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Learning in Multidimensional Spaces — Neural Networks. Matrix Formulation by Andrew P Paplinski
March 22, 2017
http://users.monash.edu/~app/

D次元の入力をM次元の出力にするmappingを学習するNeural Network。

数式ばかりでまったく理解はできていないが、5.4 (Simple) example of function approximationにおいて、2次元の入力、2次元の出力をmappingしている例はある。

実際に学習をした式は以下。

y_1 = x_1 e^{-\rho^2}

y_2 = \frac{sin2\rho^2}{4\rho^2}

where

\rho^2 = x_1^2 + x_2^2

The domain of the function is 

x_1, x_2 \in [-2, 2)

In order to form the training set the functions are sampled on a regular 16×16 grid so that the number of datapoints is N = 256.

y1, y2の図示

動作環境
GeForce GTX 1070 (8GB)
ASRock Z170M Pro4S [Intel Z170chipset]
Ubuntu 14.04 LTS desktop amd64
TensorFlow v0.11
cuDNN v5.1 for Linux
CUDA v8.0
Python 2.7.6
IPython 5.1.0 -- An enhanced Interactive Python.
gcc (Ubuntu 4.8.4-2ubuntu1~14.04.3) 4.8.4
GNU bash, version 4.3.8(1)-release (x86_64-pc-linux-gnu)

Jupyter code

Paplinski_20170317_Sec5_4.ipynb
from __future__ import absolute_import
from __future__ import division
from __future__ import print_function
import numpy as np
import math
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.cm as cm

'''
on Python 2.7.6

v0.1 Mar. 18, 2017
  - show each of (y1,y2) on 2D map 
  - add func2d()  
'''


def func2d(x1, x2):
    rho = x1 ** 2 + x2 ** 2
    y1 = x1 * math.exp(-rho ** 2)
    try:
        y2 = math.sin(2.0 * rho ** 2) / 4.0 / rho **2
    except ZeroDivisionError:
        y2 = 0.0
    return (y1, y2)

y1_1d = np.array([])
y2_1d = np.array([])

for x1idx in range(-20,20,2):
    for x2idx in range(-20,20,2):
        y1,y2 = func2d(x1idx/10, x2idx/10)
        y1_1d = np.append(y1_1d, y1)
        y2_1d = np.append(y2_1d, y2)

siz = 20
dat_2d = np.reshape(y1_1d, (siz,siz))
plt.imshow(dat_2d, extent=(0, siz, 0, siz), cmap=cm.gist_rainbow)
plt.show()
dat_2d = np.reshape(y2_1d, (siz,siz))
plt.imshow(dat_2d, extent=(0, siz, 0, siz), cmap=cm.gist_rainbow)
plt.show()

Figure 5-3: Two functions to be approximatedに掲載されているのはy1のような気がするが、y2はどれだろうか。y1とy2というラベルはある。

MATLABコードのリンクを教えていただいた (He gave me the link to the MATLAB code)。
http://users.monash.edu/~app/Lrn/Mtlb/fap2D.m

そのコード中に以下がある (I found the following)。

surfc([X1-2 X1+2], [X2 X2], [Y1 Y2]), % Two 2-D target functions
                                      % are ploted side by side

X1方向に-2, +2してずらして、Y1とY2を表示していることがわかった (I understand that in the figure Y1 and Y2 are plotted side by side by shifting -2 and +2 in X1 direction)。
Y1の方は下に凸と上に凸のバンプがあり、Y2の方は上に凸のバンプがある。matplotlibの図と整合する (I see that there are bumps downward and upward for Y1 whereas there is a bump upward for Y2). Figure 5-3 has similarities with the figure from matplotlib。