Основные режимы работы нейронной сети. Нейронные сети: виды, принцип работы и области применения. Как это работало

Сегодня мы начинаем изучать на нашем сайте одну очень интересную тему, а именно нейронные сети . Что это, зачем они нужны, как с ними работать – во всем этом нам еще предстоит разобраться) Теория будет переплетаться с практическими задачами и примерами для упрощения понимания и для того, чтобы можно было наглядно увидеть как работают нейронные сети. Первая статья по традиции будет несколько вводной, но и сегодня мы уже обсудим некоторые важные моменты, которые нам пригодятся в будущем. В общем, давайте приступать!

Изучение и использование искусственных нейронных сетей, в принципе, началось уже достаточно давно – в начале 20 века, но по настоящему широкую известность они получили несколько позже. Связано это, в первую очередь, с тем, что стали появляться продвинутые (для того времени) вычислительные устройства, мощности которых были достаточно велики для работы с искусственными нейронными сетями. По сути, на данный момент можно легко смоделировать нейронную сеть средней сложности на любом персональном компьютере. И мы этим обязательно займемся 😉

Что же из себя представляет нейронная сеть ? А это ясно из названия – сеть представляет из себя совокупность нейронов, соединенных друг с другом определенным образом. Рассмотрим один нейрон:

Представляет из себя элемент, который вычисляет выходной сигнал (по определенному правилу) из совокупности входных сигналов. То есть основная последовательность действий одного нейрона такая:

Прием сигналов от предыдущих элементов сети
Вычисление выходного сигнала
Передача выходного сигнала следующим элементам нейронной сети

Между собой нейроны могут быть соединены абсолютно по-разному, это определяется структурой конкретной сети. Но суть работы нейронной сети остается всегда одной и той же. По совокупности поступающих на вход сети сигналов на выходе формируется выходной сигнал (или несколько выходных сигналов). То есть нейронную сеть упрощенно можно представить в виде черного ящика, у которого есть входы и выходы. А внутри этого ящика сидит огромное количество нейронов 😉

Мы перечислили основные этапы работы сети, теперь давайте остановимся на каждом из них в отдельности.

Комбинирование входных сигналов

Поскольку к каждому нейрону могут приходить несколько входных сигналов, то при моделировании нейронной сети необходимо задать определенное правило комбинирования всех этих сигналов. И довольно-таки часто используется правило суммирования взвешенных значений связей. Что значит взвешенных? Сейчас разберемся…

Каждую связь в сети нейронов можно полностью охарактеризовать при помощи трех факторов:

первый – элемент, от которого исходит связь
второй – элемент, к которую связь направлена
третий – вес связи.

Сейчас нас в большей степени интересует именно третий фактор. Вес связи определяет, будет ли усилен или ослаблен сигнал, передаваемый по данной связи. Если объяснять просто, “на пальцах”, то давайте рассмотрим такой пример:

Выходной сигнал нейрона 1 равен 5. Вес связи между нейронами равен 2. Таким образом, чтобы определить входной сигнал нейрона 2, приходящий от нейрона 1, необходимо умножить значение этого сигнала на вес связи (5*2). Как видите, все очень просто)

А если сигналов много? Правильно! Они все суммируются. В итоге на входе нейрона мы получаем следующее:

В этой формуле – это результат комбинирования всех входных сигналов для нейрона (комбинированный ввод нейрона). – количество элементов, передающих свои выходные сигналы на вход сигнала . А – вес связи, соединяющей нейрон с нейроном . Суммируя все взвешенные входные сигналы, мы получаем комбинированный ввод элемента сети.

Чаще всего структура связей между нейронами представляется в виде матрицы , которую называют весовой матрицей. Элемент матрицы , как и в формуле, определяет вес связи, идущей от элемента к элементу . Для того, чтобы понять как составляются весовые матрицы, давайте рассмотрим простую нейронную сеть:

Такой нейронной сети будет иметь следующий вид:

Например, от второго элемента к третьему идет связь, вес которой равен 3. Смотрим на матрицу, вторая строка, третий столбец – число 3, все верно 😉

С весовыми коэффициентами и комбинированным вводом разобрались, двигаемся дальше.

Функция активности элемента.

С входными сигналами мы разобрались, пришло время выходных. Для каждого элемента сети имеется определенное правило, в соответствии с которым из значения комбинированного ввода элемента вычисляется его выходное значение. Это правило называется функцией активности. А само выходное значение называется активностью нейрона. В роли функций активности могут выступать абсолютно любые математические функции, приведу в качестве примера несколько из наиболее часто использующихся:

пороговая функция – если значение комбинированного ввода ниже определенного значения (порога), то активность равна нулю, если выше – единице.
логистическая функция.

Давайте рассмотрим еще один небольшой пример, который очень часто используется в литературе для объяснения сути работы нейронных сетей. Задача примера заключается в том, чтобы при помощи нейронной сети вычислить отношение XOR. То есть на вход мы будем подавать разные варианты сигналов, а на выходе должны получить результат операции XOR для поданных на вход значений:

Элементы 1 и 2 являются входными, а элемент 7 – выходным. Нейроны 5 и 6 называются скрытыми, поскольку они не связаны с внешней средой. Таким образом, мы получили три слоя – входной, скрытый и выходной. Элементы 3 и 4 называют элементами смещения. Их выходной сигнал (активность) всегда равен 1. Для вычисления комбинированного ввода в этой сети мы будем использовать правило суммирования взвешенных связей, а в качестве функции активности будет выступать пороговая функция. Если комбинированный ввод элемента меньше 0, то активность равна 0, если ввод больше 0, то активность – 1.

Давайте подадим на вход нейрона 1 – единицу, а на вход нейрона 2 – ноль. В этом случае на выходе мы должны получить 1 (0 XOR 1 = 1). Рассчитаем выходное значение вручную для демонстрации работы сети.

Комбинированный ввод элемента 5: = 1 * (-1) + 0 * (-1) + 1 * 1.5 = 0.5.

Активность элемента 5: 1 (0.5 > 0).

Комбинированный ввод элемента 6: = 1 * (-1) + 0 * (-1) + 1 * 0.5 = -0.5.

Активность элемента 6: 0.

Комбинированный ввод элемента 7: = 1 * (1) + 0 * (-1) + 1 * (-0.5) = 0.5.

Активность элемента 7, а в то же время и выходное значение сети равно 1. Что и требовалось доказать =)

Можно попробовать использовать в качестве входных сигналов все возможные значения (0 и 0, 1 и 0, 0 и 1, 1 и 1), на выходе мы всегда будем видеть значение, соответствующее таблице истинности операции XOR. Как видите, сеть работает!

В данном случае все значения весовых коэффициентов нам были известны заранее, но главной особенностью нейронных сетей является то, что они могут сами корректировать значения веса всех связей в процессе обучения сети. Но об обучении нейронных сетей мы поговорим уже в следующей статье и, конечно же, рассмотрим практический пример для закрепления материала. Так что до скорых встреч!

Искусственная нейронная сеть — совокупность нейронов, взаимодействующих друг с другом. Они способны принимать, обрабатывать и создавать данные. Это настолько же сложно представить, как и работу человеческого мозга. Нейронная сеть в нашем мозгу работает для того, чтобы вы сейчас могли это прочитать: наши нейроны распознают буквы и складывают их в слова.

Искусственная нейронная сеть - это подобие мозга. Изначально она программировалась с целью упростить некоторые сложные вычислительные процессы. Сегодня у нейросетей намного больше возможностей. Часть из них находится у вас в смартфоне. Ещё часть уже записала себе в базу, что вы открыли эту статью. Как всё это происходит и для чего, читайте далее.

С чего всё началось

Людям очень хотелось понять, откуда у человека разум и как работает мозг. В середине прошлого века канадский нейропсихолог Дональд Хебб это понял. Хебб изучил взаимодействие нейронов друг с другом, исследовал, по какому принципу они объединяются в группы (по-научному - ансамбли) и предложил первый в науке алгоритм обучения нейронных сетей.

Спустя несколько лет группа американских учёных смоделировала искусственную нейросеть, которая могла отличать фигуры квадратов от остальных фигур.

Как же работает нейросеть?

Исследователи выяснили, нейронная сеть - это совокупность слоёв нейронов, каждый из которых отвечает за распознавание конкретного критерия: формы, цвета, размера, текстуры, звука, громкости и т. д. Год от года в результате миллионов экспериментов и тонн вычислений к простейшей сети добавлялись новые и новые слои нейронов. Они работают по очереди. Например, первый определяет, квадрат или не квадрат, второй понимает, квадрат красный или нет, третий вычисляет размер квадрата и так далее. Не квадраты, не красные и неподходящего размера фигуры попадают в новые группы нейронов и исследуются ими.

Какими бывают нейронные сети и что они умеют

Учёные развили нейронные сети так, что те научились различать сложные изображения, видео, тексты и речь. Типов нейронных сетей сегодня очень много. Они классифицируются в зависимости от архитектуры - наборов параметров данных и веса этих параметров, некой приоритетности. Ниже некоторые из них.

Свёрточные нейросети

Нейроны делятся на группы, каждая группа вычисляет заданную ей характеристику. В 1993 году французский учёный Ян Лекун показал миру LeNet 1 - первую свёрточную нейронную сеть, которая быстро и точно могла распознавать цифры, написанные на бумаге от руки. Смотрите сами:

Сегодня свёрточные нейронные сети используются в основном с мультимедиными целями: они работают с графикой, аудио и видео.

Рекуррентные нейросети

Нейроны последовательно запоминают информацию и строят дальнейшие действия на основе этих данных. В 1997 году немецкие учёные модифицировали простейшие рекуррентные сети до сетей с долгой краткосрочной памятью. На их основе затем были разработаны сети с управляемыми рекуррентными нейронами.

Сегодня с помощью таких сетей пишутся и переводятся тексты, программируются боты, которые ведут осмысленные диалоги с человеком, создаются коды страниц и программ.

Использование такого рода нейросетей - это возможность анализировать и генерировать данные, составлять базы и даже делать прогнозы.

В 2015 году компания SwiftKey выпустила первую в мире клавиатуру, работающую на рекуррентной нейросети с управляемыми нейронами. Тогда система выдавала подсказки в процессе набранного текста на основе последних введённых слов. В прошлом году разработчики обучили нейросеть изучать контекст набираемого текста, и подсказки стали осмысленными и полезными:

Комбинированные нейросети (свёрточные + рекуррентные)

Такие нейронные сети способны понимать, что находится на изображении, и описывать это. И наоборот: рисовать изображения по описанию. Ярчайший пример продемонстрировал Кайл Макдональд, взяв нейронную сеть на прогулку по Амстердаму. Сеть мгновенно определяла, что находится перед ней. И практически всегда точно:

Нейросети постоянно самообучаются. Благодаря этому процессу:

1. Skype внедрил возможность синхронного перевода уже для 10 языков. Среди которых, на минуточку, есть русский и японский - одни из самых сложных в мире. Конечно, качество перевода требует серьёзной доработки, но сам факт того, что уже сейчас вы можете общаться с коллегами из Японии по-русски и быть уверенными, что вас поймут, вдохновляет.

