Dissertação
Aplicação de redes neurais do tipo função de base radial simples com poucos neurônios na previsão da temperatura de transição vítrea de boratos de metais alcalinos
Application of simple neural networks from radial based function with few neurons to predict the vitreous transition temperature of alkaline borates
Registration in:
VITÓRIA, Leonardo dos Santos. Aplicação de redes neurais do tipo função de base radial simples com poucos neurônios na previsão da temperatura de transição vítrea de boratos de metais alcalinos. 2022. 122 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2022.
Author
Vitória, Leonardo dos Santos
Institutions
Abstract
Interest in glass applications and uses has existed since the beginning of civilization.
Such materials are appreciated for several functions and properties given the
extensive possibility of making different compositions. It is estimated that there are
about 1052 glasses compositions using 80 elements of the periodic table considering
minimum concentrations up to 1%, and only 105 have been explored, which allows
many discoveries. In view of the many possibilities associated, the objective of this
work was to define properties in terms of compositions, and among them, the
characteristic glass transition temperature. Artificial intelligence proposed by Alan
Turing in 1950, which today branched out into computational processes known as
machine and deep learnings, as well as artificial neural networks, that are considered
highly predictive tools and can be used in the description of several physical systems.
Among different types of artificial neural networks, stands out radial basis functions.
This neural network is characterized by performing an effective and fast training due
to its particular learning mechanism, able to transform complex systems into a simple
linear algebra problem. Complex neural networks can be created to describe different
phenomena; however, the more complex the network, more overfitted to the data it will
tend to be, and a way to avoid this can be via the use of a certain number of neurons
in its construction. Given these aspects, radial basis functions networks with only two
neurons (or poles) were applied to describe the glass transition temperature of alkali
metal borate systems. The results show that the technique it’s highly predictive, as
data reached R² adjustment value over 90%. It was also possible to carry out
adjustments and train the network including the known phenomenon of the boron
anomaly. The Gaussian activation function proved to be superior to two others, named
multiquadratic functions. The neuron location in the networks was a highlight, as the
tests showed an improvement in the performance of the adjustments by up to 5% when
manipulated.The Tg behavior of alkaline borate systems as a function of molar
concentration x of oxides is similar and corresponds to the topological model by Mauro,
Gupta and Loucks (2009), established only for lithium and sodium borate systems.
Such work suggests extending this study to other physical properties using a few
neurons and associated with the vitreous state. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES O interesse em aplicações e usos de vidros existe desde o início da civilização. Tais
materiais são apreciados por diversas funções e propriedades dada a extensa
possibilidade de feitura de composições distintas. É estimado existir cerca de 1052
composições vítreas utilizando-se de 80 elementos químicos em concentrações de
até 1%, e que apenas foram explorados cerca de 105, o que permite muitas
descobertas. Em vista das muitas possibilidades relacionadas há o objetivo de se
descrever propriedades em termos de composições, e entre elas a característica
temperatura de transição vítrea Tg. A inteligência artificial proposta por Alan Turing em
1950, que hoje se ramificou em processos computacionais conhecidos como
aprendizado de máquina e aprendizado profundo, e ramificado a estes, as redes
neurais artificiais, que são tidas como ferramentas altamente preditivas e podem ser
empregadas na descrição de diversos sistemas físicos. Entre os diversos tipos de
redes neurais artificiais destacam-se as redes de funções de base radial. Esta rede
neural é caracterizada por efetuar um treinamento efetivo e veloz devido ao seu
particular mecanismo de aprendizado, capaz de transformar sistemas complexos em
um simples problema de álgebra linear. Redes neurais complexas podem ser criadas
para descrever diversos fenômenos; entretanto, quanto mais complexa a rede, mais
sobre ajustada aos dados ela tenderá a ser, e uma maneira de contornar isso pode
ser via o emprego de certa quantidade de neurônios em sua construção. Diante destes
aspectos, foram aplicadas redes de funções de base radial com apenas dois neurônios
(ou pólos) para descrição da temperatura de transição vítrea de sistemas boratos de
metais alcalinos. Os resultados mostram que a técnica é altamente preditiva,, pois os
ajustes alcançaram um valor de ajuste R² superior a 90%. Foi possível ainda efetuar
ajustes e treinamento da rede incluindo o conhecido fenômeno da anomalia do boro.
A função de ativação gaussiana se mostrou superior às duas outras, ditas funções
multiquadráticas. A localização dos neurônios nas redes foi um ponto em destaque,
pois testes evidenciaram uma melhora da performance dos ajustes em até 5% quando
este fora manipulado. O comportamento da Tg dos sistemas alcalino boratos em
função da concentração molar x de óxidos é similar e corresponde ao modelo
topológico de Mauro, Gupta e Loucks (2009), estabelecido apenas para os sistemas
boratos de lítio e sódio. Tal trabalho sugere estender o estudo de outras propriedades
físicas utilizando de poucos neurônios e associadas ao estado vítreo. São Cristóvão