854 resultados para Gradient descent algorithms


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Combinatorial chemistry has become an invaluable tool in medicinal chemistry for the identification of new drug leads. For example, libraries of predetermined sequences and head-to-tail cyclized peptides are routinely synthesized in our laboratory using the IRORI approach. Such libraries are used as molecular toolkits that enable the development of pharmacophores that define activity and specificity at receptor targets. These libraries can be quite large and difficult to handle, due to physical and chemical constraints imposed by their size. Therefore, smaller sub-libraries are often targeted for synthesis. The number of coupling reactions required can be greatly reduced if the peptides having common amino acids are grouped into the same sub-library (batching). This paper describes a schedule optimizer to minimize the number of coupling reactions by rotating and aligning sequences while simultaneously batching. The gradient descent method thereby reduces the number of coupling reactions required for synthesizing cyclic peptide libraries. We show that the algorithm results in a 75% reduction in the number of coupling reactions for a typical cyclic peptide library.

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We consider the problem of on-line gradient descent learning for general two-layer neural networks. An analytic solution is presented and used to investigate the role of the learning rate in controlling the evolution and convergence of the learning process.

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The speed of convergence while training is an important consideration in the use of neural nets. The authors outline a new training algorithm which reduces both the number of iterations and training time required for convergence of multilayer perceptrons, compared to standard back-propagation and conjugate gradient descent algorithms.

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Discriminative training of Gaussian Mixture Models (GMMs) for speech or speaker recognition purposes is usually based on the gradient descent method, in which the iteration step-size, ε, uses to be defined experimentally. In this letter, we derive an equation to adaptively determine ε, by showing that the second-order Newton-Raphson iterative method to find roots of equations is equivalent to the gradient descent algorithm. © 2010 IEEE.

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A class identification algorithms is introduced for Gaussian process(GP)models.The fundamental approach is to propose a new kernel function which leads to a covariance matrix with low rank,a property that is consequently exploited for computational efficiency for both model parameter estimation and model predictions.The objective of either maximizing the marginal likelihood or the Kullback–Leibler (K–L) divergence between the estimated output probability density function(pdf)and the true pdf has been used as respective cost functions.For each cost function,an efficient coordinate descent algorithm is proposed to estimate the kernel parameters using a one dimensional derivative free search, and noise variance using a fast gradient descent algorithm. Numerical examples are included to demonstrate the effectiveness of the new identification approaches.

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Dynamics of biomolecules over various spatial and time scales are essential for biological functions such as molecular recognition, catalysis and signaling. However, reconstruction of biomolecular dynamics from experimental observables requires the determination of a conformational probability distribution. Unfortunately, these distributions cannot be fully constrained by the limited information from experiments, making the problem an ill-posed one in the terminology of Hadamard. The ill-posed nature of the problem comes from the fact that it has no unique solution. Multiple or even an infinite number of solutions may exist. To avoid the ill-posed nature, the problem needs to be regularized by making assumptions, which inevitably introduce biases into the result.

Here, I present two continuous probability density function approaches to solve an important inverse problem called the RDC trigonometric moment problem. By focusing on interdomain orientations we reduced the problem to determination of a distribution on the 3D rotational space from residual dipolar couplings (RDCs). We derived an analytical equation that relates alignment tensors of adjacent domains, which serves as the foundation of the two methods. In the first approach, the ill-posed nature of the problem was avoided by introducing a continuous distribution model, which enjoys a smoothness assumption. To find the optimal solution for the distribution, we also designed an efficient branch-and-bound algorithm that exploits the mathematical structure of the analytical solutions. The algorithm is guaranteed to find the distribution that best satisfies the analytical relationship. We observed good performance of the method when tested under various levels of experimental noise and when applied to two protein systems. The second approach avoids the use of any model by employing maximum entropy principles. This 'model-free' approach delivers the least biased result which presents our state of knowledge. In this approach, the solution is an exponential function of Lagrange multipliers. To determine the multipliers, a convex objective function is constructed. Consequently, the maximum entropy solution can be found easily by gradient descent methods. Both algorithms can be applied to biomolecular RDC data in general, including data from RNA and DNA molecules.