2. Яндекс на базе нейронных сетей создал два поисковых алгоритма: «Палех» и «Королёв». Первый помогал найти максимально релевантные сайты для низкочастотных запросов. «Палех» изучал заголовки страниц и сопоставлял их смысл со смыслом запросов. На основе «Палеха» появился «Королёв». Этот алгоритм оценивает не только заголовок, но и весь текстовый контент страницы. Поиск становится всё точнее, а владельцы сайтов разумнее начинают подходить к наполнению страниц.

3. Коллеги сеошников из Яндекса создали музыкальную нейросеть: она сочиняет стихи и пишет музыку. Нейрогруппа символично называется Neurona, и у неё уже есть первый альбом:

4. У Google Inbox с помощью нейросетей осуществляется ответ на сообщение. Развитие технологий идет полный ходом, и сегодня сеть уже изучает переписку и генерирует возможные варианты ответа. Можно не тратить время на печать и не бояться забыть какую-нибудь важную договорённость.

5. YouTube использует нейронные сети для ранжирования роликов, причём сразу по двум принципам: одна нейронная сеть изучает ролики и реакции аудитории на них, другая проводит исследование пользователей и их предпочтений. Именно поэтому рекомендации YouTube всегда в тему.

6. Facebook активно работает над DeepText AI - программой для коммуникаций, которая понимает жаргон и чистит чатики от обсценной лексики.

7. Приложения вроде Prisma и Fabby, созданные на нейросетях, создают изображения и видео:

Colorize восстанавливает цвета на чёрно-белых фото (удивите бабушку!).

MakeUp Plus подбирает для девушек идеальную помаду из реального ассортимента реальных брендов: Bobbi Brown, Clinique, Lancome и YSL уже в деле.

8. Apple и Microsoft постоянно апгрейдят свои нейронные Siri и Contana. Пока они только исполняют наши приказы, но уже в ближайшем будущем начнут проявлять инициативу: давать рекомендации и предугадывать наши желания.

А что ещё нас ждет в будущем?

Самообучающиеся нейросети могут заменить людей: начнут с копирайтеров и корректоров. Уже сейчас роботы создают тексты со смыслом и без ошибок. И делают это значительно быстрее людей. Продолжат с сотрудниками кол-центров, техподдержки, модераторами и администраторами пабликов в соцсетях. Нейронные сети уже умеют учить скрипт и воспроизводить его голосом. А что в других сферах?

Аграрный сектор

Нейросеть внедрят в спецтехнику. Комбайны будут автопилотироваться, сканировать растения и изучать почву, передавая данные нейросети. Она будет решать - полить, удобрить или опрыскать от вредителей. Вместо пары десятков рабочих понадобятся от силы два специалиста: контролирующий и технический.

Медицина

В Microsoft сейчас активно работают над созданием лекарства от рака. Учёные занимаются биопрограммированием - пытаются оцифрить процесс возникновения и развития опухолей. Когда всё получится, программисты смогут найти способ заблокировать такой процесс, по аналогии будет создано лекарство.

Маркетинг

Маркетинг максимально персонализируется. Уже сейчас нейросети за секунды могут определить, какому пользователю, какой контент и по какой цене показать. В дальнейшем участие маркетолога в процессе сведётся к минимуму: нейросети будут предсказывать запросы на основе данных о поведении пользователя, сканировать рынок и выдавать наиболее подходящие предложения к тому моменту, как только человек задумается о покупке.

Ecommerce

Ecommerce будет внедрён повсеместно. Уже не потребуется переходить в интернет-магазин по ссылке: вы сможете купить всё там, где видите, в один клик. Например, читаете вы эту статью через несколько лет. Очень вам нравится помада на скрине из приложения MakeUp Plus (см. выше). Вы кликаете на неё и попадаете сразу в корзину. Или смотрите видео про последнюю модель Hololens (очки смешанной реальности) и тут же оформляете заказ прямо из YouTube.

Едва ли не в каждой области будут цениться специалисты со знанием или хотя бы пониманием устройства нейросетей, машинного обучения и систем искусственного интеллекта. Мы будем существовать с роботами бок о бок. И чем больше мы о них знаем, тем спокойнее нам будет жить.

P. S. Зинаида Фолс - нейронная сеть Яндекса, пишущая стихи. Оцените произведение, которое машина написала, обучившись на Маяковском (орфография и пунктуация сохранены):

« Это »

это
всего навсего
что-то
в будущем
и мощь
у того человека
есть на свете все или нет
это кровьа вокруг
по рукам
жиреет
слава у
земли
с треском в клюве

Впечатляет, правда?

17.04.1997 Жианчанг Мао, Энил Джейн

Интеллектуальные системы на основе искусственных нейронных сетей позволяют с успехом решать проблемы распознавания образов, выполнения прогнозов, оптимизации, ассоциативной памяти и управления. Известны и иные, более традиционные подходы к решению этих проблем, однако они не обладают необходимой гибкостью за пределами ограниченных условий. ИНС дают многообещающие альтернативные решения, и многие приложения выигрывают от их использования.

Интеллектуальные системы на основе искусственных нейронных сетей (ИНС) позволяют с успехом решать проблемы распознавания образов, выполнения прогнозов, оптимизации, ассоциативной памяти и управления. Известны и иные, более традиционные подходы к решению этих проблем, однако они не обладают необходимой гибкостью за пределами ограниченных условий. ИНС дают многообещающие альтернативные решения, и многие приложения выигрывают от их использования. Данная статья является введением в современную проблематику ИНС и содержит обсуждение причин их стремительного развития. Здесь описаны также основные принципы работы биологического нейрона и его искусственной вычислительной модели. Несколько слов будет сказано о нейросетевых архитектурах и процессах обучения ИНС. Венчает статью знакомство с проблемой распознавания текста - наиболее успешной реализацией ИНС.

Длительный период эволюции придал мозгу человека много качеств, которые отсутствуют как в машинах с архитектурой фон Неймана, так и в современных параллельных компьютерах. К ним относятся:

массовый параллелизм;
распределенное представление информации и вычисления;
способность к обучению и способность к обобщению;
адаптивность;
свойство контекстуальной обработки информации;
толерантность к ошибкам;
низкое энергопотребление.

Можно предположить, что приборы, построенные на тех же принципах, что и биологические нейроны, будут обладать перечисленными характеристиками.

От биологических сетей к ИНС

Современные цифровые вычислительные машины превосходят человека по способности производить числовые и символьные вычисления. Однако человек может без усилий решать сложные задачи восприятия внешних данных (например, узнавание человека в толпе только по его промелькнувшему лицу) с такой скоростью и точностью, что мощнейший в мире компьютер по сравнению с ним кажется безнадежным тугодумом. В чем причина столь значительного различия в их производительности? Архитектура биологической нейронной системы совершенно не похожа на архитектуру машины фон Неймана (Таблица 1), существенно влияет на типы функций, которые более эффективно исполняются каждой моделью.

Таблица 1. Машина фон Неймана по сравнению с биологической нейронной системой

	Машина фон Неймана	Биологическая нейронная система
Процессор	Сложный	Простой
	Высокоскоростной	Низкоскоростной
	Один или несколько	Большое количество
Память	Отделена от процессора	Интегрирована в процессор
	Локализована	Распределенная
	Адресация не по содержанию	Адресация по содержанию
Вычисления	Централизованные	Распределенные
	Последовательные	Параллельные
	Хранимые программы	Самообучение
Надежность	Высокая уязвимость	Живучесть
Специализация	Численные и символьные oперации	Проблемы восприятия
Среда функционирования	Строго определенная	Плохо определенная
Среда функционирования	Строго ограниченная	Без ограничений

Подобно биологической нейронной системе ИНС является вычислительной системой с огромным числом параллельно функционирующих простых процессоров с множеством связей. Модели ИНС в некоторой степени воспроизводят "организационные" принципы, свойственные мозгу человека. Моделирование биологической нейронной системы с использованием ИНС может также способствовать лучшему пониманию биологических функций. Такие технологии производства, как VLSI (сверхвысокий уровень интеграции) и оптические аппаратные средства, делают возможным подобное моделирование.

Глубокое изучение ИНС требует знания нейрофизиологии, науки о познании, психологии, физики (статистической механики), теории управления, теории вычислений, проблем искусственного интеллекта, статистики/математики, распознавания образов, компьютерного зрения, параллельных вычислений и аппаратных средств (цифровых/аналоговых/VLSI/оптических). С другой стороны, ИНС также стимулируют эти дисциплины, обеспечивая их новыми инструментами и представлениями. Этот симбиоз жизненно необходим для исследований по нейронным сетям.

Представим некоторые проблемы, решаемые в контексте ИНС и представляющие интерес для ученых и инженеров.

Классификация образов. Задача состоит в указании принадлежности входного образа (например, речевого сигнала или рукописного символа), представленного вектором признаков, одному или нескольким предварительно определенным классам. К известным приложениям относятся распознавание букв, распознавание речи, классификация сигнала электрокардиограммы, классификация клеток крови.

Кластеризация/категоризация. При решении задачи кластеризации, которая известна также как классификация образов "без учителя", отсутствует обучающая выборка с метками классов. Алгоритм кластеризации основан на подобии образов и размещает близкие образы в один кластер. Известны случаи применения кластеризации для извлечения знаний, сжатия данных и исследования свойств данных.

Аппроксимация функций. Предположим, что имеется обучающая выборка ((x 1 ,y 1 ), (x 2 ,y 2 )..., (x n ,y n )) (пары данных вход-выход), которая генерируется неизвестной функцией (x), искаженной шумом. Задача аппроксимации состоит в нахождении оценки неизвестной функции (x). Аппроксимация функций необходима при решении многочисленных инженерных и научных задач моделирования.

Предсказание/прогноз. Пусть заданы n дискретных отсчетов {y(t 1 ), y(t 2 )..., y(t n )} в последовательные моменты времени t 1 , t 2 ,..., t n . Задача состоит в предсказании значения y(t n+1 ) в некоторый будущий момент времени t n+1 . Предсказание/прогноз имеют значительное влияние на принятие решений в бизнесе, науке и технике. Предсказание цен на фондовой бирже и прогноз погоды являются типичными приложениями техники предсказания/прогноза.

Оптимизация. Многочисленные проблемы в математике, статистике, технике, науке, медицине и экономике могут рассматриваться как проблемы оптимизации. Задачей алгоритма оптимизации является нахождение такого решения, которое удовлетворяет системе ограничений и максимизирует или минимизирует целевую функцию. Задача коммивояжера, относящаяся к классу NP-полных, является классическим примером задачи оптимизации.

Память, адресуемая по содержанию. В модели вычислений фон Неймана обращение к памяти доступно только посредством адреса, который не зависит от содержания памяти. Более того, если допущена ошибка в вычислении адреса, то может быть найдена совершенно иная информация. Ассоциативная память, или память, адресуемая по содержанию, доступна по указанию заданного содержания. Содержимое памяти может быть вызвано даже по частичному входу или искаженному содержанию. Ассоциативная память чрезвычайно желательна при создании мультимедийных информационных баз данных.

Управление. Рассмотрим динамическую систему, заданную совокупностью {u(t), y(t)}, где u(t) является входным управляющим воздействием, а y(t) - выходом системы в момент времени t. В системах управления с эталонной моделью целью управления является расчет такого входного воздействия u(t), при котором система следует по желаемой траектории, диктуемой эталонной моделью. Примером является оптимальное управление двигателем.

