Основы теории нейронных сетей

Развитие искусственных нейронных сетей вдохновляется биологией. То есть, рассматривая сетевые конфигурации и алгоритмы, исследователи применяют термины, заимствованные из принципов организации мозговой деятельности. Но на этом аналогия заканчивается. Наши знания о работе мозга столь ограничены, что мало бы нашлось точно доказанных закономерностей для тех, кто пожелал бы руководствоваться ими. Поэтому разработчикам сетей приходится выходить за пределы современных биологических знаний в поисках структур, способных выполнять полезные функции. Во многих случаях это приводит к необходимости отказа от биологического правдоподобия, мозг становится просто метафорой, и создаются сети, невозможные в живой материи или требующие неправдоподобно больших допущений об анатомии и функционировании мозга.
Несмотря на то, что связь с биологией слаба и зачастую несущественна, искусственные нейронные сети продолжают сравнивать с мозгом. Их функционирование часто имеет внешнее сходство с человеческим познанием, поэтому трудно избежать этой аналогии. К сожалению, такие сравнения неплодотворны и создают неоправданные ожидания, неизбежно ведущие к разочарованию.

Биологический прототип
Искусственный нейрон имитирует в первом приближении свойства биологического нейрона. На вход искусственного нейрона поступает некоторое множество сигналов, каждый из которых является выходом другого нейрона. Каждый вход умножается на соответствующий вес, аналогичный синаптической силе, и все произведения суммируются, определяя уровень активации нейрона.

Персептроны и зарождение искусственных нейронных сетей
В качестве предмета исследования искусственные нейронные сети впервые заявили о себе в 1940-е годы. Стремясь воспроизвести функции человеческого мозга, исследователи создали простые аппаратные (а позже программные) модели биологического нейрона и системы его соединений. Когда нейрофизиологи достигли более глубокого понимания нервной системы человека, эти ранние попытки стали восприниматься как весьма грубые аппроксимации.

Обучение персептрона
Способность искусственных нейронных сетей к обучению является их наиболее интригующим свойством. Подобно биологическим системам, которые они моделируют, эти нейронные сети сами совершенствуют себя в результате попыток создать лучшую модель поведения.

Введение в процедуру обратного распространения
Среди различных структур нейронных сетей (НС) одной из наиболее известных является многослойная структура, в которой каждый нейрон произвольного слоя связан со всеми аксонами нейронов предыдущего слоя или, в случае первого слоя, со всеми входами НС. Такие НС называются полносвязными. Когда в сети только один слой, алгоритм ее обучения с учителем довольно очевиден, так как правильные выходные состояния нейронов единственного слоя заведомо известны и подстройка синаптических связей идет в направлении, минимизирующем ошибку на выходе сети. По этому принципу строится, например, алгоритм обучения однослойного персептрона

Переобучение и обобщение
Одна из наиболее серьезных трудностей алгоритма обратного распространения заключается в том, что таким образом мы минимизируем не ту ошибку, которую на самом деле нужно минимизировать, — ошибку, которую можно ожидать от сети, когда ей будут подаваться совершенно новые наблюдения. Иначе говоря, мы хотели бы, чтобы нейронная сеть обладала способностью обобщать результат на новые наблюдения.

Введение в сети встречного распространения
По своим возможностям сети встречного распространения превосходят возможности однослойных сетей. Время же их обучения, по сравнению с обратным распространением, может уменьшаться в сто раз. Встречное распространение не настолько общее, как обратное распространение, но оно может давать решение в тех приложениях, где долгая обучающая процедура невозможна. Будет показано, что, помимо преодоления ограничений других сетей, встречное распространение обладает собственными интересными и полезными свойствами.

Использование обучения
Искусственная нейронная сеть обучается с помощью некоторого процесса, модифицирующего ее веса. Если обучение успешно, то предъявление сети множества входных сигналов приводит к появлению желаемого множества выходных сигналов. Имеется два класса обучающих методов: детерминистский и стохастический.

Конфигурации сетей с обратными связями
Рассмотренный нами ранее персептрон относится к классу сетей с направленным потоком распространения информации и не содержит обратных связей. На этапе функционирования каждый нейрон выполняет свою функцию — передачу возбуждения другим нейронам — ровно один раз. Динамика состояний нейронов является неитерационной.

