物の動きを読む数理(「統計的な考え方」を利用した超音波技術)

<物の動きを読む数理

     -情報量規準AIC導入の歴史->

 

「第22回京都賞記念講演会」 2006年11月11日(土)午後1時~4時30分

赤池 弘次 (Hirotugu Akaike)

日本 / 1927年11月5日(78歳)

統計数理学者、統計数理研究所名誉教授

 

「情報量規準AICの提唱による

統計科学・モデリングへの多大な貢献」

 

情報数理の基礎概念に基づく、

実用性と汎用性の両方を兼ね備えた、

 統計モデル選択のための規準

Akaike Information Criterion(AIC) の提唱により、

データの世界とモデルの世界を結びつける

新しいパラダイムを打ち立て、

情報・統計科学への多大な貢献をした。

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講演 赤池弘次博士 (基礎科学部門 受賞者)

 

以下講演メモ

「なっとくがいくまで考え続けることが大切」

実用性と汎用性

知識を有機的に利用することの有効性を体感

自他の生命の尊重が道徳の基本と認識して安心

時間とともに変動する現象の解明を目指す -> AIC

予測 -> 確率-> 期待値-> 行動決定の目安

数が増えると統計が確率になる

温故知新

生み出す仕組み(モデル)

データを利用してモデルを特定

生糸工場の解析(異常の判断)

不規則振動の解析( パワースペクトル いすゞ自動車 )

システム特性の測定(運輸省 自動車・船・建物

プログラム作成:1964年 世界的に先駆的)

セメント解析(秩父セメント)

複雑なものの制御

システムの特性を求めたいが難しかった(理論:カルマン 伊藤清 他)

変動が大きな実プロセスでは実用化は困難

モデルの次数の評価法

->実用化(セメント 1972年 TIMSAC

            1991年に高い評価を得る)

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火力発電所例

水量・燃料・空気 の調節  5Fビル

ARモデルの効果

現場が評価する発言

実プロセスは日本から(例 世界のボイラーへの利用)

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一般のモデルの誤差?

尤度(ゆうど)

もっともらしさは確率ではない

過去から現在:確率

現在から過去を見る:ゆうど

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真理への近さ・遠さを情報量で測定できる

モデルの調整

AICの必要性(AICが小さいものが良い)

1971年 -> 1992年 統計学の理論的貢献掲載の書物に掲載

1974年 応用分野からの積極的な反応

哲学者の反応

     哲学              AIC

  オッカムのかみそり      パラメータ2

     仮説の提案         モデルP

      真理             推論

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新しいモデルの開発

モデルを自由に作る

ベイズ・モデル

パラメータの分布

客観・主観->ベイズを徹底的に調べる

->!!!単に一つのモデルに過ぎない

ベイズモデルの実用化

経済モデル

地球物理観測

・・・

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具体的な問題に具体的な方法を考える

問題をとこうとする目的意識とこれを追求する粘りが実現

研究者の意欲と粘りは目覚しかった

AICが生まれた

やろうとしたら目的を明確にして粘り続ける

参考 http://www.ism.ac.jp/akaikememorial/index.html

液温・溶存酸素濃度・超音波の関係性(統計解析事例)

統計 的思 考 と統 計 モ デル の利 用(情報量基準を利用して)

1)各種の基礎技術(注)に基づいて、対象に関する、

D1=客観的知識(学術的論理に裏付けられた超音波理論

D2=経験的知識(これまでの結果

D3=観測データ現実の状態)

からなる 「情報データ群 」、

DS=(D1,D2,D3) を明確に認識し

その組織的利用から複数のモデル案を作成する

2)統計的思考法を、

情報データ群(DS)の構成と、

それに基づくモデルの提案と検証の繰り返し

によって情報獲得を実現する思考法と捉える

3) AIC の利用により、様々なモデルの比較を行い、最適なモデルを決定する

4) 作成したモデルに基づいて超音波システムを構築する

5) 時間と効率を考え、以下のように対応することを提案します

5-1)「論理モデル作成事項(効果的な超音波技術について)」を考慮して

「直感によるモデル」を作成し複数の人が検討する

5-2)実状のデータや新たな情報によりモデルを修正・検討する

5-3)検討メンバーが合意できるモデルにより

装置やシステムの具体的打ち合わせに入る

上記の参考資料

ダイナミックシステムの統計的解析と制御

:赤池弘次/共著 中川東一郎/共著:サイエンス社

生体のゆらぎとリズム コンピュータ解析入門

:和田孝雄/著:講談社

AIC:赤池情報量規準

(Akaike Information Criterion 統計モデルの相対的評価)

