scholarly journals A Complex-Valued Oscillatory Neural Network for Storage and Retrieval of Multidimensional Aperiodic Signals

2021 ◽  
Vol 15 ◽  
Author(s):  
Dipayan Biswas ◽  
Sooryakiran Pallikkulath ◽  
V. Srinivasa Chakravarthy

Recurrent neural networks with associative memory properties are typically based on fixed-point dynamics, which is fundamentally distinct from the oscillatory dynamics of the brain. There have been proposals for oscillatory associative memories, but here too, in the majority of cases, only binary patterns are stored as oscillatory states in the network. Oscillatory neural network models typically operate at a single/common frequency. At multiple frequencies, even a pair of oscillators with real coupling exhibits rich dynamics of Arnold tongues, not easily harnessed to achieve reliable memory storage and retrieval. Since real brain dynamics comprises of a wide range of spectral components, there is a need for oscillatory neural network models that operate at multiple frequencies. We propose an oscillatory neural network that can model multiple time series simultaneously by performing a Fourier-like decomposition of the signals. We show that these enhanced properties of a network of Hopf oscillators become possible by operating in the complex-variable domain. In this model, the single neural oscillator is modeled as a Hopf oscillator, with adaptive frequency and dynamics described over the complex domain. We propose a novel form of coupling, dubbed “power coupling,” between complex Hopf oscillators. With power coupling, expressed naturally only in the complex-variable domain, it is possible to achieve stable (normalized) phase relationships in a network of multifrequency oscillators. Network connections are trained either by Hebb-like learning or by delta rule, adapted to the complex domain. The network is capable of modeling N-channel electroencephalogram time series with high accuracy and shows the potential as an effective model of large-scale brain dynamics.

2020 ◽  
Author(s):  
Dipayan Biswas ◽  
P. Sooryakiran ◽  
V. Srinivasa Chakravarthy

AbstractRecurrent neural networks with associative memory properties are typically based on fixed-point dynamics, which is fundamentally distinct from the oscillatory dynamics of the brain. There have been proposals for oscillatory associative memories, but here too, in the majority of cases, only binary patterns are stored as oscillatory states in the network. Oscillatory neural network models typically operate at a single/common frequency. At multiple frequencies, even a pair of oscillators with real coupling exhibits rich dynamics of Arnold tongues, not easily harnessed to achieve reliable memory storage and retrieval. Since real brain dynamics comprises of a wide range of spectral components, there is a need for oscillatory neural network models that operate at multiple frequencies. We propose an oscillatory neural network that can model multiple time series simultaneously by performing a Fourier-like decomposition of the signals. We show that these enhanced properties of a network of Hopf oscillators become possible by operating in the complex-variable domain. In this model, the single neural oscillator is modeled as a Hopf oscillator, with adaptive frequency and dynamics described over the complex domain. We propose a novel form of coupling, dubbed “power coupling,” between complex Hopf oscillators. With power coupling, expressed naturally only in the complex-variable domain, it is possible to achieve stable (normalized) phase relationships in a network of multifrequency oscillators. Network connections are trained either by Hebb-like learning or by delta rule, adapted to the complex domain. The network is capable of modeling N-channel Electroencephalogram time series with high accuracy and shows the potential as an effective model of large-scale brain dynamics.


Healthcare ◽  
2020 ◽  
Vol 8 (2) ◽  
pp. 181 ◽  
Author(s):  
Patricia Melin ◽  
Julio Cesar Monica ◽  
Daniela Sanchez ◽  
Oscar Castillo

In this paper, a multiple ensemble neural network model with fuzzy response aggregation for the COVID-19 time series is presented. Ensemble neural networks are composed of a set of modules, which are used to produce several predictions under different conditions. The modules are simple neural networks. Fuzzy logic is then used to aggregate the responses of several predictor modules, in this way, improving the final prediction by combining the outputs of the modules in an intelligent way. Fuzzy logic handles the uncertainty in the process of making a final decision about the prediction. The complete model was tested for the case of predicting the COVID-19 time series in Mexico, at the level of the states and the whole country. The simulation results of the multiple ensemble neural network models with fuzzy response integration show very good predicted values in the validation data set. In fact, the prediction errors of the multiple ensemble neural networks are significantly lower than using traditional monolithic neural networks, in this way showing the advantages of the proposed approach.


Recently, the stock market prediction has become one of the essential application areas of time-series forecasting research. The successful prediction of the stock market can be better guided to the investors to maximize their profit and to minimize the risk of investment. The stock market data are very much complex, non-linear and dynamic. Due to this reason, still, it is a challenging task. In recent time, deep learning method has become one of the most popular machine learning methods for time-series forecasting due to their temporal feature extraction capabilities. In this paper, we have proposed a novel Deep Learning-based Integrated Stacked Model (DISM) that integrates both the 1D Convolution neural network and LSTM recurrent neural network to find the spatial and temporal features from the stock market data. Our proposed DISM is applied to forecast the stock market. Here, we have also compared our proposed DISM with the single structured stacked LSTM, and 1D Convolution neural network models, and some other statistical models. We have observed that our proposed DISM produces better results in terms of accuracy and stability.