Краткий исторический обзор

Исследования в области ИНС пережили три периода активизации. Первый пик в 40-х годах обусловлен пионерской работой МакКаллока и Питтса . Второй возник в 60-х благодаря теореме сходимости перцептрона Розенблатта и работе Минского и Пейперта , указавшей ограниченные возможности простейшего перцептрона. Результаты Минского и Пейперта погасили энтузиазм большинства исследователей, особенно тех, кто работал в области вычислительных наук. Возникшее в исследованиях по нейронным сетям затишье продлилось почти 20 лет. С начала 80-х годов ИНС вновь привлекли интерес исследователей, что связано с энергетическим подходом Хопфилда и алгоритмом обратного распространения для обучения многослойного перцептрона (многослойные сети прямого распространения), впервые предложенного Вербосом и независимо разработанного рядом других авторов. Алгоритм получил известность благодаря Румельхарту в 1986году Андерсон и Розенфельд подготовили подробную историческую справку о развитии ИНС.

Биологические нейронные сети

Нейрон (нервная клетка) является особой биологической клеткой, которая обрабатывает информацию (рис. 1). Она состоит из тела клетки (cell body), или сомы (soma), и двух типов внешних древоподобных ветвей: аксона (axon) и дендритов (dendrites). Тело клетки включает ядро (nucleus), которое содержит информацию о наследственных свойствах, и плазму, обладающую молекулярными средствами для производства необходимых нейрону материалов. Нейрон получает сигналы (импульсы) от других нейронов через дендриты (приемники) и передает сигналы, сгенерированные телом клетки, вдоль аксона (передатчик), который в конце разветвляется на волокна (strands). На окончаниях этих волокон находятся синапсы (synapses).

Рис. 1.

Синапс является элементарной структурой и функциональным узлом между двумя нейронами (волокно аксона одного нейрона и дендрит другого). Когда импульс достигает синаптического окончания, высвобождаются определенные химические вещества, называемые нейротрансмиттерами. Нейротрансмиттеры диффундируют через синаптическую щель, возбуждая или затормаживая, в зависимости от типа синапса, способность нейрона-приемника генерировать электрические импульсы. Результативность синапса может настраиваться проходящими через него сигналами, так что синапсы могут обучаться в зависимости от активности процессов, в которых они участвуют. Эта зависимость от предыстории действует как память, которая, возможно, ответственна за память человека.

Кора головного мозга человека является протяженной, образованной нейронами поверхностью толщиной от 2 до 3 мм с площадью около 2200 см 2 , что вдвое превышает площадь поверхности стандартной клавиатуры. Кора головного мозга содержит около 1011 нейронов, что приблизительно равно числу звезд Млечного пути . Каждый нейрон связан с 103 - 104 другими нейронами. В целом мозг человека содержит приблизительно от 1014 до 1015 взаимосвязей.

Нейроны взаимодействуют посредством короткой серии импульсов, как правило, продолжительностью несколько мсек. Сообщение передается посредством частотно-импульсной модуляции. Частота может изменяться от нескольких единиц до сотен герц, что в миллион раз медленнее, чем самые быстродействующие переключательные электронные схемы. Тем не менее сложные решения по восприятию информации, как, например, распознавание лица, человек принимает за несколько сотен мс. Эти решения контролируются сетью нейронов, которые имеют скорость выполнения операций всего несколько мс. Это означает, что вычисления требуют не более 100 последовательных стадий. Другими словами, для таких сложных задач мозг "запускает" параллельные программы, содержащие около 100 шагов. Это известно как правило ста шагов . Рассуждая аналогичным образом, можно обнаружить, что количество информации, посылаемое от одного нейрона другому, должно быть очень маленьким (несколько бит). Отсюда следует, что основная информация не передается непосредственно, а захватывается и распределяется в связях между нейронами. Этим объясняется такое название, как коннекционистская модель, применяемое к ИНС.

Основные понятия

Модель технического нейрона

МакКаллок и Питтс предложили использовать бинарный пороговый элемент в качестве модели искусственного нейрона. Этот математический нейрон вычисляет взвешенную сумму n входных сигналов x j , j = 1, 2... n, и формирует на выходе сигнал величины 1, если эта сумма превышает определенный порог u, и 0 - в противном случае.

Часто удобно рассматривать u как весовой коэффициент, связанный с постоянным входом x 0 = 1. Положительные веса соответствуют возбуждающим связям, а отрицательные - тормозным. МакКаллок и Питтс доказали, что при соответствующим образом подобранных весах совокупность параллельно функционирующих нейронов подобного типа способна выполнять универсальные вычисления. Здесь наблюдается определенная аналогия с биологическим нейроном: передачу сигнала и взаимосвязи имитируют аксоны и дендриты, веса связей соответствуют синапсам, а пороговая функция отражает активность сомы.

Архитектура нейронной сети

ИНС может рассматриваться как направленный граф со взвешенными связями, в котором искусственные нейроны являются узлами. По архитектуре связей ИНС могут быть сгруппированы в два класса (рис. 2): сети прямого распространения, в которых графы не имеют петель, и рекуррентные сети, или сети с обратными связями.

Рис. 2.

В наиболее распространенном семействе сетей первого класса, называемых многослойным перцептроном, нейроны расположены слоями и имеют однонаправленные связи между слоями. На рис. 2 представлены типовые сети каждого класса. Сети прямого распространения являются статическими в том смысле, что на заданный вход они вырабатывают одну совокупность выходных значений, не зависящих от предыдущего состояния сети. Рекуррентные сети являются динамическими, так как в силу обратных связей в них модифицируются входы нейронов, что приводит к изменению состояния сети.

Обучение

Способность к обучению является фундаментальным свойством мозга. В контексте ИНС процесс обучения может рассматриваться как настройка архитектуры сети и весов связей для эффективного выполнения специальной задачи. Обычно нейронная сеть должна настроить веса связей по имеющейся обучающей выборке. Функционирование сети улучшается по мере итеративной настройки весовых коэффициентов. Свойство сети обучаться на примерах делает их более привлекательными по сравнению с системами, которые следуют определенной системе правил функционирования, сформулированной экспертами.

Для конструирования процесса обучения, прежде всего, необходимо иметь модель внешней среды, в которой функционирует нейронная сеть - знать доступную для сети информацию. Эта модель определяет парадигму обучения . Во-вторых, необходимо понять, как модифицировать весовые параметры сети - какие правила обучения управляют процессом настройки. Алгоритм обучения означает процедуру, в которой используются правила обучения для настройки весов.

Существуют три парадигмы обучения: "с учителем", "без учителя" (самообучение) и смешанная. В первом случае нейронная сеть располагает правильными ответами (выходами сети) на каждый входной пример. Веса настраиваются так, чтобы сеть производила ответы как можно более близкие к известным правильным ответам. Усиленный вариант обучения с учителем предполагает, что известна только критическая оценка правильности выхода нейронной сети, но не сами правильные значения выхода. Обучение без учителя не требует знания правильных ответов на каждый пример обучающей выборки. В этом случае раскрывается внутренняя структура данных или корреляции между образцами в системе данных, что позволяет распределить образцы по категориям. При смешанном обучении часть весов определяется посредством обучения с учителем, в то время как остальная получается с помощью самообучения.

Теория обучения рассматривает три фундаментальных свойства, связанных с обучением по примерам: емкость, сложность образцов и вычислительная сложность. Под емкостью понимается, сколько образцов может запомнить сеть, и какие функции и границы принятия решений могут быть на ней сформированы. Сложность образцов определяет число обучающих примеров, необходимых для достижения способности сети к обобщению. Слишком малое число примеров может вызвать "переобученность" сети, когда она хорошо функционирует на примерах обучающей выборки, но плохо - на тестовых примерах, подчиненных тому же статистическому распределению. Известны 4 основных типа правил обучения: коррекция по ошибке, машина Больцмана, правило Хебба и обучение методом соревнования.

Правило коррекции по ошибке. При обучении с учителем для каждого входного примера задан желаемый выход d. Реальный выход сети y может не совпадать с желаемым. Принцип коррекции по ошибке при обучении состоит в использовании сигнала (d-y) для модификации весов, обеспечивающей постепенное уменьшение ошибки. Обучение имеет место только в случае, когда перцептрон ошибается. Известны различные модификации этого алгоритма обучения .

Обучение Больцмана. Представляет собой стохастическое правило обучения, которое следует из информационных теоретических и термодинамических принципов . Целью обучения Больцмана является такая настройка весовых коэффициентов, при которой состояния видимых нейронов удовлетворяют желаемому распределению вероятностей. Обучение Больцмана может рассматриваться как специальный случай коррекции по ошибке, в котором под ошибкой понимается расхождение корреляций состояний в двух режимах.

Правило Хебба. Самым старым обучающим правилом является постулат обучения Хебба . Хебб опирался на следующие нейрофизиологические наблюдения: если нейроны с обеих сторон синапса активизируются одновременно и регулярно, то сила синаптической связи возрастает. Важной особенностью этого правила является то, что изменение синаптического веса зависит только от активности нейронов, которые связаны данным синапсом. Это существенно упрощает цепи обучения в реализации VLSI.

Обучение методом соревнования. В отличие от обучения Хебба, в котором множество выходных нейронов могут возбуждаться одновременно, при соревновательном обучении выходные нейроны соревнуются между собой за активизацию. Это явление известно как правило "победитель берет все". Подобное обучение имеет место в биологических нейронных сетях. Обучение посредством соревнования позволяет кластеризовать входные данные: подобные примеры группируются сетью в соответствии с корреляциями и представляются одним элементом.

При обучении модифицируются только веса "победившего" нейрона. Эффект этого правила достигается за счет такого изменения сохраненного в сети образца (вектора весов связей победившего нейрона), при котором он становится чуть ближе ко входному примеру. На рис. 3 дана геометрическая иллюстрация обучения методом соревнования. Входные векторы нормализованы и представлены точками на поверхности сферы. Векторы весов для трех нейронов инициализированы случайными значениями. Их начальные и конечные значения после обучения отмечены Х на рис. 3а и 3б соответственно. Каждая из трех групп примеров обнаружена одним из выходных нейронов, чей весовой вектор настроился на центр тяжести обнаруженной группы.

Рис. 3.

Можно заметить, что сеть никогда не перестанет обучаться, если параметр скорости обучения не равен 0. Некоторый входной образец может активизировать другой выходной нейрон на последующих итерациях в процессе обучения. Это ставит вопрос об устойчивости обучающей системы. Система считается устойчивой, если ни один из примеров обучающей выборки не изменяет своей принадлежности к категории после конечного числа итераций обучающего процесса. Один из способов достижения стабильности состоит в постепенном уменьшении до 0 параметра скорости обучения. Однако это искусственное торможение обучения вызывает другую проблему, называемую пластичностью и связанную со способностью к адаптации к новым данным. Эти особенности обучения методом соревнования известны под названием дилеммы стабильности-пластичности Гроссберга.

