Nội dung

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ DƢƠNG THU TRANG ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON NHÂN TẠO DỰ BÁO SỐ HỌC SINH TUYỂN VÀO TRUNG TÂM GDNN – GDTX QUẬN ĐỐNG ĐA LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HÀ NỘI - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ DƢƠNG THU TRANG ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON NHÂN TẠO DỰ BÁO SỐ HỌC SINH TUYỂN VÀO TRUNG TÂM GDNN – GDTX QUẬN ĐỐNG ĐA Ngành : Công nghệ thông tin Chuyên ngành : Quản lý hệ thống thông tin Mã số : LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN QUANG HOAN HÀ NỘI - 2017 1 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan: Những nội dung trong luận văn là do em thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Quang Hoan. Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều đƣợc trích dẫn rõ ràng tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố. Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo hay gian lận em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Học viên ` Dƣơng Thu Trang 2 LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Quang Hoan, thầy đã hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình để em có thể hoàn thành luận văn này. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo của khoa Công nghệ thông tin – Trƣờng Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã truyền thụ kiến thức, hỗ trợ em trong suốt quá trình học tập vừa qua. Em cũng xin chân thành cảm ơn bạn bè đồng nghiệp, gia đình và những ngƣời thân đã cùng chia sẻ, giúp đỡ, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành nhiệm vụ học tập và cuốn luận văn này. Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Học viên Dƣơng Thu Trang 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 1 LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. 2 MỤC LỤC ....................................................................................................................... 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................. 6 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.................................................................................... 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................................... 8 MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 9 1. Lý do chọn đề tài .....................................................................................................9 2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn .........................................................................9 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................9 4. Phƣơng pháp nghiên cứu .........................................................................................9 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn ............................................................9 6. Bố cục luận văn .......................................................................................................9 CHƢƠNG 1 ................................................................................................................... 11 TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN DỰ BÁO ..................................................................... 11 1.1. Lịch sử của quá trình dự báo ..............................................................................11 1.1.1. Khái niệm về dự báo ....................................................................................11 1.1.2. Mục đích của dự báo ...................................................................................11 1.1.3. Những thách thức trong phân tích dự báo ...................................................12 1.1.4. Các phƣơng pháp dự báo .............................................................................12 1.1.5. Quy trình thực hiện dự báo ..........................................................................13 1.2. Phƣơng pháp dự báo sử dụng mạng nơron theo đề xuất của luận văn ...............16 1.3. Đánh giá mô hình dự báo ...................................................................................16 1.4. Kết luận chƣơng 1...............................................................................................16 CHƢƠNG 2 ................................................................................................................... 17 TỔNG QUAN VỀ MẠNG NƠRON NHÂN TẠO ....................................................... 17 2.1. Mạng nơron nhân tạo là gì? ................................................................................17 2.2. Sự tƣơng đƣơng nơron nhân tạo với nơron sinh học ..........................................18 2.3. Lịch sử phát triển của mạng nơron nhân tạo ......................................................18 2.4. Nơron sinh vật ....................................................................................................18 2.5. Nơron nhân tạo ...................................................................................................19 2.5.1. Cấu tạo nơron nhân tạo ................................................................................19 2.5.2. Phân loại mạng nơron nhân tạo ...................................................................20 2.6. Luật học ..............................................................................................................22 4 2.6.1. Học tham số (Parameter Learning)..............................................................22 2.6.2. Học cấu trúc .................................................................................................23 2.7. Mạng truyền thẳng nhiều lớp và thuật toán lan truyền ngƣợc ............................23 2.7.1. Kiến trúc mạng ............................................................................................23 2.7.2. Xác định cấu trúc mạng tối ƣu.....................................................................24 2.7.3. Cấu trúc của luật học lan truyền ngƣợc .......................................................25 2.7.4. Luật học lan truyền ngƣợc ...........................................................................26 2.7.5. Một số vấn đề của mạng nơron nhiều lớp ...................................................31 2.7.6. Ƣu nhƣợc điểm của mạng truyền thẳng ......................................................31 2.8. Kết luận chƣơng 2...............................................................................................32 CHƢƠNG 3 ................................................................................................................... 33 ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON TRONG DỰ BÁO SỐ HỌC SINH ............................ 33 TUYỂN VÀO TRUNG TÂM GDNN-GDTX ĐỐNG ĐA ........................................... 