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This work aims at proposing the use of the evolutionary computation methodology in order to jointly solve the multiuser channel estimation (MuChE) and detection problems at its maximum-likelihood, both related to the direct sequence code division multiple access (DS/CDMA). The effectiveness of the proposed heuristic approach is proven by comparing performance and complexity merit figures with that obtained by traditional methods found in literature. Simulation results considering genetic algorithm (GA) applied to multipath, DS/CDMA and MuChE and multi-user detection (MuD) show that the proposed genetic algorithm multi-user channel estimation (GAMuChE) yields a normalized mean square error estimation (nMSE) inferior to 11%, under slowly varying multipath fading channels, large range of Doppler frequencies and medium system load, it exhibits lower complexity when compared to both maximum likelihood multi-user channel estimation (MLMuChE) and gradient descent method (GrdDsc). A near-optimum multi-user detector (MuD) based on the genetic algorithm (GAMuD), also proposed in this work, provides a significant reduction in the computational complexity when compared to the optimum multi-user detector (OMuD). In addition, the complexity of the GAMuChE and GAMuD algorithms were (jointly) analyzed in terms of number of operations necessary to reach the convergence, and compared to other jointly MuChE and MuD strategies. The joint GAMuChE-GAMuD scheme can be regarded as a promising alternative for implementing third-generation (3G) and fourth-generation (4G) wireless systems in the near future. Copyright (C) 2010 John Wiley & Sons, Ltd.

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Abstract : This work is concerned with the development and application of novel unsupervised learning methods, having in mind two target applications: the analysis of forensic case data and the classification of remote sensing images. First, a method based on a symbolic optimization of the inter-sample distance measure is proposed to improve the flexibility of spectral clustering algorithms, and applied to the problem of forensic case data. This distance is optimized using a loss function related to the preservation of neighborhood structure between the input space and the space of principal components, and solutions are found using genetic programming. Results are compared to a variety of state-of--the-art clustering algorithms. Subsequently, a new large-scale clustering method based on a joint optimization of feature extraction and classification is proposed and applied to various databases, including two hyperspectral remote sensing images. The algorithm makes uses of a functional model (e.g., a neural network) for clustering which is trained by stochastic gradient descent. Results indicate that such a technique can easily scale to huge databases, can avoid the so-called out-of-sample problem, and can compete with or even outperform existing clustering algorithms on both artificial data and real remote sensing images. This is verified on small databases as well as very large problems. Résumé : Ce travail de recherche porte sur le développement et l'application de méthodes d'apprentissage dites non supervisées. Les applications visées par ces méthodes sont l'analyse de données forensiques et la classification d'images hyperspectrales en télédétection. Dans un premier temps, une méthodologie de classification non supervisée fondée sur l'optimisation symbolique d'une mesure de distance inter-échantillons est proposée. Cette mesure est obtenue en optimisant une fonction de coût reliée à la préservation de la structure de voisinage d'un point entre l'espace des variables initiales et l'espace des composantes principales. Cette méthode est appliquée à l'analyse de données forensiques et comparée à un éventail de méthodes déjà existantes. En second lieu, une méthode fondée sur une optimisation conjointe des tâches de sélection de variables et de classification est implémentée dans un réseau de neurones et appliquée à diverses bases de données, dont deux images hyperspectrales. Le réseau de neurones est entraîné à l'aide d'un algorithme de gradient stochastique, ce qui rend cette technique applicable à des images de très haute résolution. Les résultats de l'application de cette dernière montrent que l'utilisation d'une telle technique permet de classifier de très grandes bases de données sans difficulté et donne des résultats avantageusement comparables aux méthodes existantes.

