Surpopulation sauvage ou compétition aux États-Unis

 

Mon éditorial sur You Tube

 

Me revoilà à vous casser les pieds avec les réseaux neuronaux et leur application dans les sciences sociales. Je reste essentiellement dans l’univers de l’efficience énergétique. J’enchaîne donc sur « Tenez-vous bien, chers Autrichiens ». Cette fois, je m’y prends à la plus grande économie du monde, celle des États-Unis, et leur efficience énergétique. Les Américains aiment la compétition et c’est bien que j’inclue dans le réseau neuronal : la compétition entre neurones.

Comme d’habitude, c’est un peu de chaos, dans mon cheminement intellectuel. Hier, j’ai eu cette idée : suivant la structure logique de mon perceptron, j’obtiens des schémas de comportement différents de sa part. Et si je mettais ces comportements en compétition de quelque sorte ? Et si je construisais un perceptron qui organise cette compétition ?

Je veux donc mettre mes neurones en compétition entre eux. Je veux dire, pas mes neurones à moi, strictement parlé, juste les neurones de mon perceptron. J’avais commencé à mapper cette idée dans un fichier Excel, un peu à tâtons. Tout d’abord, les acteurs. Qui est en compétition contre qui ? Jusqu’alors, j’ai identifié deux grandes distinctions fonctionnelles parmi les comportements possibles de mon perceptron. Premièrement, c’est la distinction entre deux fonctions d’activation de base : la fonction sigmoïde d’une part et la tangente hyperbolique d’autre part. Deuxièmement, j’ai observé une différence prononcée lorsque j’introduis dans mon perceptron l’auto observation (rétropropagation) de la cohésion, comprise comme la distance Euclidienne entre les variables. Je construis donc quatre neurones d’activation, comme des combinaisons de ces possibilités :

 

Le neurone de sortie no.1 : le sigmoïde de base

Le neurone de sortie no.2 : la tangente hyperbolique de base

Le neurone de sortie no.3 : sigmoïde avec observation de la cohésion

Le neurone de sortie no.4 : la tangente hyperbolique avec observation de la cohésion

 

Les neurones de sortie 1 et 2 sont connectés au sentier synaptique suivant : absorption des variables d’entrée dans la première couche (neurone d’observation), suivie par l’attribution des coefficients aléatoires de pondération à chaque variable et la sommation des variables d’entrée ainsi pondérées (neurone de pondération) dans la couche cachée. Le neurone de pondération crache la moyenne pondérée des variables d’entrée, et on la met comme argument dans la fonction d’activation neurale (neurone de traitement) et celle-ci crache un résultat. Le neurone d’observation compare ce résultat à la valeur espérée de la variable de résultat, une mesure d’erreur locale est prise et le perceptron ajoute cette erreur aux valeurs des variables d’entrée dans la ronde suivante d’expérimentation.

 

Les neurones de sortie 3 et 4 impliquent un sentier synaptique un peu plus complexe. Tout d’abord, dans la couche d’entrée du perceptron, j’ajoute un neurone parallèle à celui qui génère les coefficients aléatoires. Ce deuxième neurone s’active après la première ronde d’expérimentation. Lorsque celle-ci à pris lieu, ce neurone calcule les distances Euclidiennes entre les variables, il rend une distance moyenne pour chaque variable séparément, ainsi que la distance moyenne entre toutes les variables. En fait, c’est un job pour tout une séquence synaptique à part, mais pour simplifier je décris ça comme un neurone. Je vois sa place dans la couche d’entrée puisque sa fonction essentielle est celle d’observation. Observation complexe, certes, observation quand même. J’appelle ce neurone « neurone de cohésion perçue » et j’assume qu’il a besoin d’un partenaire dans la couche cachée, donc d’un neurone qui combine la perception de cohésion avec le signal nerveux qui vient de la perception des variables d’entrée en tant que telles. Je baptise ce deuxième neurone caché « neurone de pondération par cohésion ».

 

Bon, j’en étais à la compétition. Compétition veut dire sélection. Lorsque j’entre en compétition contre entité A, cela implique l’existence d’au moins une entité B qui va choisir entre moi et A.

Le choix peut être digital ou analogue. Le choix digital c’est 0 ou 1, avec rien au milieu. B va choisir moi ou bien A et le vainqueur prend toute la cagnotte. Le choix analogue laisse B faire un panier des participations respectives de moi et de A. B peut prendre comme 60% de moi et 40% de A, par exemple. Comme je veux introduire dans mon perceptron la composante de compétition, j’ajoute une couche neuronale supplémentaire, avec un seul neurone pour commencer, le neurone de sélection. Ce neurone reçoit les signaux de la part des 4 neurones de sortie et fait son choix.