В Таблице 2 представлены различные алгоритмы обучения и связанные с ними архитектуры сетей (список не является исчерпывающим). В последней колонке перечислены задачи, для которых может быть применен каждый алгоритм. Каждый алгоритм обучения ориентирован на сеть определенной архитектуры и предназначен для ограниченного класса задач. Кроме рассмотренных, следует упомянуть некоторые другие алгоритмы: Adaline и Madaline , линейный дискриминантный анализ , проекции Саммона , анализ главных компонентов .

Таблица 2. Известные алгоритмы обучения

Парадигма	Обучающее правило	Архитектура	Алгоритм обучения	Задача
С учителем	Коррекция ошибки	Однослойный и многослойный перцептрон	Алгоритмы обучения перцептрона Обратное распространение Adaline и Madaline	Классификация образов Аппроксимация функций Предскащание, управление
	Больцман	Рекуррентная	Алгоритм обучения Больцмана	Классификация образов
	Хебб		Линейный дискриминантный анализ	Анализ данных Классификация образов
	Соревнование	Соревнование	Векторное квантование	Категоризация внутри класса Сжатие данных
	Соревнование	Сеть ART	ARTMap	Классификация образов
Без учителя	Коррекция ошибки	Многослойная прямого распространения	Проекция Саммона	Категоризация внутри класса Анализ данных
	Хебб	Прямого распространения или соревнование	Анализ главных компонентов	Анализ данных Сжатие данных
	Хебб	Сеть Хопфилда	Обучение ассоциативной памяти	Ассоциативная память
	Соревнование	Соревнование	Векторное квантование	Категоризация Сжатие данных
		SOM Кохонена	SOM Кохонена	Категоризация Анализ данных
		Сети ART	ART1, ART2	Категоризация
Смешанная	Коррекция ошибки и соревнование	Сеть RBF	Алгоритм обучения RBF	Классификация образов Аппроксимация функций Предсказание, управление

Многослойные сети прямого распространения

Стандартная L-слойная сеть прямого распространения состоит из слоя входных узлов (будем придерживаться утверждения, что он не включается в сеть в качестве самостоятельного слоя), (L-1) скрытых слоев и выходного слоя, соединенных последовательно в прямом направлении и не содержащих связей между элементами внутри слоя и обратных связей между слоями. На рис. 4 приведена структура трехслойной сети.

Рис. 4.

Многослойный перцептрон

Наиболее популярный класс многослойных сетей прямого распространения образуют многослойные перцептроны, в которых каждый вычислительный элемент использует пороговую или сигмоидальную функцию активации. Многослойный перцептрон может формировать сколь угодно сложные границы принятия решения и реализовывать произвольные булевы функции . Разработка алгоритма обратного распространения для определения весов в многослойном перцептроне сделала эти сети наиболее популярными у исследователей и пользователей нейронных сетей. Геометрическая интерпретация объясняет роль элементов скрытых слоев (используется пороговая активационная функция).

RBF-сети

Сети, использующие радиальные базисные функции (RBF-сети), являются частным случаем двухслойной сети прямого распространения. Каждый элемент скрытого слоя использует в качестве активационной функции радиальную базисную функцию типа гауссовой. Радиальная базисная функция (функция ядра) центрируется в точке, которая определяется весовым вектором, связанным с нейроном. Как позиция, так и ширина функции ядра должны быть обучены по выборочным образцам. Обычно ядер гораздо меньше, чем обучающих примеров. Каждый выходной элемент вычисляет линейную комбинацию этих радиальных базисных функций. С точки зрения задачи аппроксимации скрытые элементы формируют совокупность функций, которые образуют базисную систему для представления входных примеров в построенном на ней пространстве.

Существуют различные алгоритмы обучения RBF-сетей . Основной алгоритм использует двушаговую стратегию обучения, или смешанное обучение. Он оценивает позицию и ширину ядра с использованием алгоритма кластеризации "без учителя", а затем алгоритм минимизации среднеквадратической ошибки "с учителем" для определения весов связей между скрытым и выходным слоями. Поскольку выходные элементы линейны, применяется неитерационный алгоритм. После получения этого начального приближения используется градиентный спуск для уточнения параметров сети.

Этот смешанный алгоритм обучения RBF-сети сходится гораздо быстрее, чем алгоритм обратного распространения для обучения многослойных перцептронов. Однако RBF-сеть часто содержит слишком большое число скрытых элементов. Это влечет более медленное функционирование RBF-сети, чем многослойного перцептрона. Эффективность (ошибка в зависимости от размера сети) RBF-сети и многослойного перцептрона зависят от решаемой задачи.

Нерешенные проблемы

Существует множество спорных вопросов при проектировании сетей прямого распространения - например, сколько слоев необходимы для данной задачи, сколько следует выбрать элементов в каждом слое, как сеть будет реагировать на данные, не включенные в обучающую выборку (какова способность сети к обобщению), и какой размер обучающей выборки необходим для достижения "хорошей" способности сети к обобщению.

Хотя многослойные сети прямого распространения широко применяются для классификации и аппроксимации функций , многие параметры еще должны быть определены путем проб и ошибок. Существующие теоретические результаты дают лишь слабые ориентиры для выбора этих параметров в практических приложениях.

Самоорганизующиеся карты Кохонена

Самоорганизующиеся карты Кохонена (SOM) обладают благоприятным свойством сохранения топологии, которое воспроизводит важный аспект карт признаков в коре головного мозга высокоорганизованных животных. В отображении с сохранением топологии близкие входные примеры возбуждают близкие выходные элементы. На рис. 2 показана основная архитектура сети SOM Кохонена. По существу она представляет собой двумерный массив элементов, причем каждый элемент связан со всеми n входными узлами.

Такая сеть является специальным случаем сети, обучающейся методом соревнования, в которой определяется пространственная окрестность для каждого выходного элемента. Локальная окрестность может быть квадратом, прямоугольником или окружностью. Начальный размер окрестности часто устанавливается в пределах от 1/2 до 2/3 размера сети и сокращается согласно определенному закону (например, по экспоненциально убывающей зависимости). Во время обучения модифицируются все веса, связанные с победителем и его соседними элементами.

Самоорганизующиеся карты (сети) Кохонена могут быть использованы для проектирования многомерных данных, аппроксимации плотности и кластеризации. Эта сеть успешно применялась для распознавания речи, обработки изображений, в робототехнике и в задачах управления . Параметры сети включают в себя размерность массива нейронов, число нейронов в каждом измерении, форму окрестности, закон сжатия окрестности и скорость обучения.

Модели теории адаптивного резонанса

Напомним, что дилемма стабильности-пластичности является важной особенностью обучения методом соревнования. Как обучать новым явлениям (пластичность) и в то же время сохранить стабильность, чтобы существующие знания не были стерты или разрушены?

Карпентер и Гроссберг, разработавшие модели теории адаптивного резонанса (ART1, ART2 и ARTMAP) , сделали попытку решить эту дилемму. Сеть имеет достаточное число выходных элементов, но они не используются до тех пор, пока не возникнет в этом необходимость. Будем говорить, что элемент распределен (не распределен), если он используется (не используется). Обучающий алгоритм корректирует имеющийся прототип категории, только если входной вектор в достаточной степени ему подобен. В этом случае они резонируют. Степень подобия контролируется параметром сходства k, 0

Чтобы проиллюстрировать модель, рассмотрим сеть ART1, которая рассчитана на бинарный (0/1) вход. Упрощенная схема архитектуры ART1 представлена на рис. 5. Она содержит два слоя элементов с полными связями.

Рис. 5.

Направленный сверху вниз весовой вектор w j соответствует элементу j входного слоя, а направленный снизу вверх весовой вектор i связан с выходным элементом i; i является нормализованной версией w i . Векторы w j сохраняют прототипы кластеров. Роль нормализации состоит в том, чтобы предотвратить доминирование векторов с большой длиной над векторами с малой длиной. Сигнал сброса R генерируется только тогда, когда подобие ниже заданного уровня.

Модель ART1 может создать новые категории и отбросить входные примеры, когда сеть исчерпала свою емкость. Однако число обнаруженных сетью категорий чувствительно к параметру сходства.

Сеть Хопфилда

Хопфилд использовал функцию энергии как инструмент для построения рекуррентных сетей и для понимания их динамики . Формализация Хопфилда сделала ясным принцип хранения информации как динамически устойчивых аттракторов и популяризовала использование рекуррентных сетей для ассоциативной памяти и для решения комбинаторных задач оптимизации.

Динамическое изменение состояний сети может быть выполнено по крайней мере двумя способами: синхронно и асинхронно. В первом случае все элементы модифицируются одновременно на каждом временном шаге, во втором - в каждый момент времени выбирается и подвергается обработке один элемент. Этот элемент может выбираться случайно. Главное свойство энергетической функции состоит в том, что в процессе эволюции состояний сети согласно уравнению она уменьшается и достигает локального минимума (аттрактора), в котором она сохраняет постоянную энергию.

Ассоциативная память

Если хранимые в сети образцы являются аттракторами, она может использоваться как ассоциативная память. Любой пример, находящийся в области притяжения хранимого образца, может быть использован как указатель для его восстановления.

Ассоциативная память обычно работает в двух режимах: хранения и восстановления. В режиме хранения веса связей в сети определяются так, чтобы аттракторы запомнили набор p n-мерных образцов {x 1 , x 2 ,..., x p ), которые должны быть сохранены. Во втором режиме входной пример используется как начальное состояние сети, и далее сеть эволюционирует согласно своей динамике. Выходной образец устанавливается, когда сеть достигает равновесия.

Сколько примеров могут быть сохранены в сети с n бинарными элементами? Другими словами, какова емкость памяти сети? Она конечна, так как сеть с n бинарными элементами имеет максимально 2n различных состояний, и не все из них являются аттракторами. Более того, не все аттракторы могут хранить полезные образцы. Ложные аттракторы могут также хранить образцы, но они отличаются от примеров обучающей выборки. Показано, что максимальное число случайных образцов, которые может хранить сеть Хопфилда, составляет Pmax (0.15 n. Когда число сохраняемых образцов p (0.15 n, достигается наиболее успешный вызов данных из памяти. Если запоминаемые образцы представлены ортогональными векторами (в отличие от случайных), то количество сохраненных в памяти образцов будет увеличиваться. Число ложных аттракторов возрастает, когда p достигает емкости сети. Несколько правил обучения предложено для увеличения емкости памяти сети Хопфилда . Заметим, что в сети для хранения p n-битных примеров требуется реализовать 2n связей.

Минимизация энергии

Сеть Хопфилда эволюционирует в направлении уменьшения своей энергии. Это позволяет решать комбинаторные задачи оптимизации, если они могут быть сформулированы как задачи минимизации энергии. В частности, подобным способом может быть сформулирована задача коммивояжера.

Приложения

В начале статьи были описаны 7 классов различных приложений ИНС. Следует иметь в виду, что для успешного решения реальных задач необходимо определить ряд характеристик, включая модель сети, ее размер, функцию активации, параметры обучения и набор обучающих примеров. Для иллюстрации практического применения сетей прямого распространения рассмотрим проблему распознавания изображений символов (задача OCR, которая состоит в обработке отсканированного изображения текста и его преобразовании в текстовую форму).