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Metaheuristic methods have become increasingly popular approaches in solving global optimization problems. From a practical viewpoint, it is often desirable to perform multimodal optimization which, enables the search of more than one optimal solution to the task at hand. Population-based metaheuristic methods offer a natural basis for multimodal optimization. The topic has received increasing interest especially in the evolutionary computation community. Several niching approaches have been suggested to allow multimodal optimization using evolutionary algorithms. Most global optimization approaches, including metaheuristics, contain global and local search phases. The requirement to locate several optima sets additional requirements for the design of algorithms to be effective in both respects in the context of multimodal optimization. In this thesis, several different multimodal optimization algorithms are studied in regard to how their implementation in the global and local search phases affect their performance in different problems. The study concentrates especially on variations of the Differential Evolution algorithm and their capabilities in multimodal optimization. To separate the global and local search search phases, three multimodal optimization algorithms are proposed, two of which hybridize the Differential Evolution with a local search method. As the theoretical background behind the operation of metaheuristics is not generally thoroughly understood, the research relies heavily on experimental studies in finding out the properties of different approaches. To achieve reliable experimental information, the experimental environment must be carefully chosen to contain appropriate and adequately varying problems. The available selection of multimodal test problems is, however, rather limited, and no general framework exists. As a part of this thesis, such a framework for generating tunable test functions for evaluating different methods of multimodal optimization experimentally is provided and used for testing the algorithms. The results demonstrate that an efficient local phase is essential for creating efficient multimodal optimization algorithms. Adding a suitable global phase has the potential to boost the performance significantly, but the weak local phase may invalidate the advantages gained from the global phase.

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Cette thèse étudie des modèles de séquences de haute dimension basés sur des réseaux de neurones récurrents (RNN) et leur application à la musique et à la parole. Bien qu'en principe les RNN puissent représenter les dépendances à long terme et la dynamique temporelle complexe propres aux séquences d'intérêt comme la vidéo, l'audio et la langue naturelle, ceux-ci n'ont pas été utilisés à leur plein potentiel depuis leur introduction par Rumelhart et al. (1986a) en raison de la difficulté de les entraîner efficacement par descente de gradient. Récemment, l'application fructueuse de l'optimisation Hessian-free et d'autres techniques d'entraînement avancées ont entraîné la recrudescence de leur utilisation dans plusieurs systèmes de l'état de l'art. Le travail de cette thèse prend part à ce développement. L'idée centrale consiste à exploiter la flexibilité des RNN pour apprendre une description probabiliste de séquences de symboles, c'est-à-dire une information de haut niveau associée aux signaux observés, qui en retour pourra servir d'à priori pour améliorer la précision de la recherche d'information. Par exemple, en modélisant l'évolution de groupes de notes dans la musique polyphonique, d'accords dans une progression harmonique, de phonèmes dans un énoncé oral ou encore de sources individuelles dans un mélange audio, nous pouvons améliorer significativement les méthodes de transcription polyphonique, de reconnaissance d'accords, de reconnaissance de la parole et de séparation de sources audio respectivement. L'application pratique de nos modèles à ces tâches est détaillée dans les quatre derniers articles présentés dans cette thèse. Dans le premier article, nous remplaçons la couche de sortie d'un RNN par des machines de Boltzmann restreintes conditionnelles pour décrire des distributions de sortie multimodales beaucoup plus riches. Dans le deuxième article, nous évaluons et proposons des méthodes avancées pour entraîner les RNN. Dans les quatre derniers articles, nous examinons différentes façons de combiner nos modèles symboliques à des réseaux profonds et à la factorisation matricielle non-négative, notamment par des produits d'experts, des architectures entrée/sortie et des cadres génératifs généralisant les modèles de Markov cachés. Nous proposons et analysons également des méthodes d'inférence efficaces pour ces modèles, telles la recherche vorace chronologique, la recherche en faisceau à haute dimension, la recherche en faisceau élagué et la descente de gradient. Finalement, nous abordons les questions de l'étiquette biaisée, du maître imposant, du lissage temporel, de la régularisation et du pré-entraînement.

