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1 | Hopfield Networks | |||||||||||||||||||||||||
2 | Plus and Minus Sign Recognition | |||||||||||||||||||||||||
3 | M. Ali Yousuf | |||||||||||||||||||||||||
4 | First version: circa 1998. Last updated: June 17, 2025 | |||||||||||||||||||||||||
5 | https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2024/hopfield/facts/ | |||||||||||||||||||||||||
6 | ||||||||||||||||||||||||||
7 | Let's look at two simple patterns (a plus sign and a minus sign) | |||||||||||||||||||||||||
8 | ||||||||||||||||||||||||||
9 | -1 | 1 | -1 | |||||||||||||||||||||||
10 | V+ = | 1 | 1 | 1 | V+ = | -1 | 1 | -1 | 1 | 1 | 1 | -1 | 1 | -1 | ||||||||||||
11 | -1 | 1 | -1 | |||||||||||||||||||||||
12 | ||||||||||||||||||||||||||
13 | -1 | -1 | -1 | |||||||||||||||||||||||
14 | V- = | 1 | 1 | 1 | V- = | -1 | -1 | -1 | 1 | 1 | 1 | -1 | -1 | -1 | ||||||||||||
15 | -1 | -1 | -1 | |||||||||||||||||||||||
16 | ||||||||||||||||||||||||||
17 | So | |||||||||||||||||||||||||
18 | = | -1 | ||||||||||||||||||||||||
19 | and | |||||||||||||||||||||||||
20 | ||||||||||||||||||||||||||
21 | = | 1 | ||||||||||||||||||||||||
22 | ||||||||||||||||||||||||||
23 | Claim: The following matrix can recall these two patterns, even if they are noisy | |||||||||||||||||||||||||
24 | ||||||||||||||||||||||||||
25 | ||||||||||||||||||||||||||
26 | 2 | 0 | 2 | -2 | -2 | -2 | 2 | 0 | 2 | |||||||||||||||||
27 | 0 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 | 0 | |||||||||||||||||
28 | 2 | 0 | 2 | -2 | -2 | -2 | 2 | 0 | 2 | |||||||||||||||||
29 | M = | -2 | 0 | -2 | 2 | 2 | 2 | -2 | 0 | -2 | ||||||||||||||||
30 | -2 | 0 | -2 | 2 | 2 | 2 | -2 | 0 | -2 | |||||||||||||||||
31 | -2 | 0 | -2 | 2 | 2 | 2 | -2 | 0 | -2 | |||||||||||||||||
32 | 2 | 0 | 2 | -2 | -2 | -2 | 2 | 0 | 2 | |||||||||||||||||
33 | 0 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 | 0 | |||||||||||||||||
34 | 2 | 0 | 2 | -2 | -2 | -2 | 2 | 0 | 2 | |||||||||||||||||
35 | ||||||||||||||||||||||||||
36 | ||||||||||||||||||||||||||
37 | Now lets try a new (noisy) vector and see if we can recover the true pattern. | |||||||||||||||||||||||||
38 | ||||||||||||||||||||||||||
39 | 1 | -1 | -1 | |||||||||||||||||||||||
40 | 1 | 1 | 1 | T = | 1 | -1 | -1 | 1 | 1 | 1 | -1 | -1 | -1 | |||||||||||||
41 | -1 | -1 | -1 | |||||||||||||||||||||||
42 | ||||||||||||||||||||||||||
43 | ||||||||||||||||||||||||||
44 | We are going to calculate the matrix product: MT | |||||||||||||||||||||||||
45 | (The Threshold is 0, anything greater than 0 is one) | |||||||||||||||||||||||||
46 | ||||||||||||||||||||||||||
47 | 2 | 0 | 2 | -2 | -2 | -2 | 2 | 0 | 2 | 1 | -10 | -1 | ||||||||||||||
48 | 0 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 | 0 | -1 | -4 | -1 | ||||||||||||||
49 | 2 | 0 | 2 | -2 | -2 | -2 | 2 | 0 | 2 | -1 | -10 | -1 | ||||||||||||||
50 | -2 | 0 | -2 | 2 | 2 | 2 | -2 | 0 | -2 | X | 1 | 10 | 1 | -1 | -1 | -1 | ||||||||||
51 | -2 | 0 | -2 | 2 | 2 | 2 | -2 | 0 | -2 | 1 | = | 10 | --> | 1 | --> | 1 | 1 | 1 | ||||||||
52 | -2 | 0 | -2 | 2 | 2 | 2 | -2 | 0 | -2 | 1 | 10 | 1 | -1 | -1 | -1 | |||||||||||
53 | 2 | 0 | 2 | -2 | -2 | -2 | 2 | 0 | 2 | -1 | -10 | -1 | ||||||||||||||