Система OCR

Система OCR обычно состоит из блоков препроцессирования, сегментации, выделения характеристик, классификации и контекстуальной обработки. Бумажный документ сканируется, и создается изображение в оттенках серого цвета или бинарное (черно-белое) изображение. На стадии препроцессирования применяется фильтрация для удаления шума, область текста локализуется и преобразуется к бинарному изображению с помощью глобального и локального адаптивного порогового преобразователя. На шаге сегментации изображение текста разделяется на отдельные символы. Эта задача особенно трудна для рукописного текста, который содержит связи между соседними символами. Один из эффективных приемов состоит в расчленении составного образца на малые образцы (промежуточная сегментация) и нахождении точек правильной сегментации с использованием выхода классификатора по образцам. Вследствие различного наклона, искажений, помех и стилей письма распознавание сегментированных символов является непростой задачей.

Схемы вычислений

На рис. 6 представлены две основные схемы использования ИНС в OCR системах. Первая выполняет явное извлечение характерных признаков (не обязательно на нейронной сети). Например, это могут быть признаки обхода по контуру. Выделенные признаки подаются на вход многослойной сети прямого распространения . Эта схема отличается гибкостью в отношении использования большого разнообразия признаков. Другая схема не предусматривает явного выделения признаков из исходных данных. Извлечение признаков происходит неявно в скрытых слоях ИНС. Удобство этой схемы состоит в том, что выделение признаков и классификация объединены и обучение происходит одновременно, что дает оптимальный результат классификации. Однако схема требует большего размера сети, чем в первом случае.

Рис. 6.

Типичный пример подобной интегрированной схемы рассмотрен Куном для распознавания zip-кода.

Результаты

ИНС очень эффективно применяются в OCR-приложениях. Однако, нет убедительных доказательств их превосходства над соответствующими статистическими классификаторами. На первой конференции по OCR-системам в 1992 г. более 40 систем распознавания рукописного текста были сопоставлены для одних и тех же данных. Из них 10 лучших использовали вариант многослойной сети прямого распространения или классификатор "ближайшего соседа". ИНС имеют тенденцию к превосходству по скорости и требуемой памяти по сравнению с методом "ближайшего соседа", в отличие от которого скорость классификации с применением ИНС не зависит от объема обучающей выборки. Точность распознавания лучших OCR-систем на базе данных предварительно сегментированных символов составила около 98% для цифр, 96% для заглавных букв и 87 - для строчных. (Низкая точность для строчных букв вызвана в значительной степени тем, что тестовые данные существенно отличались от тренировочных.) По данным теста можно сделать вывод, что на изолированных символах OCR система близка по точности к человеку. Однако человек опережает системы OCR на свободных от ограничений и рукописных документах.

***

Развитие ИНС вызвало немало энтузиазма и критики. Некоторые сравнительные исследования оказались оптимистичными, другие - пессимистичными. Для многих задач, таких как распознавание образов, пока не создано доминирующих подходов. Выбор лучшей технологии должен диктоваться природой задачи. Нужно пытаться понять возможности, предпосылки и область применения различных подходов и максимально использовать их дополнительные преимущества для дальнейшего развития интеллектуальных систем. Подобные усилия могут привести к синергетическому подходу, который объединяет ИНС с другими технологиями для существенного прорыва в решении актуальных проблем. Как недавно заметил Минский, пришло время строить системы за рамками отдельных компонентов. Индивидуальные модули важны, но мы также нуждаемся в методологии интеграции. Ясно, что взаимодействие и совместные работы исследователей в области ИНС и других дисциплин позволят не только избежать повторений, но и (что более важно) стимулируют и придают новые качества развитию отдельных направлений.

Литература

1. DARPA Neural Network Study, AFCEA Int"l Press, Fairfax, Va., 1988.
2. J. Hertz, A. Krogh, and R.G. Palmer, Introduction to the Theory of Neural Computation, Addison-Wesley, Reading, Mass., 1991.
3. S. Haykin, Neural Networks: A Comprehensive Foundation, MacMillan College Publishing Co., New York, 1994.
4. W.S. McCulloch and W. Pitts, "A logical Calculus of Ideas Immanent in Nervous Activity", Bull. Mathematical Biophysics, Vol. 5, 1943, pp. 115-133.
5. R.Rosenblatt, "Principles of Neurodynamics", Spartan Books, New York, 1962.
6. M. Miтnsky and S. Papert, "Perceptrons: An Introduction to Computational Geometry", MIT Press, Cambridge, Mass., 1969.
7. J.J. Hopfield, "Neural Networks and Physical Systems with Emergent Collective Computational Abilities", in Proc. National Academy of Sciencies, USA 79, 1982, pp. 2554-2558.
8. P. Werbos, "Beyond Regression: New Tools for Prediction and Analysis in the Behavioral Sciences", Phd Thesis, Dept. of Applied Mathematics, Harvard University, Cambridge, Mass., 1974.
9. D.E. Rumelhart and J.L. McClelland, Parallel Distributed Processing: Exploration in the Microstructure of Cognition, MIT Press, Cambridge, Mass., 1986.
10. J.A. Anderson and E. Rosenfeld, "Neurocomputing: Foundation of Research", MIT Press, Cambridge, Mass., 1988.
11. S. Brunak and B. Lautrup, Neural Networks, Computers with Intuition, World Scientific, Singapore, 1990.
12. J. Feldman, M.A. Fanty, and N.H. Goddard, "Computing with Structured Neural Networks", Computer, Vol. 21, No. 3, Mar.1988, pp. 91-103.
13. D.O. Hebb, The Organization of Behavior, John Wiley & Sons, New York, 1949.
14. R.P.Lippmann, "An Introduction to Computing with Neural Nets", IEEE ASSP Magazine, Vol.4, No.2, Apr. 1987, pp. 4-22.
15. A.K. Jain and J. Mao, "Neural Networks and Pattern Recognition", in Computational Intelligence: Imitating Life, J.M. Zurada, R.J. Marks II, and C.J. Robinson, eds., IEEE Press, Piscataway, N.J., 1994, pp. 194-212.
16. T. Kohonen, SelfOrganization and Associative Memory, Third Edition, Springer-Verlag, New York, 1989.
17. G.A.Carpenter and S. Grossberg, Pattern Recognition by SelfOrganizing Neural Networks, MIT Press, Cambridge, Mass., 1991.
18. "The First Census Optical Character Recognition System Conference", R.A.Wilkinson et al., eds., . Tech. Report, NISTIR 4912, US Deop. Commerse, NIST, Gaithersburg, Md., 1992.
19. K. Mohiuddin and J. Mao, "A Comparative Study of Different Classifiers for Handprinted Character Recognition", in Pattern Recognition in Practice IV, E.S. Gelsema and L.N. Kanal, eds., Elsevier Science, The Netherlands, 1994, pp. 437-448.
20. Y.Le Cun et al., "Back-Propagation Applied to Handwritten Zip Code Recognition", Neural Computation, Vol 1, 1989, pp. 541-551.
21. M. Minsky, "Logical Versus Analogical or Symbolic Versus Connectionist or Neat Versus Scruffy", AI Magazine, Vol. 65, No. 2, 1991, pp. 34-51.

Анил К. Джейн ([email protected]) - Мичиганский университет; Жианчанг Мао, К М. Моиуддин - Исследовательский Центр IBM в Альмадене.

Anil K., Jain, Jianchang Mao, K.M. Mohiuddin. Artificial Neural Networks: A Tutorialп, IEEE Computer, Vol.29, No.3, March/1996, pp. 31-44. IEEE Computer Society. All rights reserved. Reprinted with permission.

В главе мы ознакомились с такими понятиями, как искусственный интеллект, машинное обучение и искусственные нейронные сети.

В этой главе я детально опишу модель искусственного нейрона, расскажу о подходах к обучению сети, а также опишу некоторые известные виды искусственных нейронных сетей, которые мы будем изучать в следующих главах.

Упрощение

В прошлой главе я постоянно говорил о каких-то серьезных упрощениях. Причина упрощений заключается в том, что никакие современные компьютеры не могут быстро моделировать такие сложные системы, как наш мозг. К тому же, как я уже говорил, наш мозг переполнен различными биологическими механизмами, не относящиеся к обработке информации.

Нам нужна модель преобразования входного сигнала в нужный нам выходной. Все остальное нас не волнует. Начинаем упрощать.

Биологическая структура → схема

В предыдущей главе вы поняли, насколько сложно устроены биологические нейронные сети и биологические нейроны. Вместо изображения нейронов в виде чудовищ с щупальцами давайте просто будем рисовать схемы.

Вообще говоря, есть несколько способов графического изображения нейронных сетей и нейронов. Здесь мы будем изображать искусственные нейроны в виде кружков.

Вместо сложного переплетения входов и выходов будем использовать стрелки, обозначающие направление движения сигнала.

Таким образом искусственная нейронная сеть может быть представлена в виде совокупности кружков (искусственных нейронов), связанных стрелками.

Электрические сигналы → числа

В реальной биологической нейронной сети от входов сети к выходам передается электрический сигнал. В процессе прохода по нейронной сети он может изменяться.

Электрический сигнал всегда будет электрическим сигналом. Концептуально ничего не изменяется. Но что же тогда меняется? Меняется величина этого электрического сигнала (сильнее/слабее). А любую величину всегда можно выразить числом (больше/меньше).

В нашей модели искусственной нейронной сети нам совершенно не нужно реализовывать поведение электрического сигнала, так как от его реализации все равно ничего зависеть не будет.

На входы сети мы будем подавать какие-то числа, символизирующие величины электрического сигнала, если бы он был. Эти числа будут продвигаться по сети и каким-то образом меняться. На выходе сети мы получим какое-то результирующее число, являющееся откликом сети.

Для удобства все равно будем называть наши числа, циркулирующие в сети, сигналами.

Синапсы → веса связей

Вспомним картинку из первой главы, на которой цветом были изображены связи между нейронами – синапсы. Синапсы могут усиливать или ослаблять проходящий по ним электрический сигнал.

Давайте характеризовать каждую такую связь определенным числом, называемым весом данной связи. Сигнал, прошедший через данную связь, умножается на вес соответствующей связи.

Это ключевой момент в концепции искусственных нейронных сетей, я объясню его подробнее. Посмотрите на картинку ниже. Теперь каждой черной стрелке (связи) на этой картинке соответствует некоторое число $w_i $ (вес связи). И когда сигнал проходит по этой связи, его величина умножается на вес этой связи.

На приведенном выше рисунке вес стоит не у каждой связи лишь потому, что там нет места для обозначений. В реальности у каждой $i $ -ой связи свой собственный $w_i $ -ый вес.

Искусственный нейрон

Теперь мы переходим к рассмотрению внутренней структуры искусственного нейрона и того, как он преобразует поступающий на его входы сигнал.

На рисунке ниже представлена полная модель искусственного нейрона.

Не пугайтесь, ничего сложного здесь нет. Давайте рассмотрим все подробно слева направо.

Входы, веса и сумматор

У каждого нейрона, в том числе и у искусственного, должны быть какие-то входы, через которые он принимает сигнал. Мы уже вводили понятие весов, на которые умножаются сигналы, проходящие по связи. На картинке выше веса изображены кружками.