考え方(全体を貫く基本的な概念):

 多くの真実らしき断片を見据え、その奥にある統一的メカニズムを描像する。

<統計的な考え方について>

統計数理は以下のように考えられています

統計的な物の見方というのは、

1)我々がどのように自分が持っている知識や情報を

  利用しようとするのかと言うことに関係する

(すなわち、主観的な発想に基づいている

2)具体的な経験・知識に基づいた心の枠組みで考える

(すなわち、具体的である

3)物事の量的な特性に対するいろいろな考え方が豊かになっていく展開

(すなわち、抽象的である

まとめ

統計数理には、抽象的な性格と具体的な性格の二面があり、

具体的なものとの接触を通じて

  抽象的な考えあるいは方法が発展させられていく、

これが統計数理の特質である

<参考>

通信の数学的理論  http://ultrasonic-labo.com/?p=1350

音色と超音波  http://ultrasonic-labo.com/?p=1082

モノイドの圏  http://ultrasonic-labo.com/?p=1311

超音波の研究について

キャビテーションの効果を安定させるには統計的な見方が不可欠

超音波洗浄にとっては、

目的に適した表面の実現が問題で、

単純な洗浄評価よりは更に詳しく

利用目的における評価・トラブル・・・の

安定性・ばらつきが問題になります。

この場合は目標を目指しての一回の洗浄プロセスの効果として

その関連データを測り、その散らばり(分布)について確率を求めます。

対象の中で特定の特性を持つ物の数を表す数値は

古くから統計と呼ばれて来ています。

そこで、多数の結果の中で一定の値

(正確にはその近傍の値)が現れる確率を検討する方法を

統計的な見方と呼びます。

超音波洗浄の改善・効果を考える場合には、

洗浄の結果・評価(数値化)の方向と

効果(不具合やトラブル・・の改善)についての

統計的な検討が必要になります。

ここまでの話は常識的なものですが、

ここから更に一歩踏み込んで洗浄の動き自体の検討に進みます。

この場合は、効果的な洗浄事例に従ったりして

その結果を統計的に確認するという方法だけではなく、

洗浄を生み出す条件<洗浄物・数量・洗浄時間・・・>と

超音波の動きの構造<音圧・変化・キャビテーション・・・>を

数値・図形・・・で捉えることが必要になります。

ところが、洗浄を生み出すシステムの仕組みは、

社会の仕組みのように無数の部分の繋がりで出来上がっています。

この複雑なシステムの動きを、

その構成部分の動きの総和として捉えようとするのが統計的な見方です。

この場合、最終的には超音波の洗浄物への動きを生み出すための

単純化したイメージが必要になります。

このイメージの構築の基本要素は、超音波の仕組みの知識と、

これまで強調して来た最終的な超音波洗浄に関する動きの目的意識です。

これらによって試行錯誤的にイメージの改善を進めることになります。

こんな面倒な話は聞きたくもないと思うかも知れませんが、

「天は自らを助けるものを助ける」と言うように、

超音波洗浄は人から教えられるものだけでは不十分で、

自分で考えて仕上げることが不可欠です。

その場合に「統計的な見方の有効利用」が成功へのキーワードになります。

参考

 故赤池弘次先生記念ウェブサイト

 http://www.ism.ac.jp/akaikememorial/index.html

 故赤池弘次先生ブログ

 http://ameblo.jp/linear/

赤池弘次(京都賞2006受賞者)からのメッセージ

  http://youtu.be/QAugnlK74Tw

「好きなことを徹底してやりぬけば、誰でも創造性を発揮できる

超音波システム研究所のオリジナル技術資料を提供

     http://ultrasonic-labo.com/?p=2098

超音波の音圧測定装置(超音波テスター)資料を公開

    http://ultrasonic-labo.com/?p=1905

超音波(論理モデルに関する)研究開発資料の公開

 http://ultrasonic-labo.com/?p=1716

超音波の洗浄・攪拌・加工に関する「論理モデル」

 http://ultrasonic-labo.com/?p=3963

新しい超音波(測定・解析・制御)技術

 http://ultrasonic-labo.com/?p=1454

シャノンのジャグリング定理を応用

 http://ultrasonic-labo.com/?p=1753

参考

1)超音波洗浄器(基礎実験・確認)

