создать практический пример Дать оценку эффективности использования нейронных сетей в экономических задачах. 1. Понятие нейронных сетей, их смысл. Нейронные сети - это адаптивные системы для обработки и анализа данных, которые представляют собой математическую структуру, имитирующую некоторые аспекты работы человеческого мозга и демонстрирующие такие его возможности, как способность к неформальному обучению, способность к обобщению и кластеризации неклассифицированной информации, способность самостоятельно строить прогнозы на основе уже предъявленных временных рядов, способность находить сложные аналитические зависимости. Основным их отличием от других методов, например экспертных систем, является то, что нейросети не нуждаются в заранее известной, заданной модели, а формируют ее на основе вводимой информации. Поэтому нейронные сети и генетические алгоритмы вошли в практику всюду, где нужно решать задачи прогнозирования, классификации, управления - другими словами, в области человеческой деятельности, где присутствуют плохо алгоритмизуемые задачи, для решения которых необходимы либо постоянная работа группы квалифицированных экспертов, либо адаптивные системы автоматизации, каковыми и являются нейронные сети. Таким образом, нейронные сети можно считать сложной аналитической технологией, т.е. методикой, которая на основе известных алгоритмов позволяет по заданным данным вывести значения неизвестных параметров. 1.1. Простейшая аналитическая технология [4] Для того чтобы было понятнее, я приведу классический пример простейшей аналитической технологии: теорему Пифагора, позволяющая по длинам катетов определить длину гипотенузы. с2=а2+b2. Зная параметры a и b, вычислить c [гипотенузу] отнюдь не сложно. 1.2. «Нелинейная задача» [4] Совершенно другим вариантом аналитической технологии являются способы, с помощью которых информация обрабатывается человеческим мозгом. Примерами такой аналитической технологии являются распознавание известных нам лиц в толпе или эффективное управление множеством мышц при занятии спортом. Эти задачи, которые может решать даже мозг ребенка, пока неподвластны современным компьютерам. Уникальность человеческого мозга заключается в том, что он может обучаться решению новых задач, например, водить машину, учить иностранные языки и т.д. Не смотря на это, мозг не приспособлен к обработке больших объемов информации - человек не сможет вычислить даже квадратный корень из большого числа в уме, не используя бумаги или калькулятора. На практике очень часто встречаются численные задачи, гораздо более сложные, нежели извлечение корня. Для решения подобных задач необходимы дополнительные инструменты. Нейронная сеть принимает входную информацию и анализирует ее способом, аналогичным тому, что использует наш мозг. Сеть способна к обучению. Последующие результаты выдаются на основе полученного ранее опыта. Основной задачей специалиста, использующего нейронные сети для решения некоторой проблемы, - является необходимость выбора наиболее эффективной архитектуры нейронной сети, т.е. правильно выбрать вид нейронной сети, алгоритм ее обучения, количество нейронов и виды связей между ними. К сожалению, эта работа не имеет строгого алгоритма, она требует глубокого понимания различных видов архитектур нейронных сетей, включает в себя много исследований и может занять длительное время. Применение нейронных сетей целесообразно, если: • накоплены достаточные объемы данных о предыдущем поведении системы • отсутствуют традиционные методы или алгоритмы, удовлетворительно решающие проблему • данные частично искажены, не полны или противоречивы, вследствие чего традиционные методы выдают неудовлетворительный результат • Нейронные сети наилучшим образом проявляют себя там, где имеется большое количество входных данных, между которыми существуют неявные взаимосвязи и закономерности. В этом случае нейросети помогут автоматически учесть различные нелинейные зависимости, скрытые в данных. Это особенно важно в системах поддержки принятия решений и системах прогнозирования. 