Поступившие на входы сигналы умножаются на свои веса. Сигнал первого входа $x_1 $ умножается на соответствующий этому входу вес $w_1 $ . В итоге получаем $x_1w_1 $ . И так до $n $ -ого входа. В итоге на последнем входе получаем $x_nw_n $ .

Теперь все произведения передаются в сумматор. Уже исходя из его названия можно понять, что он делает. Он просто суммирует все входные сигналы, умноженные на соответствующие веса:

\[ x_1w_1+x_2w_2+\cdots+x_nw_n = \sum\limits^n_{i=1}x_iw_i \]

Математическая справка

Сигма – Википедия

Когда необходимо коротко записать большое выражение, состоящее из суммы повторяющихся/однотипных членов, то используют знак сигмы.

Рассмотрим простейший вариант записи:

\[ \sum\limits^5_{i=1}i=1+2+3+4+5 \]

Таким образом снизу сигмы мы присваиваем переменной-счетчику $i $ стартовое значение, которое будет увеличиваться, пока не дойдет до верхней границы (в примере выше это 5).

Верхняя граница может быть и переменной. Приведу пример такого случая.

Пусть у нас есть $n $ магазинов. У каждого магазина есть свой номер: от 1 до $n $ . Каждый магазин приносит прибыль. Возьмем какой-то (неважно, какой) $i $ -ый магазин. Прибыль от него равна $p_i $ .

\[ P = p_1+p_2+\cdots+p_i+\cdots+p_n \]

Как видно, все члены этой суммы однотипны. Тогда их можно коротко записать следующим образом:

\[ P=\sum\limits^n_{i=1}p_i \]

Словами: «Просуммируй прибыли всех магазинов, начиная с первого и заканчивая $n $ -ым». В виде формулы это гораздо проще, удобнее и красивее.

Результатом работы сумматора является число, называемое взвешенной суммой.

Взвешенная сумма (Weighted sum ) ($net $ ) - сумма входных сигналов, умноженных на соответствующие им веса.

\[ net=\sum\limits^n_{i=1}x_iw_i \]

Роль сумматора очевидна – он агрегирует все входные сигналы (которых может быть много) в какое-то одно число – взвешенную сумму, которая характеризует поступивший на нейрон сигнал в целом. Еще взвешенную сумму можно представить как степень общего возбуждения нейрона.

Пример

Для понимания роли последнего компонента искусственного нейрона – функции активации – я приведу аналогию.

Давайте рассмотрим один искусственный нейрон. Его задача – решить, ехать ли отдыхать на море. Для этого на его входы мы подаем различные данные. Пусть у нашего нейрона будет 4 входа:

Стоимость поездки
Какая на море погода
Текущая обстановка с работой
Будет ли на пляже закусочная

Все эти параметры будем характеризовать 0 или 1. Соответственно, если погода на море хорошая, то на этот вход подаем 1. И так со всеми остальными параметрами.

Если у нейрона есть четыре входа, то должно быть и четыре весовых коэффициента. В нашем примере весовые коэффициенты можно представить как показатели важности каждого входа, влияющие на общее решение нейрона. Веса входов распределим следующим образом:

Нетрудно заметить, что очень большую роль играют факторы стоимости и погоды на море (первые два входа). Они же и будут играть решающую роль при принятии нейроном решения.

Пусть на входы нашего нейрона мы подаем следующие сигналы:

Умножаем веса входов на сигналы соответствующих входов:

Взвешенная сумма для такого набора входных сигналов равна 6:

\[ net=\sum\limits^4_{i=1}x_iw_i = 5 + 0 + 0 + 1 =6 \]

Вот на сцену выходит функция активации.

Функция активации

Просто так подавать взвешенную сумму на выход достаточно бессмысленно. Нейрон должен как-то обработать ее и сформировать адекватный выходной сигнал. Именно для этих целей и используют функцию активации.

Она преобразует взвешенную сумму в какое-то число, которое и является выходом нейрона (выход нейрона обозначим переменной $out $ ).

Для разных типов искусственных нейронов используют самые разные функции активации. В общем случае их обозначают символом $\phi(net) $ . Указание взвешенного сигнала в скобках означает, что функция активации принимает взвешенную сумму как параметр.

Функция активации (Activation function )($\phi(net) $ ) - функция, принимающая взвешенную сумму как аргумент. Значение этой функции и является выходом нейрона ($out $ ).

Функция единичного скачка

Самый простой вид функции активации. Выход нейрона может быть равен только 0 или 1. Если взвешенная сумма больше определенного порога $b $ , то выход нейрона равен 1. Если ниже, то 0.

Как ее можно использовать? Предположим, что мы поедем на море только тогда, когда взвешенная сумма больше или равна 5. Значит наш порог равен 5:

В нашем примере взвешенная сумма равнялась 6, а значит выходной сигнал нашего нейрона равен 1. Итак, мы едем на море.

Однако если бы погода на море была бы плохой, а также поездка была бы очень дорогой, но имелась бы закусочная и обстановка с работой нормальная (входы: 0011), то взвешенная сумма равнялась бы 2, а значит выход нейрона равнялся бы 0. Итак, мы никуда не едем.

В общем, нейрон смотрит на взвешенную сумму и если она получается больше его порога, то нейрон выдает выходной сигнал, равный 1.

Графически эту функцию активации можно изобразить следующим образом.

На горизонтальной оси расположены величины взвешенной суммы. На вертикальной оси - значения выходного сигнала. Как легко видеть, возможны только два значения выходного сигнала: 0 или 1. Причем 0 будет выдаваться всегда от минус бесконечности и вплоть до некоторого значения взвешенной суммы, называемого порогом. Если взвешенная сумма равна порогу или больше него, то функция выдает 1. Все предельно просто.

Теперь запишем эту функцию активации математически. Почти наверняка вы сталкивались с таким понятием, как составная функция. Это когда мы под одной функцией объединяем несколько правил, по которым рассчитывается ее значение. В виде составной функции функция единичного скачка будет выглядеть следующим образом:

\[ out(net) = \begin{cases} 0, net < b \\ 1, net \geq b \end{cases} \]

В этой записи нет ничего сложного. Выход нейрона ($out $ ) зависит от взвешенной суммы ($net $ ) следующим образом: если $net $ (взвешенная сумма) меньше какого-то порога ($b $ ), то $out $ (выход нейрона) равен 0. А если $net $ больше или равен порогу $b $ , то $out $ равен 1.

Сигмоидальная функция

На самом деле существует целое семейство сигмоидальных функций, некоторые из которых применяют в качестве функции активации в искусственных нейронах.

Все эти функции обладают некоторыми очень полезными свойствами, ради которых их и применяют в нейронных сетях. Эти свойства станут очевидными после того, как вы увидите графики этих функций.

Итак… самая часто используемая в нейронных сетях сигмоида - логистическая функция .

График этой функции выглядит достаточно просто. Если присмотреться, то можно увидеть некоторое подобие английской буквы $S $ , откуда и пошло название семейства этих функций.

А вот так она записывается аналитически:

\[ out(net)=\frac{1}{1+\exp(-a \cdot net)} \]

Что за параметр $a $ ? Это какое-то число, которое характеризует степень крутизны функции. Ниже представлены логистические функции с разным параметром $a $ .

Вспомним наш искусственный нейрон, определяющий, надо ли ехать на море. В случае с функцией единичного скачка все было очевидно. Мы либо едем на море (1), либо нет (0).

Здесь же случай более приближенный к реальности. Мы до конца полностью не уверены (в особенности, если вы параноик) – стоит ли ехать? Тогда использование логистической функции в качестве функции активации приведет к тому, что вы будете получать цифру между 0 и 1. Причем чем больше взвешенная сумма, тем ближе выход будет к 1 (но никогда не будет точно ей равен). И наоборот, чем меньше взвешенная сумма, тем ближе выход нейрона будет к 0.

Например, выход нашего нейрона равен 0.8. Это значит, что он считает, что поехать на море все-таки стоит. Если бы его выход был бы равен 0.2, то это означает, что он почти наверняка против поездки на море.

Какие же замечательные свойства имеет логистическая функция?

она является «сжимающей» функцией, то есть вне зависимости от аргумента (взвешенной суммы), выходной сигнал всегда будет в пределах от 0 до 1
она более гибкая, чем функция единичного скачка – ее результатом может быть не только 0 и 1, но и любое число между ними
во всех точках она имеет производную, и эта производная может быть выражена через эту же функцию

Именно из-за этих свойств логистическая функция чаще всего используются в качестве функции активации в искусственных нейронах.

Гиперболический тангенс

Однако есть и еще одна сигмоида – гиперболический тангенс. Он применяется в качестве функции активации биологами для более реалистичной модели нервной клетки.

Такая функция позволяет получить на выходе значения разных знаков (например, от -1 до 1), что может быть полезным для ряда сетей.

Функция записывается следующим образом:

\[ out(net) = \tanh\left(\frac{net}{a}\right) \]

В данной выше формуле параметр $a $ также определяет степень крутизны графика этой функции.

А вот так выглядит график этой функции.

Как видите, он похож на график логистической функции. Гиперболический тангенс обладает всеми полезными свойствами, которые имеет и логистическая функция.

Что мы узнали?

Теперь вы получили полное представление о внутренней структуре искусственного нейрона. Я еще раз приведу краткое описание его работы.

У нейрона есть входы. На них подаются сигналы в виде чисел. Каждый вход имеет свой вес (тоже число). Сигналы на входе умножаются на соответствующие веса. Получаем набор «взвешенных» входных сигналов.

Затем взвешенная сумма преобразуется функцией активации и мы получаем выход нейрона .

Сформулируем теперь самое короткое описание работы нейрона – его математическую модель:

Математическая модель искусственного нейрона с $n $ входами:

где
$\phi $ – функция активации
$\sum\limits^n_{i=1}x_iw_i $ – взвешенная сумма, как сумма $n $ произведений входных сигналов на соответствующие веса.

Виды ИНС

Мы разобрались со структурой искусственного нейрона. Искусственные нейронные сети состоят из совокупности искусственных нейронов. Возникает логичный вопрос – а как располагать/соединять друг с другом эти самые искусственные нейроны?

Как правило, в большинстве нейронных сетей есть так называемый входной слой , который выполняет только одну задачу – распределение входных сигналов остальным нейронам. Нейроны этого слоя не производят никаких вычислений.

Однослойные нейронные сети

В однослойных нейронных сетях сигналы с входного слоя сразу подаются на выходной слой. Он производит необходимые вычисления, результаты которых сразу подаются на выходы.

Выглядит однослойная нейронная сеть следующим образом:

На этой картинке входной слой обозначен кружками (он не считается за слой нейронной сети), а справа расположен слой обычных нейронов.

Нейроны соединены друг с другом стрелками. Над стрелками расположены веса соответствующих связей (весовые коэффициенты).

Однослойная нейронная сеть (Single-layer neural network ) - сеть, в которой сигналы от входного слоя сразу подаются на выходной слой, который и преобразует сигнал и сразу же выдает ответ.

Многослойные нейронные сети

Такие сети, помимо входного и выходного слоев нейронов, характеризуются еще и скрытым слоем (слоями). Понять их расположение просто – эти слои находятся между входным и выходным слоями.

Такая структура нейронных сетей копирует многослойную структуру определенных отделов мозга.

