Recurrent neural networks (RNNs) are known to be universal approximators of dynamic systems under fairly mild and general assumptions, making them good tools to process temporal information. However, RNNs usually suffer from the issues of vanishing and exploding gradients in the standard RNN training. Reservoir computing (RC), a special RNN where the recurrent weights are randomized and left untrained, has been introduced to overcome these issues and has demonstrated superior empirical performance in fields as diverse as natural language processing and wireless communications especially in scenarios where training samples are extremely limited. On the contrary, the theoretical grounding to support this observed performance has not been fully developed at the same pace. In this work, we show that RNNs can provide universal approximation of linear time-invariant (LTI) systems. Specifically, we show that RC can universally approximate a general LTI system. We present a clear signal processing interpretation of RC and utilize this understanding in the problem of simulating a generic LTI system through RC. Under this setup, we analytically characterize the optimal probability distribution function for generating the recurrent weights of the underlying RNN of the RC. We provide extensive numerical evaluations to validate the optimality of the derived optimum distribution of the recurrent weights of the RC for the LTI system simulation problem. Our work results in clear signal processing-based model interpretability of RC and provides theoretical explanation for the power of randomness in setting instead of training RC's recurrent weights. It further provides a complete optimum analytical characterization for the untrained recurrent weights, marking an important step towards explainable machine learning (XML) which is extremely important for applications where training samples are limited.


翻译:暂无翻译

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
163+阅读 · 2019年10月12日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
7+阅读 · 2023年9月22日
VIP会员
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员