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L'apprentissage profond est un domaine de recherche en forte croissance en apprentissage automatique qui est parvenu à des résultats impressionnants dans différentes tâches allant de la classification d'images à la parole, en passant par la modélisation du langage. Les réseaux de neurones récurrents, une sous-classe d'architecture profonde, s'avèrent particulièrement prometteurs. Les réseaux récurrents peuvent capter la structure temporelle dans les données. Ils ont potentiellement la capacité d'apprendre des corrélations entre des événements éloignés dans le temps et d'emmagasiner indéfiniment des informations dans leur mémoire interne. Dans ce travail, nous tentons d'abord de comprendre pourquoi la profondeur est utile. Similairement à d'autres travaux de la littérature, nos résultats démontrent que les modèles profonds peuvent être plus efficaces pour représenter certaines familles de fonctions comparativement aux modèles peu profonds. Contrairement à ces travaux, nous effectuons notre analyse théorique sur des réseaux profonds acycliques munis de fonctions d'activation linéaires par parties, puisque ce type de modèle est actuellement l'état de l'art dans différentes tâches de classification. La deuxième partie de cette thèse porte sur le processus d'apprentissage. Nous analysons quelques techniques d'optimisation proposées récemment, telles l'optimisation Hessian free, la descente de gradient naturel et la descente des sous-espaces de Krylov. Nous proposons le cadre théorique des méthodes à région de confiance généralisées et nous montrons que plusieurs de ces algorithmes développés récemment peuvent être vus dans cette perspective. Nous argumentons que certains membres de cette famille d'approches peuvent être mieux adaptés que d'autres à l'optimisation non convexe. La dernière partie de ce document se concentre sur les réseaux de neurones récurrents. Nous étudions d'abord le concept de mémoire et tentons de répondre aux questions suivantes: Les réseaux récurrents peuvent-ils démontrer une mémoire sans limite? Ce comportement peut-il être appris? Nous montrons que cela est possible si des indices sont fournis durant l'apprentissage. Ensuite, nous explorons deux problèmes spécifiques à l'entraînement des réseaux récurrents, à savoir la dissipation et l'explosion du gradient. Notre analyse se termine par une solution au problème d'explosion du gradient qui implique de borner la norme du gradient. Nous proposons également un terme de régularisation conçu spécifiquement pour réduire le problème de dissipation du gradient. Sur un ensemble de données synthétique, nous montrons empiriquement que ces mécanismes peuvent permettre aux réseaux récurrents d'apprendre de façon autonome à mémoriser des informations pour une période de temps indéfinie. Finalement, nous explorons la notion de profondeur dans les réseaux de neurones récurrents. Comparativement aux réseaux acycliques, la définition de profondeur dans les réseaux récurrents est souvent ambiguë. Nous proposons différentes façons d'ajouter de la profondeur dans les réseaux récurrents et nous évaluons empiriquement ces propositions.

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Searching for the optimum tap-length that best balances the complexity and steady-state performance of an adaptive filter has attracted attention recently. Among existing algorithms that can be found in the literature, two of which, namely the segmented filter (SF) and gradient descent (GD) algorithms, are of particular interest as they can search for the optimum tap-length quickly. In this paper, at first, we carefully compare the SF and GD algorithms and show that the two algorithms are equivalent in performance under some constraints, but each has advantages/disadvantages relative to the other. Then, we propose an improved variable tap-length algorithm using the concept of the pseudo fractional tap-length (FT). Updating the tap-length with instantaneous errors in a style similar to that used in the stochastic gradient [or least mean squares (LMS)] algorithm, the proposed FT algorithm not only retains the advantages from both the SF and the GD algorithms but also has significantly less complexity than existing algorithms. Both performance analysis and numerical simulations are given to verify the new proposed algorithm.

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A new class of parameter estimation algorithms is introduced for Gaussian process regression (GPR) models. It is shown that the integration of the GPR model with probability distance measures of (i) the integrated square error and (ii) Kullback–Leibler (K–L) divergence are analytically tractable. An efficient coordinate descent algorithm is proposed to iteratively estimate the kernel width using golden section search which includes a fast gradient descent algorithm as an inner loop to estimate the noise variance. Numerical examples are included to demonstrate the effectiveness of the new identification approaches.