超音波洗浄器の利用技術
http://ultrasonic-labo.com/?p=1318

超音波洗浄器の利用技術 No.2
http://ultrasonic-labo.com/?p=1060

超音波洗浄器(42kHz)による<メガヘルツの超音波洗浄>技術を開発
http://ultrasonic-labo.com/?p=1879

2)超音波利用(応用技術・ノウハウ)

超音波振動子の設置方法による、超音波制御技術
http://ultrasonic-labo.com/?p=1487

推奨する「超音波(発振機、振動子)」
http://ultrasonic-labo.com/?p=1798

超音波専用水槽の設計・製造技術を開発
http://ultrasonic-labo.com/?p=1439

超音波のダイナミック制御技術を開発
http://ultrasonic-labo.com/?p=2015

超音波洗浄システムを最適化する方法
http://ultrasonic-labo.com/?p=2710

「超音波の非線形現象」を利用する技術を開発
http://ultrasonic-labo.com/?p=1328

3)超音波測定(音圧測定・解析・評価)

音圧測定装置(超音波テスター)の標準タイプ
http://ultrasonic-labo.com/?p=1722

音圧測定装置(超音波テスター)の特別タイプ
http://ultrasonic-labo.com/?p=1736

超音波計測の特別システムをオーダーメイド対応
http://ultrasonic-labo.com/?p=1972
http://ultrasonic-labo.com/?p=1962
http://ultrasonic-labo.com/?p=1953
http://ultrasonic-labo.com/?p=1915

超音波機器の<計測・解析・評価>(出張)サービス
http://ultrasonic-labo.com/?p=1934

超音波<計測・解析>事例
http://ultrasonic-labo.com/?p=1705

 

発明的創造の心理学について

http://ultrasonic-labo.com/?p=1944

 

http://youtu.be/kEtYSMongFo

http://youtu.be/IClPosabdVc

http://youtu.be/_DG-pAi5BWY

http://youtu.be/pM6-TcdBW9Q

http://youtu.be/_2WCzXzI6s0

http://youtu.be/pHY5xuxBj5U

 

http://youtu.be/8yvYOnUkdMw

http://youtu.be/sVboyzvNY-s

http://youtu.be/ev5LTW43VC0

 

 

http://youtu.be/trtwwPxVTCk

http://youtu.be/yvMucD8YB9U

http://youtu.be/3oEcFd1q7qE

統計的な考え方>を利用した「超音波技術」

http://youtu.be/yg4Dz7FoMng

http://youtu.be/qXohr26cVJc

http://youtu.be/ESK1cJ97Zs4

http://youtu.be/GOejlBgvrcU

http://youtu.be/XFA5ydSajyQ

http://youtu.be/fv_ijYvqoaU

http://youtu.be/nXMsI5sNst4

http://youtu.be/GxgtbzyiXPU

http://youtu.be/YWrpdBIplFs

http://youtu.be/UG3Tf0V_wtY

http://youtu.be/-mVGJmlwGHg

http://youtu.be/UG3Tf0V_wtY

http://youtu.be/sHnoqiY6Y64

http://youtu.be/iQIbd9k0sDg

超音波プローブ実験(表面検査技術)

http://youtu.be/Te_ACjMjyMI

http://youtu.be/Uubge-RgRQk

http://youtu.be/XCUP__rcsnE

http://youtu.be/ocYiPRyRhlw

 

<超音波のダイナミックシステム

http://youtu.be/RF7wuI6juGY

http://youtu.be/tfN92tDDigc

 

 