Название скрытый слой получил неслучайно. Дело в том, что только относительно недавно были разработаны методы обучения нейронов скрытого слоя. До этого обходились только однослойными нейросетями.

Многослойные нейронные сети обладают гораздо большими возможностями, чем однослойные.

Работу скрытых слоев нейронов можно сравнить с работой большого завода. Продукт (выходной сигнал) на заводе собирается по стадиям. После каждого станка получается какой-то промежуточный результат. Скрытые слои тоже преобразуют входные сигналы в некоторые промежуточные результаты.

Многослойная нейронная сеть (Multilayer neural network ) - нейронная сеть, состоящая из входного, выходного и расположенного(ых) между ними одного (нескольких) скрытых слоев нейронов.

Сети прямого распространения

Можно заметить одну очень интересную деталь на картинках нейросетей в примерах выше.

Во всех примерах стрелки строго идут слева направо, то есть сигнал в таких сетях идет строго от входного слоя к выходному.

Сети прямого распространения (Feedforward neural network ) (feedforward сети) - искусственные нейронные сети, в которых сигнал распространяется строго от входного слоя к выходному. В обратном направлении сигнал не распространяется.

Такие сети широко используются и вполне успешно решают определенный класс задач: прогнозирование, кластеризация и распознавание.

Однако никто не запрещает сигналу идти и в обратную сторону.

Сети с обратными связями

В сетях такого типа сигнал может идти и в обратную сторону. В чем преимущество?

Дело в том, что в сетях прямого распространения выход сети определяется входным сигналом и весовыми коэффициентами при искусственных нейронах.

А в сетях с обратными связями выходы нейронов могут возвращаться на входы. Это означает, что выход какого-нибудь нейрона определяется не только его весами и входным сигналом, но еще и предыдущими выходами (так как они снова вернулись на входы).

Возможность сигналов циркулировать в сети открывает новые, удивительные возможности нейронных сетей. С помощью таких сетей можно создавать нейросети, восстанавливающие или дополняющие сигналы. Другими словами такие нейросети имеют свойства кратковременной памяти (как у человека).

Сети с обратными связями (Recurrent neural network ) - искусственные нейронные сети, в которых выход нейрона может вновь подаваться на его вход. В более общем случае это означает возможность распространения сигнала от выходов к входам.

Обучение нейронной сети

Теперь давайте чуть более подробно рассмотрим вопрос обучения нейронной сети. Что это такое? И каким образом это происходит?

Что такое обучение сети?

Искусственная нейронная сеть – это совокупность искусственных нейронов. Теперь давайте возьмем, например, 100 нейронов и соединим их друг с другом. Ясно, что при подаче сигнала на вход, мы получим что-то бессмысленное на выходе.

Значит нам надо менять какие-то параметры сети до тех пор, пока входной сигнал не преобразуется в нужный нам выходной.

Что мы можем менять в нейронной сети?

Изменять общее количество искусственных нейронов бессмысленно по двум причинам. Во-первых, увеличение количества вычислительных элементов в целом лишь делает систему тяжеловеснее и избыточнее. Во-вторых, если вы соберете 1000 дураков вместо 100, то они все-равно не смогут правильно ответить на вопрос.

Сумматор изменить не получится, так как он выполняет одну жестко заданную функцию – складывать. Если мы его заменим на что-то или вообще уберем, то это вообще уже не будет искусственным нейроном.

Если менять у каждого нейрона функцию активации, то мы получим слишком разношерстную и неконтролируемую нейронную сеть. К тому же, в большинстве случаев нейроны в нейронных сетях одного типа. То есть они все имеют одну и ту же функцию активации.

Остается только один вариант – менять веса связей .

Обучение нейронной сети (Training) - поиск такого набора весовых коэффициентов, при котором входной сигнал после прохода по сети преобразуется в нужный нам выходной.

Такой подход к термину «обучение нейронной сети» соответствует и биологическим нейросетям. Наш мозг состоит из огромного количества связанных друг с другом нейросетей. Каждая из них в отдельности состоит из нейронов одного типа (функция активации одинаковая). Мы обучаемся благодаря изменению синапсов – элементов, которые усиливают/ослабляют входной сигнал.

Однако есть еще один важный момент. Если обучать сеть, используя только один входной сигнал, то сеть просто «запомнит правильный ответ». Со стороны будет казаться, что она очень быстро «обучилась». И как только вы подадите немного измененный сигнал, ожидая увидеть правильный ответ, то сеть выдаст бессмыслицу.

В самом деле, зачем нам сеть, определяющая лицо только на одном фото. Мы ждем от сети способности обобщать какие-то признаки и узнавать лица и на других фотографиях тоже.

Именно с этой целью и создаются обучающие выборки .

Обучающая выборка (Training set ) - конечный набор входных сигналов (иногда вместе с правильными выходными сигналами), по которым происходит обучение сети.

После обучения сети, то есть когда сеть выдает корректные результаты для всех входных сигналов из обучающей выборки, ее можно использовать на практике.

Однако прежде чем пускать свежеиспеченную нейросеть в бой, часто производят оценку качества ее работы на так называемой тестовой выборке .

Тестовая выборка (Testing set ) - конечный набор входных сигналов (иногда вместе с правильными выходными сигналами), по которым происходит оценка качества работы сети.

Мы поняли, что такое «обучение сети» – подбор правильного набора весов. Теперь возникает вопрос – а как можно обучать сеть? В самом общем случае есть два подхода, приводящие к разным результатам: обучение с учителем и обучение без учителя.

Обучение с учителем

Суть данного подхода заключается в том, что вы даете на вход сигнал, смотрите на ответ сети, а затем сравниваете его с уже готовым, правильным ответом.

Важный момент. Не путайте правильные ответы и известный алгоритм решения! Вы можете обвести пальцем лицо на фото (правильный ответ), но не сможете сказать, как это сделали (известный алгоритм). Тут такая же ситуация.

Затем, с помощью специальных алгоритмов, вы меняете веса связей нейронной сети и снова даете ей входной сигнал. Сравниваете ее ответ с правильным и повторяете этот процесс до тех пор, пока сеть не начнет отвечать с приемлемой точностью (как я говорил в 1 главе, однозначно точных ответов сеть давать не может).

Обучение с учителем (Supervised learning ) - вид обучения сети, при котором ее веса меняются так, чтобы ответы сети минимально отличались от уже готовых правильных ответов.

Где взять правильные ответы?

Если мы хотим, чтобы сеть узнавала лица, мы можем создать обучающую выборку на 1000 фотографий (входные сигналы) и самостоятельно выделить на ней лица (правильные ответы).

Если мы хотим, чтобы сеть прогнозировала рост/падение цен, то обучающую выборку надо делать, основываясь на прошлых данных. В качестве входных сигналов можно брать определенные дни, общее состояние рынка и другие параметры. А в качестве правильных ответов – рост и падение цены в те дни.

Стоит отметить, что учитель, конечно же, не обязательно человек. Дело в том, что порой сеть приходится тренировать часами и днями, совершая тысячи и десятки тысяч попыток. В 99% случаев эту роль выполняет компьютер, а точнее, специальная компьютерная программа.

Обучение без учителя

Обучение без учителя применяют тогда, когда у нас нет правильных ответов на входные сигналы. В этом случае вся обучающая выборка состоит из набора входных сигналов.

Что же происходит при таком обучении сети? Оказывается, что при таком «обучении» сеть начинает выделять классы подаваемых на вход сигналов. Короче говоря – сеть начинает кластеризацию.

Например, вы демонстрируете сети конфеты, пирожные и торты. Вы никак не регулируете работу сети. Вы просто подаете на ее входы данные о данном объекте. Со временем сеть начнет выдавать сигналы трех разных типов, которые и отвечают за объекты на входе.

Обучение без учителя (Unsupervised learning ) - вид обучения сети, при котором сеть самостоятельно классифицирует входные сигналы. Правильные (эталонные) выходные сигналы не демонстрируются.

Выводы

В этой главе вы узнали все о структуре искусственного нейрона, а также получили полное представление о том, как он работает (и о его математической модели).

Более того, вы теперь знаете о различных видах искусственных нейронных сетей: однослойные, многослойные, а также feedforward сети и сети с обратными связями.

Вы также ознакомились с тем, что представляет собой обучение сети с учителем и без учителя.

Вы уже знаете необходимую теорию. Последующие главы – рассмотрение конкретных видов нейронных сетей, конкретные алгоритмы их обучения и практика программирования.

Вопросы и задачи

Материал этой главы надо знать очень хорошо, так как в ней содержатся основные теоретические сведения по искусственным нейронным сетям. Обязательно добейтесь уверенных и правильных ответов на все нижеприведенные вопросы и задачи.

Опишите упрощения ИНС по сравнению с биологическими нейросетями.

1. Сложную и запутанную структуру биологических нейронных сетей упрощают и представляют в виде схем. Оставляют только модель обработки сигнала.

2. Природа электрических сигналов в нейронных сетях одна и та же. Разница только в их величине. Убираем электрические сигналы, а вместо них используем числа, обозначающие величину проходящего сигнала.

Функцию активации часто обозначают за $\phi(net) $ .

Запишите математическую модель искусственного нейрона.

Искусственный нейрон c $n $ входами преобразовывает входной сигнал (число) в выходной сигнал (число) следующим образом:

\[ out=\phi\left(\sum\limits^n_{i=1}x_iw_i\right) \]

Чем отличаются однослойные и многослойные нейронные сети?

Однослойные нейронные сети состоят из одного вычислительного слоя нейронов. Входной слой подает сигналы сразу на выходной слой, который и преобразует сигнал, и сразу выдает результат.

Многослойные нейронные сети, помимо входного и выходного слоев, имеют еще и скрытые слои. Эти скрытые слои проводят какие-то внутренние промежуточные преобразования, наподобие этапов производства продуктов на заводе.

В чем отличие feedforward сетей от сетей с обратными связями?

Сети прямого распространения (feedforward сети) допускают прохождение сигнала только в одном направлении – от входов к выходам. Сети с обратными связями данных ограничений не имеют, и выходы нейронов могут вновь подаваться на входы.

Что такое обучающая выборка? В чем ее смысл?

Перед тем, как использовать сеть на практике (например, для решения текущих задач, ответов на которые у вас нет), необходимо собрать коллекцию задач с готовыми ответами, на которой и тренировать сеть. Это коллекция и называется обучающей выборкой.

Если собрать слишком маленький набор входных и выходных сигналов, то сеть просто запомнит ответы и цель обучения не будет достигнута.

Что понимают под обучением сети?

Под обучением сети понимают процесс изменения весовых коэффициентов искусственных нейронов сети с целью подобрать такую их комбинацию, которая преобразует входной сигнал в корректный выходной.

Что такое обучение с учителем и без него?

При обучении сети с учителем ей на входы подают сигналы, а затем сравнивают ее выход с заранее известным правильным выходом. Этот процесс повторяют до тех пор, пока не будет достигнута необходимая точность ответов.

Если сети только подают входные сигналы, без сравнения их с готовыми выходами, то сеть начинает самостоятельную классификацию этих входных сигналов. Другими словами она выполняет кластеризацию входных сигналов. Такое обучение называют обучением без учителя.