 

Important : c’est un jeu lourd en conséquences. La sélection faite dans une ronde d’expérimentation détermine la valeur d’erreur qui est propagée dans la ronde suivante dans tous les quatre neurones de sortie. Le résultat de compétition à un moment donné détermine les conditions de compétition aux moments ultérieurs.

 

Le signal nerveux envoyé par les neurones de sortie c’est l’erreur locale d’estimation. Le neurone de sélection fait son choix entre quatre erreurs. Plus loin, je discute les résultats des différentes stratégies de ce choix. Pour le moment, je veux montrer le contexte empirique de ces stratégies.  Ci-dessous, j’introduis deux graphes qui montrent l’erreur générée par les quatre neurones de sortie au tout début du processus d’apprentissage, respectivement dans les 20 premières rondes d’expérimentation et dans les 100 premières rondes. Vous pouvez voir que la ligne noire sur les deux graphes, qui représente l’erreur crachée par le neurone de sortie no. 4, donc par la tangente hyperbolique avec observation de la cohésion, est de loin la plus grande et la plus variable. Celle générée par le sigmoïde avec observation de la cohésion est substantiellement moindre, mais elle reste bien au-dessus des erreurs qui viennent des neurones de sortie no. 1 et 2, donc ceux qui s’en foutent de la cohésion interne du perceptron.

Je me demande qu’est-ce que l’apprentissage, au juste ? Les deux graphes montrent trois façons d’apprendre radicalement différentes l’une de l’autre. Laquelle est la meilleure ? Quelle est la fonction éducative de ces erreurs ? Lorsque je fais des essais où je me goure juste un tout petit peu, donc lorsque j’opère comme les neurones de sortie 1 et 2, je suis exact et précis, mais je m’aventure très près de mon point d’origine. J’accumule peu d’expérience nouvelle, en fait. En revanche, si mes erreurs se balancent dans les valeurs comme celles montrées par la ligne noire, donc par la tangente hyperbolique avec observation de la cohésion, j’ai peu de précision mais j’accumule beaucoup plus de mémoire expérimentale.

 

Quatre stratégies de sélection se dessinent, équivalentes à trois types de compétition entre les neurones de sortie. Sélection façon 1 : le neurone de sélection choisit le neurone de sortie qui génère la moindre erreur des quatre. D’habitude, c’est le neurone qui produit la tangente hyperbolique sans observation de la cohésion. C’est une compétition où le plus précis et le plus prévisible gagne à chaque fois. Sélection façon 2 : c’est le neurone qui génère l’erreur la plus grande qui a l’honneur de propager son erreur dans les générations suivantes du perceptron. Normalement c’est le neurone de sortie no.4 : la tangente hyperbolique avec observation de la cohésion. Sélection no. 3 : Le neurone de sélection tire la moyenne arithmétique des quatre erreurs fournies par les quatre neurones de sortie. Logiquement, le neurone de sortie qui génère l’erreur la plus grande va dominer. Cette sélection est donc une représentation mathématique de hiérarchie entre les neurones de sortie.

 

Finalement, la compétition conditionnelle à une condition prédéfinie. Je prends le mode de sélection no. 2, donc je choisis l’erreur la plus grande des quatre et je la compare à un critère. Disons me j’espère que le perceptron génère une erreur plus grande que la croissance moyenne annuelle standardisée de l’efficience énergétique du pays en question. Dans le cas des États-Unis cette valeur-jauge est de 0,014113509. Si un neurone quelconque de sortie (soyons honnêtes, ce sera la tangente hyperbolique qui observe sa propre cohésion) génère une erreur supérieure à 0,014113509, cette erreur est propagée dans la prochaine ronde d’expérimentation. Sinon, l’erreur à propager est 0. C’est donc une condition où je dis à mon perceptron : soit tu apprends vite et bien, soit tu n’apprends pas du tout.

 

Bon, passons aux actes. Voilà, ci-dessous, la liste de mes variables.

 

Code de la variable Description de la variable
Q/E PIB par kg d’équivalent pétrole d’énergie consommé (prix constants, 2011 PPP $) – VARIABLE DE RÉSULTAT

 

CK/PA Capital immobilisé moyen par une demande nationale de brevet (millions de 2011 PPP $, prix constants)

 

A/Q Amortissement agrégé d’actifs fixes comme % du PIB

 

PA/N Demandes nationales de brevet par 1 million d’habitants

 

M/Q Offre agrégée d’argent comme % du PIB

 

E/N Consommation finale d’énergie en kilogrammes d’équivalent pétrole par tête d’habitant

 

RE/E Consommation d’énergie renouvelable comme % de la consommation totale d’énergie

 

U/N Population urbaine comme % de la population totale

 

Q Produit Intérieur Brut (millions de 2011 PPP $, prix constants)

 

Q/N PIB par tête d’habitant (2011 PPP $, prix constants)

 

N Population

 

 

Je prends ces variables et je les mets dans mon perceptron enrichi avec ce neurone de sélection. Je simule quatre cas alternatifs de sélection, comme discutés plus haut. Voilà, dans le prochain tableau ci-dessous, les résultats de travail de mon perceptron après 5000 rondes d’apprentissage. Remarquez, pour la stratégie de sélection avec condition prédéfinie, les 5000 rondes tournent en à peine 72 rondes, puisque toutes les autres rendent erreur 0.