1.3. Преимущества использования нейронных сетей Нейросети незаменимы при анализе данных, например, для предварительного анализа или отбора, выявления грубых человеческих ошибок. Целесообразно использовать нейросетевые методы в задачах с неполной информацией, в задачах, где решение можно найти интуитивно, и при этом традиционные математические модели не дают желаемого результата. Методы нейронных сетей являются прекрасным дополнением к традиционным методам статистического анализа, большинство из которых связаны с построением моделей, основанных на тех или иных предположениях и теоретических выводах (например, что искомая зависимость является линейной или что некоторая переменная имеет нормальное распределение). Нейросетевой подход не связан с такими предположениями - он одинаково пригоден для линейных и сложных нелинейных зависимостей, особенно же эффективен в разведочном анализе данных, когда ставится цель выяснить, имеются ли зависимости между переменными. При этом данные могут быть неполными, противоречивыми и даже заведомо искаженными. Если между входными и выходными данными существует какая-то связь, даже не обнаруживаемая традиционными корреляционными методами, то нейронная сеть способна автоматически настроиться на нее с заданной степенью точности. Кроме того, современные нейронные сети обладают дополнительными возможностями: они позволяют оценивать сравнительную важность различных видов входной информации, уменьшать ее объем без потери существенных данных, распознавать симптомы приближения критических ситуаций и т.д. 1.4. Принцип работы нейронных сетей Быстродействие современных компьютеров составляет около 100 Mflops (10^8 flops) (flops – единица, обозначающая быстродействие компьютера, с плавающей запятой) В мозгу содержится примерно 10^11 нейронов. Время прохождения одного нервного импульса - 1 мс, принято считать, что производительность одного нейрона порядка 10 flops. Эквивалентное быстродействие мозга составит 10^11 * 10 = 10^12 flops. Если рассмотреть задачи, решаемые мозгом, и подсчитать требуемое количество операций для их решения на обычных ЭВМ, то получим оценку быстродействия до 10^12 flops. Разница в производительности между обычным компьютером и мозгом — 4 порядка! Во многом этот выигрыш обусловлен параллельностью обработки информации в мозге. Следовательно, для повышения производительности ЭВМ необходимо перейти от принципов фон-Неймана к параллельной обработке информации. Тем не менее, параллельные компьютеры пока не получили распространения по нескольким причинам, которые обусловлены техническими сложностями реализации. Искусственная нейронная сеть – значительно упрощенная модель биологической нейронной сети, т.е. элемента нервной системы. Из биологии заимствованы основополагающие идеи и принципы: Нейрон – это переключатель, получающий и передающий импульсы, или сигналы. Если нейрон получает достаточно сильный импульс, то говорят, что нейрон активирован, то есть передает импульсы связанным с ним нейронам. Не активированный нейрон остается в состоянии покоя и не передает импульс. Нейрон состоит из нескольких компонентов: синапсов, соединяющих нейрон с другими нейронами и получающих импульсы от соседних нейронов, аксона, передающего импульс другим нейронам, и дендрит, получающего сигналы из различных источников, в т.ч. от синапсов. Когда нейрон получает импульс, превышающий определенный порог, он передает импульс последующим нейронам (активирует импульс). Синапс состоит из двух частей: пресинаптической, соединенной с аксоном передающей импульс клетки, и постсинаптической, соединенной с дендритом получающей импульс клетки. Обе части синапса соединяет синаптическая щель. Сигнал от нейрона к другим нейронам передается через аксон, который не связан напрямую с получающими импульс нейронами. Импульс изменяется несколько раз в синапсе: перед отправлением – в пресинаптической части и по получении – в постсинаптической. Импульс для передачи формируется в нейроне в зависимости от одного или нескольких полученных импульсов. В случае нескольких импульсов нейрон накапливает их. Передаст он импульс или нет, зависит от характера полученных импульсов, кем они переданы и т.