54 | 0 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 | 0 | -1 | -4 | -1 | ||||||||||||||
55 | 2 | 0 | 2 | -2 | -2 | -2 | 2 | 0 | 2 | -1 | -10 | -1 | ||||||||||||||
56 | ||||||||||||||||||||||||||
57 | i.e., a minus sign | |||||||||||||||||||||||||
58 | ||||||||||||||||||||||||||
59 | It is easy to check that we can recover the original vectors also: | |||||||||||||||||||||||||
60 | V+ | |||||||||||||||||||||||||
61 | 2 | 0 | 2 | -2 | -2 | -2 | 2 | 0 | 2 | -1 | -14 | -1 | ||||||||||||||
62 | 0 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 | 0 | 1 | 4 | 1 | ||||||||||||||
63 | 2 | 0 | 2 | -2 | -2 | -2 | 2 | 0 | 2 | -1 | -14 | -1 | ||||||||||||||
64 | -2 | 0 | -2 | 2 | 2 | 2 | -2 | 0 | -2 | 1 | 14 | 1 | -1 | 1 | -1 | |||||||||||
65 | -2 | 0 | -2 | 2 | 2 | 2 | -2 | 0 | -2 | 1 | = | 14 | --> | 1 | 1 | 1 | 1 | |||||||||
66 | -2 | 0 | -2 | 2 | 2 | 2 | -2 | 0 | -2 | 1 | 14 | 1 | -1 | 1 | -1 | |||||||||||
67 | 2 | 0 | 2 | -2 | -2 | -2 | 2 | 0 | 2 | -1 | -14 | -1 | ||||||||||||||
68 | 0 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 | 0 | 1 | 4 | 1 | ||||||||||||||
69 | 2 | 0 | 2 | -2 | -2 | -2 | 2 | 0 | 2 | -1 | -14 | -1 | ||||||||||||||
70 | ||||||||||||||||||||||||||
71 | and | V- | ||||||||||||||||||||||||
72 | 2 | 0 | 2 | -2 | -2 | -2 | 2 | 0 | 2 | -1 | -14 | -1 | ||||||||||||||
73 | 0 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 | 0 | -1 | -4 | -1 | ||||||||||||||
74 | 2 | 0 | 2 | -2 | -2 | -2 | 2 | 0 | 2 | -1 | -14 | -1 | ||||||||||||||
75 | -2 | 0 | -2 | 2 | 2 | 2 | -2 | 0 | -2 | 1 | 14 | 1 | -1 | -1 | -1 | |||||||||||
76 | -2 | 0 | -2 | 2 | 2 | 2 | -2 | 0 | -2 | 1 | = | 14 | --> | 1 | 1 | 1 | 1 | |||||||||
77 | -2 | 0 | -2 | 2 | 2 | 2 | -2 | 0 | -2 | 1 | 14 | 1 | -1 | -1 | -1 | |||||||||||
78 | 2 | 0 | 2 | -2 | -2 | -2 | 2 | 0 | 2 | -1 | -14 | -1 | ||||||||||||||
79 | 0 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 | 0 | -1 | -4 | -1 | ||||||||||||||
80 | 2 | 0 | 2 | -2 | -2 | -2 | 2 | 0 | 2 | -1 | -14 | -1 | ||||||||||||||
81 | ||||||||||||||||||||||||||
82 | Try a distorted minus sign | |||||||||||||||||||||||||
83 | ||||||||||||||||||||||||||
84 | -1 | -1 | -1 | |||||||||||||||||||||||
85 | 1 | 1 | -1 | T = | -1 | -1 | -1 | 1 | 1 | -1 | -1 | -1 | -1 | |||||||||||||
86 | -1 | -1 | -1 | |||||||||||||||||||||||
87 | ||||||||||||||||||||||||||
88 | 2 | 0 | 2 | -2 | -2 | -2 | 2 | 0 | 2 | -1 | -10 | -1 | ||||||||||||||
89 | 0 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 | 0 | -1 | -4 | -1 | ||||||||||||||
90 | 2 | 0 | 2 | -2 | -2 | -2 | 2 | 0 | 2 | -1 | -10 | -1 | ||||||||||||||
91 | -2 | 0 | -2 | 2 | 2 | 2 | -2 | 0 | -2 | 1 | 10 | 1 | -1 | -1 | -1 | |||||||||||
92 | -2 | 0 | -2 | 2 | 2 | 2 | -2 | 0 | -2 | 1 | = | 10 | --> | 1 | 1 | 1 | 1 | |||||||||
93 | -2 | 0 | -2 | 2 | 2 | 2 | -2 | 0 | -2 | -1 | 10 | 1 | -1 | -1 | -1 | |||||||||||
94 | 2 | 0 | 2 | -2 | -2 | -2 | 2 | 0 | 2 | -1 | -10 | -1 | ||||||||||||||
95 | 0 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 | 0 | -1 | -4 | -1 | ||||||||||||||
96 | 2 | 0 | 2 | -2 | -2 | -2 | 2 | 0 | 2 | -1 | -10 | -1 | ||||||||||||||
97 | ||||||||||||||||||||||||||
98 | ||||||||||||||||||||||||||
99 | Lets try the inverse of a minus sign | |||||||||||||||||||||||||
100 | ||||||||||||||||||||||||||