<<表面の音響特性>>

http://youtu.be/tYQey1yEHMc

http://youtu.be/VJSnrJVbRqQ

http://youtu.be/YnuaYTyPoRQ

http://youtu.be/odJhm8iyxwk

http://youtu.be/94FJTY4OU2U

http://youtu.be/YREQFlvE3BM

http://youtu.be/EQHt-Ye1QuY

http://youtu.be/EDzRR2HIicc

http://youtu.be/srtt9sB3QvI

http://youtu.be/sNCkUVASWQ8

http://youtu.be/wj4FPz6ck7c

http://youtu.be/LJgkhIUboQk

http://youtu.be/seEv_5ay14E

http://youtu.be/hUI1LDVLrHs

http://youtu.be/KrmilHHZcvo

http://youtu.be/z70zR6Lej4U

http://youtu.be/_jRTEmz802o

http://youtu.be/_SkeYvO_Buo

http://youtu.be/ZtHYhsMwOMw

http://youtu.be/mYEDrKWT1pc

http://youtu.be/jhsLv2liAWo

http://youtu.be/R7nm0XliBSg

http://youtu.be/Sit4N5-OfDs

http://youtu.be/_Y4axvvT00U

http://youtu.be/gGbQtEdEbJ4

http://youtu.be/Dc1EEU2zMgA

<<音圧測定>>

http://youtu.be/-htxNTYAUNc

http://youtu.be/WP71iGrXI70

http://youtu.be/fBSbY30ni_g

http://youtu.be/R0PStLXUkFQ

http://youtu.be/Y7h-K80jk8I

http://youtu.be/0824_GBFvMA

http://youtu.be/VCoBDDoMZKQ

http://youtu.be/qt-M_PU3hoQ

http://youtu.be/3KYuYH_gEVI

http://youtu.be/qayUXhfEhBQ

http://youtu.be/MzBdjSuCCPo

http://youtu.be/_I7eoQbzKw8

http://youtu.be/j4ueBO5upvc

http://youtu.be/58iOcNvpDx8

http://youtu.be/Fvtm0hkly1g

<<音響流の利用技術>>

1)2種類の超音波を利用した洗浄
2)流水式超音波洗浄(超音波シャワー)
3)表面を伝搬する高調波(1MHz以上)の利用
4)ガラス・樹脂・ステンレス・・各種容器の音響特性を利用
5)キャビテーションと定在波の最適化(音圧測定解析)を利用
6)その他(非線形現象、相互作用・・)
 流れる水に超音波を伝搬させ、
 シャワー状にして洗浄対象を洗浄する・・・

以下動画は、上記に関する基礎実験の様子です

<<参考動画>>

https://youtu.be/OgDsP8iPNeI

https://youtu.be/50SnY3pRaz0

https://youtu.be/rn_Os_xWL50

https://youtu.be/Yd4K8D1DIQc

https://youtu.be/Y3MhcRSn_T4

https://youtu.be/zPW7i4LHB70

https://youtu.be/aYiXDJ3IivQ

https://youtu.be/U9OrXnnHZy0

https://youtu.be/J3GRQ8-8nuk

https://youtu.be/NJvy6vcFLk8

https://youtu.be/meA2Yng4Ujo

https://youtu.be/BL8s9M0kVmA

https://youtu.be/Eehd4QY86sw

数理統計に基づいて

 超音波のダイナミック特性を解析・評価する技術を開発

超音波システム研究所は、
 最大エントロピースペクトルアレイ法(MESAM)を参考に
 超音波の非線形性に関する
 「測定・解析・制御」技術を応用した、
 超音波のダイナミック特性を
 解析・評価する技術を開発しました。

超音波テスターを利用したこれまでの
計測・解析結果(注)を時系列に整理することで
目的に適した超音波の状態を示す
新しいパラメータになることを確認しました。

注:
 非線形効果
 加速度効果
 定在波の効果
 音響流の効果
 ゆらぎの効果
 相互作用による効果

最大エントロピースペクトルアレイ法(MESAM)を参考に
対象物の音響特性・表面弾性波を考慮した
オリジナル手法を開発することで
詳細な各種効果の関係性について
新しい理解を深めています。