д. Таким образом, зависимость между переданными и полученными импульсами нелинейна. Если нейрон передает импульс, то он активирован. Математическая модель нейрона строится следующим образом: Рис. 1. Модель искусственного нейрона Вход модели нейрона X – это вектор, состоящий из большого числа (N) компонент . Каждая из компонент входного вектора Xi – это один из импульсов, получаемых нейроном. Выход модели нейрона – это одно число X*. Это означает, что внутри модели, входной вектор должен быть преобразован и агрегирован в скаляр. В дальнейшем этот импульс будет передан другим нейронам. Известно, что при получении импульса синапс нейрона изменяет его. Математически этот процесс изменения можно описать следующим образом: для каждой из компонент входа Xi задают вес. Импульс, прошедший через синапс, принимает вид WiXi. Заметим, что веса могут быть назначены при инициализации модели, а могут быть переменными и измеряться в ходе расчетов. Веса – это внутренние параметры сети, о которых шла речь выше. Говоря об обучении сети, имеют в виду нахождение весов синапса. Сложение полученных импульсов. Агрегирование полученных импульсов – это вычисление их суммы ∑WiXi. Рис. 2. Пример нейронной сети с одним скрытым уровнем. Обычно нейроны располагаются в сети по уровням. На иллюстрации приведен пример трехуровневой нейронной сети: На первом уровне – входные нейроны (отмеченные синим), которые получают данные извне и передающие импульсы нейронам на следующем уровне через синапсы. Нейроны на скрытом (втором, красном) уровне обрабатывают полученные импульсы и передают их нейронам на выходном (третьем, зеленом) уровне. Нероны на выходном уровне производят окончательный анализ и вывод данных. Разумеется, архитектура сети может быть более сложной, например, с большим числом скрытых уровней или с изменяющимся числом нейронов. Модели нейронных сетей классифицируются по трем основным параметрам: [2] Вид связи между уровнями нейронов в сети Вид передаточной функции; Используемый алгоритм обучения сети Далее важнейшим этапом является обучение нейронной сети. После того как сеть будет обучена, можно считать, что она готова к использованию Рис. 3. Процесс обучения нейросети

Похожие:

	«нейронные сети. Их применение, роль и значимость в современной и будущей экономике» Нейронные сети. Их применение, роль и значимость в современной и будущей экономике		Шпаковского муниципального района Ставропольского края Краевая научно-практическая... Подготовить материал к выступлению на научно-практической конференции (районной и школьной)
	V городская научно-практическая конференция школьников «Первые шаги... Помощник заместителя Министра экономического развития Российской Федерации Руководителя Росимущества		Международная научно-исследовательская конференция учащихся и педагогов... Российской Федерации, Правительства Москвы, Департамента науки, промышленной политики и предпринимательства города Москвы, Всемирной...
	Международная научно-практическая конференция школьников и педагогов «Первые шаги в науку» Культура речи один из важнейших показателей уровня культуры человека		Научно-практическая конференция школьников «первые шаги в науку» «Утро вечера мудренее?» Источник: Тайм-менеджмент: Практикум по управлению временем. — Спб.: Речь, 2006. 371с
	Положение о гуманитарной конференции Окружная научно-практическая конференция по литературе Гуманитарная научно-практическая конференция «Духовно-нравственные истоки русской литературы» проходит в базовых школах юао города...		Исследовательская работа Ресторанный бизнес: менеджмент и маркетинг Место и роль предприятий ресторанного бизнеса в современной экономике
	Список учащихся, рекомендованных на участие в городской научно практической... Тип работы (исследовательский реферат, исследовательская работа, проектно-исследовательская работа)		Школьная научно- практическая конференция «Первые шаги в науку» с. Благодатное 27. 02. 13г Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	1. Московская городская олимпиада школьников по экономике Правоведение. Тестовые задания: Методические указания для студентов / Сост. Е. В. Прищепа. Хти, Абакан, 2007. – с		Городская научно-практическая конференция «Старт в науку» План – конспект открытого урока презентации для 4 класса по развитию речи учащихся
	Исследовательская работа по теме «Художественные произведения в контексте... Городская научно-практическая конференция Академии юных исследователей «Юность. Наука. Познание»		Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные вопросы развития искусства балета и хореографического образования». Москва,...
	«Московская городская педагогическая гимназия-лаборатория» реферат... В своём реферате, я хочу изучить строение и принцип работы нейронных сетей, процесс их обучения		Положение о IХ городской научно-практической конференции школьников «Первые шаги в науку» Настоящее Положение определяет цели и задачи городской научно-практической конференции школьников «Первые шаги в науку», порядок...