Штучні нейронні мереж

БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Штучні нейронні мереж

Штучні нейронні мереж

6

23

Реферат

Штучні нейронні мережі

Вступ

Про роботу мозку в даний час відомо дуже мало, тому штучні нейронні мережі (neural networks) є надзвичайно спрощеною моделлю біологічних нейронних мереж. Особливістю нейромереж (neuronet) є те, що вони навчаються, а не програмуються.

1. Біологічні нейронні мережі

Нервова система людини побудована з елементів (нейронів), має приголомшуючу складність. Близько 1011 нейронів беруть участь в приблизно 1015 передаючих зв'язках, що мають довжину метр і більше. Кожен нейрон володіє багатьма якостями, спільними з іншими елементами тіла, але його унікальною здатністю є прийом, обробка і передача електрохімічних сигналів по нервових шляхах, які утворюють комунікаційну систему мозку.

Рис.1. Біологічний нейрон

На рис. 1 показана структура пари типових біологічних нейронів. Дендрити (входи нейрона) йдуть від тіла нервової клітини до інших нейронів, де вони приймають сигнали в точках з'єднання (синапсах). Прийняті синапсом вхідні сигнали підводяться до тіла нейрона. Тут вони підсумовуються, причому одні входи стимулюють активізацію нейрона, а інші - зниження його активності. Коли сумарна активність (збудження) нейрона перевищує деякий поріг, нейрон переходить в активний стан, посилаючи по аксону (виходу нейрона) сигнал іншим нейронам. У цієї основної функціональної схеми багато спрощень і виключень, проте більшість штучних нейронних мереж моделює лише ці прості властивості.

2. Штучний нейрон

Основними компонентами нейромережі є нейрони /neurons/ (елементи, вузли), які з'єднані зв'язками. Сигнали передаються по зваженим зв'язкам (connection), з кожним з яких пов'язаний ваговий коефіцієнт (weighting coefficient) або вага.

Моделі НМ - програмні і апаратні, найбільш поширені - програмні.

Використання - розпізнавання образів, прогнозування, створення асоціативної пам'яті.

Штучний нейрон імітує в першому наближенні властивості біологічного нейрона. На вхід штучного нейрона поступає множина сигналів, які є виходами інших нейронів. Кожен вхід множиться на відповідну вагу, аналогічну його синаптичній силі, і всі виходи підсумовуються, визначаючи рівень активації нейрона. На рис.2 представлена модель, що реалізує цю ідею. Хоча мережеві парадигми досить різноманітні, в основі майже всіх їх лежить ця конфігурація. Тут множина вхідних сигналів, позначених x1, x2,…, xn, поступає на штучний нейрон. Ці вхідні сигнали, в сукупності позначаються вектором X, відповідають сигналам, що приходять в синапси біологічного нейрона. Кожен сигнал множиться на відповідну вагу w1, w2,…, wn, і поступає сумуючий блок, позначений У. Кожна вага відповідає «силі» одного біологічного синаптичного зв'язку (множина ваг в сукупності позначається вектором W). Сумуючий блок, який відповідає тілу біологічного нейрона, складає зважені входи алгебраїчно, створюючи вихід, який ми називатимемо NET. У векторних позначеннях це може бути компактно записано таким чином

NET = XW.

Рис.2. Штучний нейрон

3. Активіаційні функції

Сигнал NET далі, як правило, перетворюється активаційною функцією F і дає вихідний нейронний сигнал OUT = F(NET). Активаційна функція F(NET) може бути:

1. Пороговою бінарною функцією (рис.3а)

,

де Т - деяка постійна порогова величина, або ж функція, що точніше моделює нелінійну передавальну характеристику біологічного нейрона.

2. Лінійною обмеженою функцією (рис.3б)

.

Функцією гіперболічного тангенса (рис.3в)

.

де С > 0 - коефіцієнт ширини сигмоїди по осі абсцис (звичайно С=1).

4. Сигмоїдною (S-подібною) або логістичною функцією (рис.3г)

,

З виразу для сигмоїда очевидно, що вихідне значення нейрона лежить в діапазоні [0,1] (рис.4). Популярність сигмоїдної функції зумовлюють наступні її властивості:

· здатність підсилювати слабкі сигнали сильніше, ніж великі, і опиратися „насиченню” від потужних сигналів;

· монотонність і диференційованість на всій осі абсцис;

· простий вираз для похідної

,

що дає можливість використовувати широкий спектр оптимізаційних алгоритмів.

В штучному нейроні з активізаційною функцією (рис.5) блок, позначений F, приймає сигнал NET і видає сигнал OUT. Якщо блок F звужує діапазон зміни величини NET так, що при будь-яких значеннях NET значення OUT належать деякому кінцевому інтервалу, то F називається «стискаючою» функцією. Як «стискаюча» функція часто використовується сигмоїдна функція.

а) б)

в) г)

Рис. Вид функцій активації: а) порогова бінарна функція; б) лінійна обмежена функція; в) гиперболічний тангенс; г) сигмоїд

Рис.4. Сигмоїдальна активіаційна функція для С=1

Рис.5. Штучний нейрон з активіаційною функцією F

4. Одношарові нейронні мережі

Хоча один нейрон і здатний виконувати прості процедури розпізнавання, сила нейронних обчислень виникає від з'єднань нейронів в мережах. Проста мережа складається з групи нейронів, створюючих шар, як показано в правій частині рис.6. Відзначимо, що вершини-круги зліва служать лише для розподілу вхідних сигналів. Вони не виконують будь-яких обчислень, і тому не вважатимуться шаром. З цієї причини вони позначені кругами, щоб відрізняти їх від обчислюючих нейронів, позначених квадратами. Кожен елемент з множини входів Х окремою вагою сполучений з кожним штучним нейроном. Кожен нейрон видає зважену суму входів в мережу. У штучних і біологічних мережах багато з'єднань можуть бути відсутніми, можуть мати місце також з'єднання між виходами і входами елементів в шарі.

Рис.6. Одношарова НМ

Зручно вважати вагу елементами матриці W. Матриця має m рядків і n стовпців, де m - число входів, а n - число нейронів. Наприклад, w3,2 - це вага, що пов'язує третій вхід з другим нейроном. Таким чином, обчислення вихідного вектора Y, компонентами якого є виходи OUT нейронів, зводиться до матричного множення Y = XW, де Y і Х - вектори-рядки.

6

23