Модификации правила Хэбба
Ограничения емкости синаптической памяти, а также проблема ложной памяти классической нейронной сети в модели Хопфилда, обученной по правилу Хебба, привели к появлению целого ряда исследований, целью которых было снятие этих ограничений. При этом главный упор делался на модификацию правил обучения.

Структура ДАП
В дальнейшем будем предполагать, что используется пороговая функция активации. Примем также, что существует память внутри каждого нейрона в слоях 1 и 2 и что выходные сигналы нейронов изменяются одновременно с каждым тактом синхронизации, оставаясь постоянными в паузах между этими тактами.

Принцип адаптивного резонанса
Привлекательной особенностью нейронных сетей с адаптивным резонансом является то, что они сохраняют пластичность при запоминании новых образов, и, в то же время, предотвращают модификацию старой памяти. Нейросеть имеет внутренний детектор новизны - тест на сравнение предъявленного образа с содержимым памяти. При удачном поиске в памяти предъявленный образ классифицируется с одновременной уточняющей модификацией синаптических весов нейрона, выполнившего классификацию.

Функционирование сетей APT
Для выработки точной классификации полезна возможность изменять коэффициент сходства на протяжении процесса обучения, обеспечивая только грубую классификацию в начале процесса обучения и затем постепенно увеличивая коэффициент сходства.

Структура сети
Когнитрон состоит из иерархически связанных слоев нейронов двух типов — тормозящих и возбуждающих. Состояние возбуждения каждого нейрона определяется суммой его тормозящих и возбуждающих входов. Синаптические связи идут от нейронов одного слоя (далее слоя 1) к следующему (слою 2). Относительно данной синаптической связи соответствующий нейрон слоя 1 является пресинаптическим, а нейрон второго слоя — постсинаптическим.

Обобщение
Неокогнитрон имеет иерархическую структуру, ориентированную на моделирование зрительной системы человека. Он состоит из последовательности обрабатывающих слоев, организованных в иерархическую структуру. Входной образ подается на первый слой и передается через плоскости, соответствующие последующим слоям, до тех пор, пока не достигнет выходного слоя, в котором идентифицируется распознаваемый образ.

Обучение с учителем и без учителя
Обучающие алгоритмы могут быть классифицированы как алгоритмы обучения с учителем и обучения без учителя. В первом случае существует учитель, который предъявляет входные образы сети, сравнивает результирующие выходы с требуемыми, а затем настраивает веса сети таким образом, чтобы уменьшить различия. Трудно представить такой обучающий механизм в биологических системах; следовательно, хотя данный подход привел к большим успехам при решении прикладных задач, он отвергается теми исследователями, кто полагает, что искусственные нейронные сети обязательно должны использовать те же механизмы, что и человеческий мозг.

Путь художника

Эта книга и есть то, что я делаю. Вот уже десять лет я веду семинары, целью которых является высвобождение творческого начала. Моими учениками были художники и не художники, музыканты и режиссеры, домохозяйки и адвокаты ? словом, любой, кто хотел научиться жить более созидательно, занимаясь каким-либо искусством. Более того, любой, кто хотел бы научиться искусству жить творчески. За эти годы я нашла, изобрела, угадала разные приемы, а также была одарена ими свыше. Используя их, преподавая и рекомендуя другим, я видела, как исчезали преграды, мешающие творчеству, и менялись судьбы людей, и все лишь благодаря тому, что мы привлекали Великого Создателя к открытию и пробуждению в нас творческих сил.
"Великий Создатель? Точно о каком-то индейском божестве. Звучит как-то слишком по-христиански, чересчур мудрено, слишком..." Глупо? Бесхитростно? Угрожающе? Не спорю. Воспринимайте это как тренировку восприимчивости или как игру. Просто скажите себе: "Ладно, пусть будет Великий Создатель, кем бы он ни был" ? и продолжайте читать. Позвольте себе допустить, что где-то существует какой-то там Великий Создатель, который способен помочь вам высвободить творческое начало.

Мой собственный путь
Упражнение "раннее воспитание"