5. Машинное обучение на основе нейронных сетей

Искусственные нейронные сети (ИНС) строятся по принципам организа­ции и функционирования их биологических аналогов. Такие сети пред­назначены для решения широкого круга задач: распознавания образов, идентификации, прогнозирования, оптимизации, управления сложны­ми объектами. Дальнейшее повышение производительности компьютеров все в большей мере связывают с ИНС, в частности, с нейрокомпьютера­ми (НК), основу которых составляет искусственная нейронная сеть.

До недавнего времени технологии искусственного интеллекта счи­тали излишней аппеляцию к архитектуре мозга, его нейронным струк­турам, и декларировали необходимость моделирования работы человека со знаниями. Сейчас более популярна точка зрения, что искусственные нейронные сети могут заменить собой современный искусственный ин­теллект. Однако многое свидетельствует о том, что оба подхода будут существовать вместе, объединяясь в системах, где каждый из них ис­пользуется для решения тех задач, с которыми он лучше справляется.

Краткая историческая справка

Часто теорию нейронных сетей считают молодой наукой. Однако ее истоки относятся к периоду ранних работ в области компьютерных наук, психологии и философии. Например, еще Джон фон Нейман восхищался теорией клеточных автоматов и нейроподобным подходом к вычислениям.

Окончательно термин «нейронные сети» сформировался к середине 50 годов XX века. Основные результаты в этой области связаны с име­нами У. Маккалоха, Д. Хебба, Ф. Розенблатта, М. Минского, Дж. Хопфилда.

В 1943 году У. Маккалох (W. McCulloch) и У. Питтс (W. Pitts) пред­ложили модель нейрона и сформулировали основные положения теории функционирования головного мозга.

В 1949 году Д. Хебб (D. Hebb) высказал идеи о характере соедине­ний нейронов мозга и их взаимодействии и описал правила обучения нейронной сети.

В 1958 году Ф. Розенблатт (F. Rosenblatt) разработал принципы орга­низации и функционирования персептронов, предложил вариант технической реализации первого в мире нейрокомпьютера Mark.

В 1969 году была опубликована книга М. Минского (M. Minsky) и С. Пейперта (S. Papert) «Персептроны», в которой была доказана прин­ципиальная ограниченность возможностей персептронов, что послужило причиной угасания интереса к искусственным нейронным сетям.

В начале 1980 годов происходит возобновление интереса к искус­ственным нейронным сетям как следствие накопления новых знаний о деятельности мозга, а также значительного прогресса в области микро­электроники и компьютерной техники.

В 1982—1985 годах Дж. Хопфилд (J. Hopfield) предложил семей­ство оптимизирующих нейронных сетей, моделирующих ассоциативную память.

1987 год стал началом широкомасштабного финансирования раз­работок в области ИНС и НК в США, Японии и Западной Европе.

В 1989 году разработки и исследования в области ИНС и НК ведут­ся практически всеми крупными электротехническими фирмами. Ней­рокомпьютеры становятся одним из самых динамичных секторов рынка (за два года объем продаж вырос в пять раз). В 1997 году объем продаж на рынке ИНС и НК превысил 2 млрд. долларов, а ежегодный прирост составил 50%.

В 2000 году благодаря переходу на субмикронные и нанотехнологии, а также успехам молекулярной и биомолекулярной технологий происхо­дит переход к принципиально новым архитектурным и технологическим решениям по созданию нейрокомпьютеров.

Основные проблемы,

решаемые искусственными нейронными сетями

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

Кластеризация/категоризация. При решении задачи кластеризации, которая известна также как классификация образов без учителя, отсутствует обучающая выборка с образцами 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 их свойств.

Аппроксимизация функций. Предположим, что имеется обу­чающая выборка которая генерируется неизвестной функцией, искаженной шумом. Задача аппроксимации со­стоит в нахождении оценки этой функции.

Предсказание/прогноз. Пусть заданы N дискретных от­счетов в последовательные моменты времени Задача состоит в предсказании значения в момент Прогнозы имеют значительное влияние на принятие решений в бизнесе, науке и технике.

Оптимизация. Многие проблемы в математике, статистике, технике, науке, медицине и экономике могут рассматриваться как про­блемы оптимизации. Задачей оптимизации является нахождение реше­ния, которое удовлетворяет системе ограничений и максимизирует или минимизирует целевую функцию.

Каким образом нейронная сеть решает все эти иногда неформализуемые или трудно формализуемые задачи? Как известно, для решения таких задач традиционно применяются два основных подхода. Первый, основанный на правилах (rule-based), характерен для экспертных систем. Он базируется на описании предметной области в виде набора правил (аксиом) «ЕСЛИ ..., ТО ...» и правил вывода. Искомое знание представляется в этом случае теоремой, истинность которой доказывается посредством построения цепочки вывода. При этом подходе, однако, необходимо заранее знать весь набор закономерностей, описывающих предметную область. При использовании другого подхода, основанного на приме­рах (case-based), надо лишь иметь достаточное количество примеров для настройки адаптивной системы с заданной степенью достоверности. Ней­ронные сети представляют собой классический пример такого подхода.