Simulación de Redes Neuronales Artificiales - Una Aplicación Didáctica.

202 Pages·2012·2.37 MB·Spanish

by  Anita Alegre López.

Universidad Nacional del Nordeste
Facultad de Ciencias Exactas, Naturales y Agrimensura
Trabajo Final de Aplicación
SIMULACIÓN DE REDES NEURONALES
ARTIFICIALES
Una Aplicación Didáctica
Alumna: Anita del C. Alegre López - L.U.: 25.014
Prof. Coordinador: Agr. Castor Herrmann
Prof. Orientadora: Mgter. Sonia I. Mariño
Licenciatura en Sistemas
Corrientes - Argentina
2003

A mi niñita Victoria.

Prefacio
Unas de las múltiples técnicas que emplea la Inteligencia Arti…cial para
simular el comportamiento inteligente de los seres humanos, son las denomi-
nadas Redes Neuronales Arti…ciales. Las mismas seducen a profesionales de
distintas disciplinas por el gran potencial que ofrecen para resolver problemas
complejos.
El principal objetivo de este Trabajo Final de Aplicación es estudiar e
investigar el modo de aprendizaje de las redes neuronales y sus aplicaciones
didácticas. Por esta razónse presentanlos algoritmos más conocidos que ellas
utilizan. En las redes neuronales el conocimiento se incorpora mediante el
aprendizaje a partir de ejemplos.
Sehadesarrolladounsoftwaredesimulaciónenelcualseimplementacomo
método de aprendizaje supervisado el Algoritmo de Retropropagación. Para
ello se ha recurrido a la técnica del Ciclo de Vida del Software, dedicando la
etapa inicial a la investigación y estudio del problema, para luego pasar a la
etapa de diseño e implementación. En ésta se optó por el lenguaje orientado
a objetos Java, por su robustez, y también por su capacidad de manejar hilos
de ejecución y su arquitectura neutra (multiplataforma).
A continuación se describirá el contenido de este Trabajo Final de Apli-
cación. El capítulo 1 comienza introduciendo ideas básicas sobre las Redes
Neuronales, fundamentales para comprender la simulación desarrollada. En
el capítulo 2 se presenta el lenguaje de programación Java. En el capítulo 3
se hace una introducción a la preparación de documentos con LaTeX. En el
capítulo 4 se presenta el Sistema de Sumulación de Redes Neuronales Arti…-
ciales, y …nalizando, en el capítulo 5 se exponen las conclusiones a las que se
ha llegado.
Anita del C. Alegre López
Licenciatura en Sistemas
Universidad Nacional del Nordeste

Índice General
1 Redes Neuronales 1
1.1 Introducción a las Redes Neuronales . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Inspiración en la Neurociencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Componentes de las Redes Neuronales . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.1 Neuronas: Unidades Procesadoras . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2 Funciones de activación más populares . . . . . . . . . . 7
1.3.3 Arquitecturas de Redes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Aprendizaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5 Validación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.6 Redes de Retro-propagación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6.1 Algoritmos de Aprendizaje . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.7 Perceptrones Multi-Capa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.7.1 El Algoritmo de Retro-propagación . . . . . . . . . . . . 18
1.7.2 Algoritmo de retro-propagación (propagación hacia atrás) 21
1.8 Otras arquitecturas de redes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.8.1 La Red Neuronal de Hop…eld . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.8.2 Redes Neuronales Competitivas . . . . . . . . . . . . . . 22
2 Java 25
2.1 Introducción a Java . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.1 Qué es Java 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2 El Entorno de Desarrollo Java . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.1 El compilador de Java . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.2 La Java Virtual Machine . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.3 Las variables PATH y CLASSPATH . . . . . . . . . . . 29
2.3 Nomenclatura en Java . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4 Estructura General de un Programa Java . . . . . . . . . . . . 31
2.5 Conceptos Básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5.1 Clase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
vii
viii ÍNDICE GENERAL
2.5.2 Herencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5.3 Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5.4 Package . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5.5 La jerarquía de clases de Java (API) . . . . . . . . . . . 34
2.6 Programación en Java . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.6.1 Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.6.2 Nombres de Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.6.3 Tipos Primitivos de Variables . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.6.4 Cómo se de…nen e inicializan las variables . . . . . . . . 37
2.6.5 Visibilidad y vida de las variables . . . . . . . . . . . . . 38
2.7 Operadores de Java . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.7.1 Operadores aritméticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.7.2 Operadores de asignación . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.7.3 Operadores unarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.7.4 Operadores incrementales . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.7.5 Operadores relacionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.7.6 Operador de concatenación de cadenas de caracteres (+) 42
2.7.7 Precedencia de operadores . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.8 Estructuras de Programación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.8.1 Sentencias o expresiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.8.2 Comentarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.8.3 Bifurcaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.8.4 Bucles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.9 Clases en Java . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.9.1 Características importantes de las clases . . . . . . . . . 50
2.9.2 Métodos o Funciones Miembros . . . . . . . . . . . . . . 51
2.10 Algunas Clases de Utilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.10.1 Clase Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.10.2 Clases String y StringBu¤er . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.10.3 Clase Double . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.10.4 Clase Integer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.11 El AWT (Abstract Windows Toolkit). . . . . . . . . . . . . . . 56
2.11.1 Qué es el AWT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.11.2 Creación de una Interface Grá…ca de Usuario . . . . . . 56
2.11.3 Objetos “event source” y objetos “event listener” . . . . 57
2.11.4 Proceso a seguir para crear una aplicación interactiva
(orientada a eventos) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3 Preparación de documentos con LATEX 59
ÍNDICE GENERAL ix
3.1 Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1.1 Forma de trabajo con LATEX . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.1.2 Modo de trabajo en LATEX . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2 Documentos en LATEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.1 El Preámbulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.2 Especi…cación y Estilo de Documento . . . . . . . . . . 65
3.2.3 Estilo de Página . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.4 La página del Título . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.5 El Documento Propiamente Dicho . . . . . . . . . . . . 69
3.2.6 División de un documento en partes . . . . . . . . . . . 71
3.2.7 Documento Tipo Libro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3 Partes Flotantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3.1 Referencia Cruzada e Índice de Palabras . . . . . . . . . 79
3.3.2 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4 La Aplicación 85
4.1 Descripción del Entrenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2 El Código Fuente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2.1 Clase Simu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2.2 Clase Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.2.3 Clase FuncionCosto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.2.4 Clase Algoritmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.2.5 Clase AlgoritmoOptimizacionPaso . . . . . . . . . . . . 136
4.2.6 Clase Red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.3 Manual del Usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.3.1 Presentación del Sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.3.2 Ventana Principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.3.3 Barra de Menús de la Ventana Principal . . . . . . . . . 155
4.3.4 Entrenamiento de la Red Neuronal Arti…cial . . . . . . 161
4.3.5 Validación de la Red Neuronal Arti…cial . . . . . . . . . 168
4.4 Análisis de Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.4.1 Interpretación de los datos . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5 Conclusiones 181
Bibliografía 183
Índice de Materias 185