人工神经网络PPT.ppt
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1、人工神经网络人工神经网络Artificial Neural Networks第一页,共七十九页。概述(ish)1.1什么是人工神经网络v人工神经网络:是一种应用类似于大脑神经突触联接的结构进行信息处理的数学模型。在工程与学术界也常直接简称为神经网络或类神经网络。神经网络是一种运算模型,由大量的节点(或称神经元)和之间相互联接构成。每个节点代表一种特定的输出函数,称为激励函数(activationfunction)。每两个节点间的连接都代表一个对于通过该连接信号的加权值,称之为权重,这相当于人工神经网络的记忆。网络的输出则依网络的连接方式,权重值和激励函数的不同而不同。而网络自身通常都是对自然界
2、某种算法或者函数的逼近,也可能是对一种逻辑策略(cl)的表达。第二页,共七十九页。v简单来说,大脑是由大量神经细胞或神经元组成的。v每个神经元可看作是一个小的处理单元,这些神经元按某种方式连接起来,形成大脑内部的生理神经元网络。v这种神经元网络中各神经元之间联结的强弱,按外部的激励信号做自适应变化,而每个神经元又随着所接收到的多个接收信号的综合大小而呈现兴奋或抑制状态。v现已明确大脑的学习过程(guchng)就是神经元之间连接强度随外部激励信息做自适应变化的过程(guchng),而大脑处理信息的结果则由神经元的状态表现出来。第三页,共七十九页。v由于我们建立的信息处理系统实际上是模仿生理神经网
3、络,因此称它为人工神经网络。v需要指出,尽管人工神经网络是对大脑结构的模仿,但这种模仿目前还处于极低的水平。v按美国神经网络学者Nielsen的定义人工神经网络是一个并行、分布处理结构,它由处理单元及其称为联接的无向讯号通道互连而成。这些处理单元具有局部内存,可以完成局部操作(cozu),即它必须仅仅依赖于经过输入联接到达处理单元的所有输入信号的当前值和存储在处理单元局部内存中的值。每个处理单元有一个单一的输出联接,输出信号可以是任何需要的数学模型。第四页,共七十九页。v人工神经网络与一般计算机的区别在一般的计算机中,通常有一个中央处理器,它可访问其存储器。该处理器可取一条指令和该指令所需的数
4、据,并执行该指令,最后(zuhu)将计算结果存入指定的存储单元中。任何动作都按照确定的操作程序,以串行方式执行。第五页,共七十九页。在人工神经网络中,操作既不是串行的,也不是预先确定的,它根本没有确定的存储器,而是由许多互连的简单处理单元组成。每个处理单元的处理功能只是求其所有输入信号的加权和,当该和值超过某一阈值时,输出呈现兴奋状态(高电平),否则低于阈值时呈现抑制状态(低电平)。人工神经网络并不执行指令序列,它对并行加载的输入信号也按并行方式来处理和响应,结果也不存储在特定的存储单元中。当它达到某种平衡状态后,网络的整个状态就是所求的结果。目前还没有用硬件真正实现的并行处理的人工神经网络,
5、对它的实现还是基于一般计算机的软件模拟,这显然并没有真正发挥出人工神经网络并行快速(kuis)的特点。第六页,共七十九页。v人工神经网络的两种操作过程训练学习v训练时,把要教给神经网络的信息(外部输入)作为网络的输入和要求的输出,使网络按某种规则(guz)(称为训练算法)调节各处理单元间的连接权值,直至加上给定输入,网络就能产生给定输出为止。v这时,各连接权已调接好,网络的训练就完成了。正常操作(回忆操作)v对训练好的网络输入一个信号,它就可以正确回忆出相应输出,得到识别结果。第七页,共七十九页。v文本(英文)朗读机实例输入装置是一个阅读窗口,当它沿文本的一行移动时,每次前移一个字母,但每个瞬
6、间输入七个相邻的字母(包括空格和句号)信息。由于英文字母的发音与其前后字母有关,所以训练(xnlin)人工神经网络时,只要求每次七个字母的中间字母发音(靠人工神经网络的输出相应状态驱动一个语音综合发生器)。训练时,将一篇有1024个字的文本一行一行通过阅读窗口,并要求对应每个字母时人工神经网络的输出结点能输出相应音素的状态值。第八页,共七十九页。这样通过十遍阅读(训练),可以(ky)达到输出可理解的语音。通过50遍阅读(训练),可以达到95%的精确度。训练过程中听上去像小孩学说话一样,由不清楚到清楚。训练完成后,再阅读从未见过的课文,朗读精度仍可达78%,完全可以听懂。第九页,共七十九页。v人