Решение задачи классификации является одним из важнейших применений нейронных сетей.

Задача классификации представляет собой задачу отнесения образца к одному из нескольких попарно не пересекающихся множеств. Примером таких задач может быть, например, задача определения кредитоспособности клиента банка, медицинские задачи, в которых необходимо определить, например, исход заболевания, решение задач управления портфелем ценных бумаг (продать купить или "придержать" акции в зависимости от ситуации на рынке), задача определения жизнеспособных и склонных к банкротству фирм.

Цель классификации

При решении задач классификации необходимо отнести имеющиеся статические образцы (характеристики ситуации на рынке, данные медосмотра, информация о клиенте) к определенным классам. Возможно несколько способов представления данных. Наиболее распространенным является способ, при котором образец представляется вектором. Компоненты этого вектора представляют собой различные характеристики образца, которые влияют на принятие решения о том, к какому классу можно отнести данный образец. Например, для медицинских задач в качестве компонентов этого вектора могут быть данные из медицинской карты больного. Таким образом, на основании некоторой информации о примере, необходимо определить, к какому классу его можно отнести. Классификатор таким образом относит объект к одному из классов в соответствии с определенным разбиением N-мерного пространства, которое называется пространством входов, и размерность этого пространства является количеством компонент вектора.

Прежде всего, нужно определить уровень сложности системы. В реальных задачах часто возникает ситуация, когда количество образцов ограничено, что осложняет определение сложности задачи. Возможно выделить три основных уровня сложности. Первый (самый простой) – когда классы можно разделить прямыми линиями (или гиперплоскостями, если пространство входов имеет размерность больше двух) – так называемая линейная разделимость . Во втором случае классы невозможно разделить линиями (плоскостями), но их возможно отделить с помощью более сложного деления – нелинейная разделимость . В третьем случае классы пересекаются и можно говорить только о вероятностной разделимости .

В идеальном варианте после предварительной обработки мы должны получить линейно разделимую задачу, так как после этого значительно упрощается построение классификатора. К сожалению, при решении реальных задач мы имеем ограниченное количество образцов, на основании которых и производится построение классификатора. При этом мы не можем провести такую предобработку данных, при которой будет достигнута линейная разделимость образцов.

Использование нейронных сетей в качестве классификатора

Сети с прямой связью являются универсальным средством аппроксимации функций, что позволяет их использовать в решении задач классификации. Как правило, нейронные сети оказываются наиболее эффективным способом классификации, потому что генерируют фактически большое число регрессионных моделей (которые используются в решении задач классификации статистическими методами).

К сожалению, в применении нейронных сетей в практических задачах возникает ряд проблем. Во-первых, заранее не известно, какой сложности (размера) может потребоваться сеть для достаточно точной реализации отображения. Эта сложность может оказаться чрезмерно высокой, что потребует сложной архитектуры сетей. Так Минский в своей работе "Персептроны" доказал, что простейшие однослойные нейронные сети способны решать только линейно разделимые задачи. Это ограничение преодолимо при использовании многослойных нейронных сетей. В общем виде можно сказать, что в сети с одним скрытым слоем вектор, соответствующий входному образцу, преобразуется скрытым слоем в некоторое новое пространство, которое может иметь другую размерность, а затем гиперплоскости, соответствующие нейронам выходного слоя, разделяют его на классы. Таким образом сеть распознает не только характеристики исходных данных, но и "характеристики характеристик", сформированные скрытым слоем.

Подготовка исходных данных

Для построения классификатора необходимо определить, какие параметры влияют на принятие решения о том, к какому классу принадлежит образец. При этом могут возникнуть две проблемы. Во-первых, если количество параметров мало, то может возникнуть ситуация, при которой один и тот же набор исходных данных соответствует примерам, находящимся в разных классах. Тогда невозможно обучить нейронную сеть, и система не будет корректно работать (невозможно найти минимум, который соответствует такому набору исходных данных). Исходные данные обязательно должны быть непротиворечивы . Для решения этой проблемы необходимо увеличить размерность пространства признаков (количество компонент входного вектора, соответствующего образцу). Но при увеличении размерности пространства признаков может возникнуть ситуация, когда число примеров может стать недостаточным для обучения сети, и она вместо обобщения просто запомнит примеры из обучающей выборки и не сможет корректно функционировать. Таким образом, при определении признаков необходимо найти компромисс с их количеством.

Далее необходимо определить способ представления входных данных для нейронной сети, т.е. определить способ нормирования. Нормировка необходима, поскольку нейронные сети работают с данными, представленными числами в диапазоне 0..1, а исходные данные могут иметь произвольный диапазон или вообще быть нечисловыми данными. При этом возможны различные способы, начиная от простого линейного преобразования в требуемый диапазон и заканчивая многомерным анализом параметров и нелинейной нормировкой в зависимости от влияния параметров друг на друга.

Кодирование выходных значений

Задача классификации при наличии двух классов может быть решена на сети с одним нейроном в выходном слое, который может принимать одно из двух значений 0 или 1, в зависимости от того, к какому классу принадлежит образец. При наличии нескольких классов возникает проблема, связанная с представлением этих данных для выхода сети. Наиболее простым способом представления выходных данных в таком случае является вектор, компоненты которого соответствуют различным номерам классов. При этом i-я компонента вектора соответствует i-му классу. Все остальные компоненты при этом устанавливаются в 0. Тогда, например, второму классу будет соответствовать 1 на 2 выходе сети и 0 на остальных. При интерпретации результата обычно считается, что номер класса определяется номером выхода сети, на котором появилось максимальное значение. Например, если в сети с тремя выходами мы имеем вектор выходных значений (0.2,0.6,0.4), то мы видим, что максимальное значение имеет вторая компонента вектора, значит класс, к которому относится этот пример, – 2. При таком способе кодирования иногда вводится также понятие уверенности сети в том, что пример относится к этому классу. Наиболее простой способ определения уверенности заключается в определении разности между максимальным значением выхода и значением другого выхода, которое является ближайшим к максимальному. Например, для рассмотренного выше примера уверенность сети в том, что пример относится ко второму классу, определится как разность между второй и третьей компонентой вектора и равна 0.6-0.4=0.2. Соответственно чем выше уверенность, тем больше вероятность того, что сеть дала правильный ответ. Этот метод кодирования является самым простым, но не всегда самым оптимальным способом представления данных.

Известны и другие способы. Например, выходной вектор представляет собой номер кластера, записанный в двоичной форме. Тогда при наличии 8 классов нам потребуется вектор из 3 элементов, и, скажем, 3 классу будет соответствовать вектор 011. Но при этом в случае получения неверного значения на одном из выходов мы можем получить неверную классификацию (неверный номер кластера), поэтому имеет смысл увеличить расстояние между двумя кластерами за счет использования кодирования выхода по коду Хемминга, который повысит надежность классификации.

Другой подход состоит в разбиении задачи с k классами на k*(k-1)/2 подзадач с двумя классами (2 на 2 кодирование) каждая. Под подзадачей в данном случае понимается то, что сеть определяет наличие одной из компонент вектора. Т.е. исходный вектор разбивается на группы по два компонента в каждой таким образом, чтобы в них вошли все возможные комбинации компонент выходного вектора. Число этих групп можно определить как количество неупорядоченных выборок по два из исходных компонент. Из комбинаторики

$A_k^n = \frac{k!}{n!\,(k\,-\,n)!} = \frac{k!}{2!\,(k\,-\,2)!} = \frac{k\,(k\,-\,1)}{2}$

Тогда, например, для задачи с четырьмя классами мы имеем 6 выходов (подзадач) распределенных следующим образом:

N подзадачи(выхода)	КомпонентыВыхода
1	1-2
2	1-3
3	1-4
4	2-3
5	2-4
6	3-4

Где 1 на выходе говорит о наличии одной из компонент. Тогда мы можем перейти к номеру класса по результату расчета сетью следующим образом: определяем, какие комбинации получили единичное (точнее близкое к единице) значение выхода (т.е. какие подзадачи у нас активировались), и считаем, что номер класса будет тот, который вошел в наибольшее количество активированных подзадач (см. таблицу).

Это кодирование во многих задачах дает лучший результат, чем классический способ кодирование.

Выбор объема сети

Правильный выбор объема сети имеет большое значение. Построить небольшую и качественную модель часто бывает просто невозможно, а большая модель будет просто запоминать примеры из обучающей выборки и не производить аппроксимацию, что, естественно, приведет к некорректной работе классификатора. Существуют два основных подхода к построению сети – конструктивный и деструктивный. При первом из них вначале берется сеть минимального размера, и постепенно увеличивают ее до достижения требуемой точности. При этом на каждом шаге ее заново обучают. Также существует так называемый метод каскадной корреляции, при котором после окончания эпохи происходит корректировка архитектуры сети с целью минимизации ошибки. При деструктивном подходе вначале берется сеть завышенного объема, и затем из нее удаляются узлы и связи, мало влияющие на решение. При этом полезно помнить следующее правило: число примеров в обучающем множестве должно быть больше числа настраиваемых весов . Иначе вместо обобщения сеть просто запомнит данные и утратит способность к классификации – результат будет неопределен для примеров, которые не вошли в обучающую выборку.

Выбор архитектуры сети

При выборе архитектуры сети обычно опробуется несколько конфигураций с различным количеством элементов. При этом основным показателем является объем обучающего множества и обобщающая способность сети. Обычно используется алгоритм обучения Back Propagation (обратного распространения) с подтверждающим множеством.

Алгоритм построения классификатора на основе нейронных сетей

Работа с данными
- Составить базу данных из примеров, характерных для данной задачи
- Разбить всю совокупность данных на два множества: обучающее и тестовое (возможно разбиение на 3 множества: обучающее, тестовое и подтверждающее).
Предварительная обработка
- Выбрать систему признаков, характерных для данной задачи, и преобразовать данные соответствующим образом для подачи на вход сети (нормировка, стандартизация и т.д.). В результате желательно получить линейно отделяемое пространство множества образцов.
- Выбрать систему кодирования выходных значений (классическое кодирование, 2 на 2 кодирование и т.д.)
Конструирование, обучение и оценка качества сети
- Выбрать топологию сети: количество слоев, число нейронов в слоях и т.д.
- Выбрать функцию активации нейронов (например "сигмоида")
- Выбрать алгоритм обучения сети
- Оценить качество работы сети на основе подтверждающего множества или другому критерию, оптимизировать архитектуру (уменьшение весов, прореживание пространства признаков)
- Остановится на варианте сети, который обеспечивает наилучшую способность к обобщению и оценить качество работы по тестовому множеству
Использование и диагностика
- Выяснить степень влияния различных факторов на принимаемое решение (эвристический подход).
- Убедится, что сеть дает требуемую точность классификации (число неправильно распознанных примеров мало)
- При необходимости вернутся на этап 2, изменив способ представления образцов или изменив базу данных.
- Практически использовать сеть для решения задачи.

Для того, чтобы построить качественный классификатор, необходимо иметь качественные данные. Никакой из методов построения классификаторов, основанный на нейронных сетях или статистический, никогда не даст классификатор нужного качества, если имеющийся набор примеров не будет достаточно полным и представительным для той задачи, с которой придется работать системе.