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Type: Tese
Title: Redes neurais artificiais adaptativas: abordagem evolutiva para melhoria de performance e eficiência
Author: Fonseca, Tales Lima
First Advisor: Fonseca, Leonardo Goliatt da
Referee Member: Lemonge, Afonso Celso de Castro
Referee Member: Campos, Luciana Conceição Dias
Referee Member: Saporetti, Camila Martins
Referee Member: Silva, Gustavo Rocha da
Resumo: Nos últimos anos, as redes neurais artificiais têm se destacado como uma das ferramentas mais poderosas no campo da inteligência artificial, oferecendo soluções inovadoras em uma variedade de aplicações. No entanto, o desenvolvimento dessas redes muitas vezes enfrenta desafios significativos relacionados à eficiência computacional e ao impacto ambiental. Esta pesquisa tem como objetivo investigar esses desafios, em particular no processo de criação de redes neurais artificiais, e propor uma solução para melhorar sua eficiência em termos de qualidade preditiva, restrições de hardware e redução dos impactos ambientais. Partindo da hipótese de que as funções de ativação adaptativas são capazes de criar neurônios mais complexos na arquitetura, reduzindo a necessidade de abordagens de aprendizado profundo que resultam em modelos mais pesados e complexos. O foco principal deste estudo é propor o desenvolvimento de uma estratégia evolutiva para a criação de redes neurais artificiais que utilizem funções de ativação adaptativas, com o objetivo de encontrar modelos com maior poder preditivo e com a menor complexidade possível. Isso visa contribuir para a redução das emissões de dióxido de carbono e outros gases associados às mudanças climáticas, decorrentes da execução desses modelos. Foram realizados quatro conjuntos de experimentos numéricos para avaliar a hipótese e a proposta. Os dois primeiros experimentos compararam a eficiência das funções de ativação adaptativas em relação às funções de ativação tradicionais em problemas de classificação e regressão. O terceiro experimento combinou abordagens evolutivas com funções de ativação adaptativas para encontrar o melhor modelo em termos de métrica e complexidade em problemas de Autoencoder. Por fim, no quarto experimento, estendeu-se a aplicação das abordagens evolutivas combinadas com funções de ativação adaptativas, desta vez voltadas para otimizar o modelo em termos de métrica e complexidade em um contexto real de detecção de tumores cerebrais. Todos os resultados obtidos apresentaram um ganho ao se utilizar as Funções de Ativação Adaptativas na construção das arquiteturas, além de um impacto ambiental comparável com estratégias tradicionais. Esses resultados representam um avanço significativo na busca por redes neurais artificiais mais eficazes e ecologicamente conscientes, alinhando Otimização Evolutiva com a responsabilidade ambiental, especialmente na redução da Pegada de Carbono.
Abstract: In recent years, artificial neural networks have emerged as one of the most powerful tools in the field of artificial intelligence, offering innovative solutions across a variety of applications. However, the development of these networks often faces significant challenges related to computational efficiency and environmental impact. This research aims to investigate these challenges, particularly in the process of creating artificial neural networks, and propose a solution to enhance their efficiency in terms of predictive quality, hardware constraints, and environmental impact reduction. Building on the hypothesis that adaptive activation functions are capable of creating more complex neurons in the architecture, thereby reducing the need for deep learning approaches that result in heavier and more complex models, the primary focus of this study is to propose the development of an evolutionary strategy for creating artificial neural networks using adaptive activation functions. The objective is to find models with higher predictive power and the least possible complexity. This endeavor seeks to contribute to the reduction of carbon dioxide emissions and other gases associated with climate change resulting from the execution of these models. Four sets of numerical experiments were conducted to evaluate the hypothesis and the proposed solution. The first two experiments compared the efficiency of adaptive activation functions against traditional activation functions in classification and regression problems. The third experiment combined evolutionary approaches with adaptive activation functions to find the best model in terms of metrics and complexity in Autoencoder problems. Finally, in the fourth experiment, the application of evolutionary approaches combined with adaptive activation functions was extended, this time focusing on optimizing the model in terms of metrics and complexity in a real context of brain tumor detection. All obtained results demonstrated a gain when using Adaptive Activation Functions in architecture construction, along with an environmental impact comparable to traditional strategies. These findings represent a significant advancement in the pursuit of more effective and environmentally conscious artificial neural networks, aligning Evolutionary Optimization with environmental responsibility, especially in reducing Carbon Footprint.
Keywords: Redes Neurais Artificiais
Função de ativação adaptativa
Otimização evolutiva
Pegada de carbono
Artificial neural networks
Adaptive activation function
Evolutionary optimization
Carbon footprint
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-ShareAlike 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/16591
Issue Date: 24-Nov-2023
Appears in Collections:Doutorado em Modelagem Computacional (Teses)



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