33 3.1. Giới thiệu về Trung tâm GDNN-GDTX Đống Đa .............................................34 3.2. Dữ liệu tuyển sinh của Trung tâm ......................................................................36 3.3. Các phƣơng án chọn cấu trúc dữ liệu .................................................................37 3.4. Phát biểu bài toán ...............................................................................................38 3.5. Thiết kế mạng nơron ...........................................................................................39 3.5.1. Số lớp nơron ................................................................................................39 3.5.2 Cấu trúc mạng ...............................................................................................39 3.5.3. Hàm tƣơng tác đầu ra ..................................................................................40 3.5.4. Giá trị trọng khởi đầu ..................................................................................40 3.6. Công cụ mô phỏng bài toán dự báo tuyển sinh ..................................................41 3.7. Chạy và thử nghiệm ............................................................................................41 3.8. So sánh các phƣơng pháp dự báo. ......................................................................44 3.9 Kết luận chƣơng 3................................................................................................48 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 50 PHỤ LỤC A ..............................................................................................................52 GIỚI THIỆU CÔNG CỤ VÀ KẾT QUẢ DỰ BÁO .................................................52 1. Giao diện chính của phần mềm .........................................................................52 2. Giao diện huấn luyện .........................................................................................53 3. Giao diện Kiểm tra mạng...................................................................................54 4. Chức năng Dự báo .............................................................................................54 5. Chức năng Giới thiệu vào Thoát .......................................................................55 5 PHỤ LỤC B...............................................................................................................56 MỘT SỐ MÃ NGUỒN CỦA CÔNG CỤ .................................................................56 1. Huấn luyện mạng ...............................................................................................56 2. Chuẩn hóa dữ liệu ..............................................................................................59 3. Kiểm tra mạng ...................................................................................................60 4. Dự báo ...............................................................................................................61 PHỤ LỤC C................................................................................................................... 63 BÀI BÁO KHOA HỌC ................................................................................................. 63 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT TÊN VIẾT TẮT TÊN ĐẦY ĐỦ DIỄN GIẢI 1 ANN Artificial Neural Network Mạng nơron nhân tạo 2 AR Autoregressive Tự hồi quy 3 BP Back Propagation Lan truyền ngƣợc 4 HIDDENNODE Hidden Node Số nơron lớp ẩn 5 INPUTNODE Input Node Số nơron lớp vào 6 LEARNING RATE Learning Rate Tốc độ học 7 MA Moving Average Đƣờng trung bình di động 8 MAE Mean Absolute Error Sai số tuyệt đối 9 MSE Mean Square Error Sai số trung bình 10 MFNN Multi Feedforward Neural Network Mạng truyền thẳng nhiều lớp 11 MLP Multilayer Neural Network Mạng nơron nhiều lớp 12 NƠRON Neural Tế bào thần kinh 13 OUTPUTNODE Output Node Số nơron lớp ra 14 GA Genetic Algorithm Giải thuật di truyền 15 EP Evolutionary Programming Lập trình tiến hóa 7 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Một số hàm phi tuyến thƣờng đƣợc sử dụng trong các mô hình nơron 20 Bảng 3.1. Cơ sở vật chất của Trung tâm ...............................................................34 Bảng 3.2. Dữ liệu tuyển sinh của Trung tâm .........................................................36 Bảng 3.3. Dữ liệu tuyển sinh từ năm 1988 đến 2017 của Trung tâm ....................38 Bảng 3.4. Bảng dữ liệu học ...................................................................................38 Bảng 3.5. Bảng trọng số ........................................................................................40 Bảng 3.6. Kết quả thử nghiệm dự báo tuyển sinh .................................................43 Bảng 3.7. Kết quả huấn luyện dự báo tuyển sinh ..................................................44 Bảng 3.8. Kết quả dự báo bằng phƣơng pháp trung bình dài hạn .........................45 Bảng 3.9. Kết quả dự báo bằng phƣơng pháp trung bình động .............................45 Bảng 3.10. Kết quả dự báo bằng phƣơng pháp hồi quy tƣơng quan .....................46 Bảng 3.11. Kết quả dự báo bằng phƣơng pháp san bằng mũ ................................47 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1.Quy trình thực hiện dự báo .............................................................................14 Hình 1.2.Quy trình lựa chọn mô hình dự báo ................................................................15 Hình 2.1. Cấu trúc nơron sinh vật..................................................................................19 Hình 2.2. Mô hình một nơron nhân tạo .........................................................................19 Hình 2.3. Phân loại mạng nơron ....................................................................................21 Hình 2.4.Các dạng học ..................................................................................................22 Hình 2.5.Mạng truyền thẳng nhiều lớp..........................................................................24 Hình 2.6. Cấu trúc mạng lan truyền ngƣợc. ..................................................................26 Hình 2.7. Tối thiểu cục bộ (Local Minimum) ...............................................................30 Hình 2.8. Tốc độ học của hằng số học η .......................................................................31 Hình 3.1. Kết quả huấn luyện mạng ..............................................................................42 Hình 3.2. Kết quả kiểm tra mạng...................................................................................43 Hình 3.3. Kết quả dự báo cho 3 năm 2018, 2019, 2020 ................................................44 Hình 3.4. Sơ đồ kết quả dự báo trung bình động........................................................... 48 Hình 3.5. Kết quả dự báo san bằng mũ ......................................................................... 50