その結果、
キャビテーションの効果について
新しい非線形パラメータが大変有効である事例を確認しています。

特に、洗浄効果に関する事例・・
について良好な確認・制御が実現しています。

<参考>
生体のゆらぎとリズム コンピュータ解析入門:和田孝雄/著:講談社

赤池モデルを臨床にいかす画期的な解説書。
1/fゆらぎ解析に必須かつ難解な赤池モデルと、臨床への応用を懇切丁寧に解説。
生体のダイナミクスに関心をもち臨床デ-タ解析に携わる医学者・工学者待望の書

内容(「MARC」データベースより)
CD-ROM付き〉生体のゆらぎとリズムの時系列解析への入門。
第一線の研究者である著者が、経験した者だけが知る様々な困難点について、
他に類例のないユニークな視点から細部の議論を展開する。

生体のゆらぎとリズム 和田孝雄著
添付されたプログラムの使用方法
*.exe 実行ファイル
*.for フォートランのソースファイル
*.dat データファイル(解析するデータはこのファイル名で設定する)

ARモデル解析
ARBG.EXE SPECTRM.DAT BURG法によるスペクトル解析
ARYW.EXE SPECTRM.DAT YULE-WALKER法によるスペクトル解析
ARHH.EXE SPECTRM.DAT HOUSEHOLDER法によるスペクトル解析
FFTGTZL.EXE SPECTRM.DAT GOERTZEL法によるスペクトル解析

インパルス応答(時間領域での伝達特性
ラプラス変換するとS領域での伝達特性)
周波数伝達関数(周波数領域での伝達特性)
AIRCV2.EXE ARV2.DAT 2変数のインパルス応答
AIRCV3.EXE ARV3.DAT 3変数のインパルス応答

多変量自己解析モデルによるフィードバック解析
ARPCV2.EXE ARV2.DAT 2変数のパワー寄与率
ARPCV3.EXE ARV3.DAT 3変数のパワー寄与率
DETRND2.EXE ARV2.DAT 2変数のトレンド除去
DETRND3.EXE ARV3.DAT 3変数のトレンド除去

その他
COSINOR.EXE SIMAMOTO.DAT コサイナー法

DET8PT.EXE DEFT8PT.DAT  離散フーリエ変換

F1YURAGI.EXE データ無し 1/Fゆらぎ

実行方法
*.EXEファイルを実行すると
*.DATファイルのデータを解析して
*.TXTファイルに結果を出力する

注意:繰り返す場合には*.TXTファイルは削除すること
データを変更する場合は、*.DATファイルのデータを変更する
*.for フォートランのソースファイルを修正して、
実行ファイルを作成すると、連続解析が可能になります

参考動画

https://youtu.be/7PIXDqk6RKQ

https://youtu.be/Mq9brmtat6Y

https://youtu.be/o6_HhgiWEH8

https://youtu.be/dE2mCDL-wGQ

https://youtu.be/VvqM7TvRwMU

https://youtu.be/na4pmADSaIQ

https://youtu.be/XO1D53Q2yks

https://youtu.be/5w_SctUX_ZI

通信の数学的理論
http://ultrasonic-labo.com/?p=1350

音色と超音波
http://ultrasonic-labo.com/?p=1082

モノイドの圏
http://ultrasonic-labo.com/?p=1311

物の動きを読む
http://ultrasonic-labo.com/?p=1074

超音波水槽の新しい液循環システム
http://ultrasonic-labo.com/?p=1271

シャノンのジャグリング定理を応用した
「超音波制御」方法
http://ultrasonic-labo.com/?p=1753

「超音波の非線形現象」を利用する技術
http://ultrasonic-labo.com/?p=1328

超音波による
「金属部品のエッジ処理」技術
http://ultrasonic-labo.com/?p=2894

超音波洗浄機の「流れとかたち・コンストラクタル法則」
http://ultrasonic-labo.com/?p=1779

超音波の「音響流」制御による「表面改質技術」
http://ultrasonic-labo.com/?p=2047

超音波発振・計測・解析システム(超音波テスター)
http://ultrasonic-labo.com/?p=7662

超音波の伝搬状態を利用した部品検査技術
http://ultrasonic-labo.com/?p=3842

表面弾性波の利用技術
http://ultrasonic-labo.com/?p=7665

TIMSAC  http://www.ism.ac.jp/computer_system/software_j.html

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