7、脸识别实例用10个人的照片,每个人都在不同的角度照5张照片,共有50张照片的输入信息。对人工神经网络进行训练,每个照片信息作为输入时,代表10个人的10个结点中相应的一个(y)结点输出最大,每个人的5张照片都对应着同一个(y)结点的最大输出。经过训练后,再对原来的10个人中的一个从不同角度拍照(尺寸不变),进行识别,结果是他本人对应的结点的输出比其它9个结点的输出都高得多。第十页,共七十九页。v总结和讨论传统计算机采用的是串行处理方式,限制了大量信息的快速传输和处理,即使用了多个处理器并行工作,还是会把许多时间浪费在完成串行操作上,而且问题的并行化分解和并行程序的编写也是一个难题。虽然至今开发
8、出的超型计算机,其速度和容量都大得惊人,但仍不能很好地完成诸如(zhr)小孩可以做到的事情,如认识面孔、学习说话、识别图像等。尽管人工神经网络还是生物大脑的极低水平的模仿,但在图像识别、语音识别、记忆、预测以及优化等方面表现出了良好的智能特性和应用前景,可以完成传统计算机不易实现的智能性工作。第十一页,共七十九页。1.1.3人工神经网络的特点(tdin)v固有的并行结构和并行处理人工神经网络与人类的大脑类似,不但结构上是并行的,其处理顺序也是并行的和同时(tngsh)的。在同一层内的处理单元都是同时工作的,即神经网络的计算功能分布在多个处理单元上,而传统的计算机通常只有一个处理单元,其处理顺序
9、是串行的。目前的神经网络功能常常用一般计算机的串行工作方式来模拟,所以显得很慢,真正意义上的神经网络将会大大提高处理速度,实现快速处理。第十二页,共七十九页。v知识的分布存储在神经网络中,知识不是存储在特定的存储单元,而是分布在整个系统中,要存储多个知识就需要很多连接。在计算机中,只要给定一个地址就可以得到一个或一组数据,在神经网络中,要获得存储的知识则采用“联想”的办法(bnf),这类似于人类和动物的记忆。第十三页,共七十九页。1.1.3人工神经网络的特点v容错性人类大脑具有很强的容错能力,这正是由于大脑中知识是存储在很多处理单元和它们的连接上的。v每天大脑的一些细胞都可能会自动死亡,但这并
10、没有影响人们的记忆和思考能力。人工神经网络可以从不完善的数据和图形进行学习和做出决定v由于知识存在整个系统中,而不是在一个存储单元内,因此一定比例的结点不参与运算(ynsun),对整个系统的性能不会产生重大影响。v神经网络中承受硬件损坏的能力比一般计算机要强得多。第十四页,共七十九页。1.1.4人工神经网络的基本原理v人工神经网络(ArtificialNeuralNetworks,orANN)是对人类(rnli)大脑系统一阶特性的一种描述。v简单的讲,它是一个数学模型,可以用电子线路来实现,也可以用计算机程序来模拟,是人工智能的一种方法。第十五页,共七十九页。什么(shnme)是人工智能?v人
11、工智能(ArtificialIntelligence,orAI)最初是在1956年被引入的,它研究怎样用计算机,模拟人脑从事推理、设计、思考、学习等思维(swi)活动,以解决和处理较复杂的问题,简单的说,人工智能就是让计算机模仿人脑进行工作。第十六页,共七十九页。联接主义(zhy)观点:v在现代神经科学的研究成果基础上,人们提出了一种观点认为:智能的本质(bnzh)是联接机制。神经网络是一个由大量简单的处理单元,组成的高度复杂的大规模非线性自适应系统。第十七页,共七十九页。人工智能的代表(dibio)学派v一、符号主义(zhy)(或逻辑主义(zhy))学派v二、连接主义(或并行分布处理主义)学