2015 ◽  
Author(s):  
Ηλίας Λυμπερόπουλος

Η μοντελοποίηση δυναμικών κοινωνικών διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα στο διαδίκτυο αποτελεί ένα απαιτητικό εγχείρημα για τους παρακάτω λόγους: Πρώτον, τα πρόσωπα που αλληλεπιδρούν είναι ετερογενή και το καθένα ξεχωριστά αποτελεί ένα πολύπλοκο σύστημα. Δεύτερον, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ χρηστών επηρεάζονται από θόρυβο και τυχαιότητα, ενώ παράλληλα το δίκτυο των διαπροσωπικών επικοινωνιών είναι εξαιρετικά πολύπλοκο. Τρίτον, τα κοινωνικά συστήματα δεν βρίσκονται σε κατάσταση ισορροπίας καθώς η δυναμική τους επηρεάζεται από εξωτερικές διαταραχές των οποίων η κατανομή, συσχέτιση με ένα κοινωνικό σύστημα, καθώς και η μη στασιμότητά τους, είναι δύσκολο να καθοριστούν και να συμπεριληφθούν σ’ ένα δυναμικό κοινωνικό μοντέλο. Η επιτυχής μοντελοποίηση της online κοινωνικής μετάδοσης απαιτεί μια προσέγγιση ικανή να ανταπεξέλθει στις παραπάνω προκλήσεις. Γι’ αυτό το σκοπό αναπτύσσω και εφαρμόζω ένα πλαίσιο υλοποίησης βασισμένο στην θεωρία των πολύπλοκων προσαρμοστικών συστημάτων}. Μέσω μια τέτοιας μεθοδολογίας μπορεί να μελετηθεί η δυναμική φύση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ χρηστών καθώς και οι μακροσκοπικές ιδιότητες της δραστηριότητας τους υπό την παρουσία εξωτερικών επιρροών. Ένα εξαιρετικά σύνθετο πολύπλοκο προσαρμοστικό σύστημα είναι αυτό του ανθρώπινου εγκεφάλου. Τα κοινωνικά δίκτυα είναι ακόμα πιο πολύπλοκα καθώς ουσιαστικά αποτελούνται από διασυνδεδεμένους εγκεφάλους. Ως αποτέλεσμα η μοντελοποίηση δυναμικών διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα στα online κοινωνικά δίκτυα αποτελεί ένα υπερβολικά περίπλοκο έργο. Για την αντιμετώπιση των προκλήσεων μιας τέτοιας προσπάθειας εξετάζω τις online κοινωνικές διεργασίες μέσα από την προοπτική της νευροεπιστήμης θεωρώντας τη δυναμική των online κοινωνικών δικτύων ανάλογη με την δυναμική δικτύων αποτελούμενων από νευρώνες ολοκλήρωσης και πυροδότησης. Μέσω αυτού του ισομορφισμού εισάγω ένα νέο μοντέλο για την online κοινωνική μετάδοση το οποίο βασίζεται σε τρεις πηγές θετικής ή αρνητικής επιρροής: Την αυτοπαραγόμενη, τη διαπροσωπική και την εξωτερική. Το προτεινόμενο μοντέλο εξηγεί την ανάπτυξη της online δραστηριότητας καθώς και τις μορφές μετάδοσής της σε συνάρτηση με το δίκτυο των αλληλεπιδράσεων, την ενδογενή και εξωγενή επιρροή καθώς και τον μηχανισμό ενεργοποίησης των χρηστών. Μέσω πειραμάτων εξομοίωσης και ελέγχων εγκυρότητας των παραγόμενων αποτελεσμάτων μετά από σύγκριση με πραγματικά δεδομένα από το κοινωνικό δίκτυο Twitter, δείχνω ότι το μοντέλο αναπαράγει με ακρίβεια πρότυπα συλλογικής δραστηριότητας προερχόμενα από την απόκριση των χρηστών σε διαφόρων μορφών ερεθίσματα. Η συγκριτική αξιολόγηση των επιδόσεων του προτεινόμενου μοντέλου σε συνάρτηση με αυτή μοντέλων αναφοράς δείχνει ότι αυτό υπερτερεί σημαντικά στην ακρίβεια αναπαραγωγής πραγματικών προτύπων online δραστηριότητας. Μια ακόμα διαδικασία online κοινωνικής μετάδοσης την οποία μοντελοποιώ με καινοτόμο τρόπο σε αυτή τη Διδακτορική Διατριβή αφορά στη μετάδοση online πληροφορίας. Τη δυναμική αυτής της διαδικασίας την αναπαράγω μέσω ενός δικτυακού δυναμικού συστήματος αποτελούμενο από νευρώνες ολοκλήρωσης και πυροδότησης με θορυβώδη εισροή πληροφορίας. Μέσω του συνδυασμού ντετερμινιστικών και στοχαστικών συνιστωσών το προτεινόμενο μοντέλο αναπαράγει με ακρίβεια τα πρότυπα μετάδοσης online πληροφορίας, υποδηλώνοντας ότι αυτά εξαρτώνται από την χρονική δομή, ισχύ, καθώς και το λόγο σήματος-θορύβου των ερεθισμάτων που επηρεάζουν τους διασυνδεδεμένους χρήστες. Ο προτεινόμενος μηχανισμός ενσωματώνει τις έννοιες της ``απλής'' και ``πολύπλοκης'' μετάδοσης και επεκτείνει τις υπάρχουσες προσεγγίσεις καθώς συμπεριλαμβάνει σε ένα ενιαίο μοντέλο ενδογενείς και εξωγενείς, θετικές και αρνητικές, ντετερμινιστικές και στοχαστικές πηγές επιρροής. Τα προτεινόμενα μοντέλα νευρωνικών δικτύων είναι εύκολα προσαρμόσιμα και κατάλληλα για τη μελέτη ενός μεγάλου αριθμού από online και offline κοινωνικές δυναμικές διαδικασίες που αφορούν στη διάδοση συμπεριφορών, τάσεων και φημών, καθώς και στη διάχυση και προώθηση νέων προϊόντων. Τελικά, τη γνώση που προέκυψε από την μοντελοποίηση των προτύπων της online κοινωνικής δραστηριότητας την αξιοποιώ περαιτέρω με την ανάπτυξη ενός προβλεπτικού μοντέλου ικανού να παράγει ακριβείς προβλέψεις σχετικά με τη διάδοση online περιεχομένου.