 

Valeur 1990 Valeur 2014 Sélection de la moindre erreur Sélection de l’erreur la plus grande Moyenne des erreurs – hiérarchie Compétition conditionnelle au seuil prédéfini
Q/E $                   4,83 $                         7,46 $                         9,39 $                       38,18 $                       34,51 $                       34,16
CK/PA 291,84 185,38 263,29 1 428,92 1 280,59 1 266,39
A/Q 14,5% 15,0% 19,0% 79,1% 71,4% 70,7%
PA/N 358,49 892,46 1 126,42 4 626,32 4 180,92 4 138,29
M/Q 71,0% 90,1% 113,6% 464,7% 420,0% 415,8%
E/N 7 671,77 6 917,43 8 994,27 40 063,47 36 109,61 35 731,13
RE/E 4,2% 8,9% 11,2% 45,6% 41,3% 40,8%
U/N 75,3% 81,4% 102,4% 416,5% 376,6% 372,7%
Q 9 203 227,00 16 704 698,00 21 010 718,45 85 428 045,72 77 230 318,76 76 445 587,64
Q/N $ 36 398,29 $ 52 292,28 $  65 771,82 $ 267 423,42 $ 241 761,31 $ 239 304,79
N 252 847 810 319 448 634 401 793 873 1 633 664 524 1 476 897 088 1 461 890 454

 

Oui, juste la sélection no. 1 semble être raisonnable. Les autres stratégies de compétition rendent des valeurs absurdement élevées. Quoi que là, il faut se souvenir du truc essentiel à propos d’un réseau neuronal artificiel : c’est une structure logique, pas organique. Structure logique veut dire un ensemble de proportions. Je transforme donc ces valeurs absolues rendues par mon perceptron en des proportions par rapport à la valeur de la variable de résultat. La variable de résultat Q/E est donc égale à 1 et les valeurs des variables d’entrée {CK/PA ; A/Q ; PA/N ; M/Q ; E/N ; RE/E ; U/N ; Q ; Q/N ; N} sont exprimées comme des multiples de 1. Je montre les résultats d’une telle dénomination dans le tableau suivant, ci-dessous. Comment les lire ? Eh bien, si vous lisez A/Q = 0,02024, cela veut dire que l’amortissement agrégé d’actifs fixes pris comme pourcentage du PIB est égal à la fraction 0,02024 du coefficient Q/E etc. Chaque colonne de ce tableau de valeurs indexées représente une structure définie par des proportions par rapport à Q/E. Vous pouvez remarquer que pris sous cet angle, ces résultats de simulation du réseau neuronal ne sont plus aussi absurdes. Comme ensembles de proportions, ce sont des structures tout à fait répétitives. La différence c’est la valeur-ancre, donc efficience énergétique. Intuitivement, j’y vois des scénarios différents d’efficience énergétique des États-Unis en cas ou la société américaine doit s’adapter à des niveaux différents de surpopulation et cette surpopulation est soit gentille (sélection de la moindre erreur) soit sauvage (toutes les autres sélections).

 

 

  Valeurs indexées sur la variable de résulat
Valeur 1990 Valeur 2014 Sélection de la moindre erreur Sélection de l’erreur la plus grande Moyenne des erreurs – hiérarchie Compétition conditionnelle au seuil prédéfini
Q/E 1,00000 1,00000 1,00000 1,00000 1,00000 1,00000
CK/PA 60,41009 24,83314 28,13989 37,41720 37,12584 37,08887
A/Q 0,03005 0,02007 0,02024 0,02071 0,02070 0,02070
PA/N 74,20624 119,55525 119,98332 121,18428 121,14657 121,14178
M/Q 0,14703 0,12070 0,12097 0,12173 0,12171 0,12171
E/N 1 588,03883 926,66575 958,89830 1 049,32878 1 046,48878 1 046,12839
RE/E 0,00864 0,01194 0,01194 0,01196 0,01196 0,01196
U/N 0,15587 0,10911 0,10911 0,10911 0,10911 0,10911
Q 1 905 046,16228 2 237 779,02450 2 237 779,02450 2 237 779,02450 2 237 779,02450 2 237 779,02450
Q/N 7 534,35896 7 005,12942 7 005,12942 7 005,12942 7 005,12942 7 005,12942
N 52 338 897,00657 42 793 677,11833 42 793 677,11833 42 793 677,11833 42 793 677,11833 42 793 677,11833

 

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