12、派v三、进化主义(或行动/响应)学派第十八页,共七十九页。典型(dinxng)生物的神经元第十九页,共七十九页。生物神经元结构(jigu)与功能特点v生物神经元在结构上由四部分组成:细胞体(cellbody)树突(dendrite)轴突(Axon)突触(synapse)用来(ynli)完成神经元间信息的接收、传递和处理。人类大脑皮层约有100亿个神经元,60亿突触以及它们的连接体。第二十页,共七十九页。一、MP模型MP模型属于一种阈值元件模型,它是提出(tch)的最早神经元模型之一。MP模型是大多数神经网络模型的基础。1.2人工神经网络基本(jbn)模型vMP模型(mxng)v感知器模型v自适
13、应线性神经元第二十一页,共七十九页。图2 不带激活(j hu)的人工神经元 神经元的数学模型第二十二页,共七十九页。激活(jhu)函数(ActivationFunction)v线性函数(LinerFunction)v非线性斜面(ximin)函数(RampFunction)v阈值函数(ThresholdFunction)vS型函数(SquaingFunction)vetc激活函数:执行对该神经元所获得的网络输入的变换,也可以称为(chnwi)激励函数、活化函数:o=f(net)第二十三页,共七十九页。人工神经网络的基本(jbn)构成v人工神经元模拟生物神经元的人工神经元模拟生物神经元的一阶特性一
14、阶特性。输入:输入:X=(x1,x2,xn)联接联接(lin ji)(lin ji)权:权:W=(w1,w2,wn)T网络输入:网络输入:net=xiwi向量形式:向量形式:net=XWx2w2fo=f(net)xnwnnet=XWx1w1第二十四页,共七十九页。2.2.2激活激活(j hu)(j hu)函数函数(ActivationFunction)v1、线性函数、线性函数(hnsh)(LinerFunction)f(net)=k*net+cnetooc第二十五页,共七十九页。2、非线性斜面、非线性斜面(ximin)函数函数(RampFunction)ifnetf(net)=k*netif|
15、net|0为一常数,被称为为一常数,被称为(chn wi)(chn wi)饱和值,为该神饱和值,为该神经元的最大输出。经元的最大输出。第二十六页,共七十九页。2、非线性斜面、非线性斜面(ximin)函数(函数(RampFunction)-neto第二十七页,共七十九页。3、阈值、阈值(yzh)函数(函数(ThresholdFunction)阶跃函数)阶跃函数ifnetf(net)=-ifnet、均为非负实数,均为非负实数,为阈值为阈值(y zh)(y zh)二值形式:二值形式:1ifnetf(net)=0ifnet双极形式:双极形式:1ifnetf(net)=-1ifnet第二十八页,共七十九
16、页。3、阈值、阈值(yzh)函数(函数(ThresholdFunction)阶跃函数)阶跃函数-onet0第二十九页,共七十九页。2.2.4人工神经网络处理单元v符号(fho)函数(sgn())硬限幅函数的一种第三十页,共七十九页。4、S形函数形函数(hnsh)a+bo(0,c)netac=a+b/2第三十一页,共七十九页。3.2人工神经网络基础(jch)3.2.2人工神经网络处理单元vSigmoid函数(hnsh)S型函数的一种y=F(s)=1/(1+e-s)第三十二页,共七十九页。3.2人工神经网络基础(jch)v可以把该型函数看作为处理单元定义了一个非线性增益,增益的大小决定于曲线在给定
17、s点的斜率。当s由负无穷增到0时,增益由0增至最大;当s由0增到正无穷时,增益又由最大返回到0。v发现,用该函数可使同一网络既能处理小信号,也能处理大信号。该函数的中间高增益区解决了处理小信号的问题(wnt);伸向两边的低增益区正好适合于处理大的激励信号;这种现象正像生物神经元在输入电平范围很大的情况下能正常工作一样。第三十三页,共七十九页。人工神经网络处理单元是生物神经元的简单近似,在模仿生物神经网络时,具备了生物神经元的某些特性。v至于模仿效果,还需进一步研究,修改模型。人工神经网络处理单元忽略了生物神经元的很多特征。v它没有考虑影响系统动态(dngti)特性的时间延迟,而认为一个输入立即
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