2022 ◽  
Vol 2161 (1) ◽  
pp. 012005
Author(s):  
C R Karthik ◽  
Raghunandan ◽  
B Ashwath Rao ◽  
N V Subba Reddy

Abstract A time series is an order of observations engaged serially in time. The prime objective of time series analysis is to build mathematical models that provide reasonable descriptions from training data. The goal of time series analysis is to forecast the forthcoming values of a series based on the history of the same series. Forecasting of stock markets is a thought-provoking problem because of the number of possible variables as well as volatile noise that may contribute to the prices of the stock. However, the capability to analyze stock market leanings could be vital to investors, traders and researchers, hence has been of continued interest. Plentiful arithmetical and machine learning practices have been discovered for stock analysis and forecasting/prediction. In this paper, we perform a comparative study on two very capable artificial neural network models i) Deep Neural Network (DNN) and ii) Long Short-Term Memory (LSTM) a type of recurrent neural network (RNN) in predicting the daily variance of NIFTYIT in BSE (Bombay Stock Exchange) and NSE (National Stock Exchange) markets. DNN was chosen due to its capability to handle complex data with substantial performance and better generalization without being saturated. LSTM model was decided, as it contains intermediary memory which can hold the historic patterns and occurrence of the next prediction depends on the values that preceded it. With both networks, measures were taken to reduce overfitting. Daily predictions of the NIFTYIT index were made to test the generalizability of the models. Both networks performed well at making daily predictions, and both generalized admirably to make daily predictions of the NiftyIT data. The LSTM-RNN outpaced the DNN in terms of forecasting and thus, grips more potential for making longer-term estimates.


2010 ◽  
Vol 13 (4) ◽  
pp. 825-841 ◽  
Author(s):  
Dulakshi S. K. Karunasingha ◽  
A. W. Jayawardena ◽  
W. K. Li

Artificial Neural Networks (ANNs) are now widely used in many areas of science, medicine, finance and engineering. Analysis and prediction of time series of hydrological/and meteorological data is one such application. Problems that still exist in the application of ANN's are the lack of transparency and the expertise needed for training. An evolutionary algorithm-based method to train a type of neural networks called Product Units Based Neural Networks (PUNN) has been proposed in a 2006 study. This study investigates the applicability of this type of neural networks to hydrological time series prediction. The technique, with a few small changes to improve the performance, is applied to some benchmark time series as well as to a real hydrological time series for prediction. The results show that evolutionary PUNN produce more transparent models compared to widely used multilayer perceptron (MLP) neural network models. It is also seen that training of PUNN models requires less expertise compared to MLPs.


2015 ◽  
Vol 34 ◽  
pp. 600-607 ◽  
Author(s):  
Lukas Falat ◽  
Zuzana Stanikova ◽  
Maria Durisova ◽  
Beata Holkova ◽  
Tatiana Potkanova

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document