2.2. Обучение нейронной сети.

Одно из важнейших свойств нейроподобной сети - способность к самоорганизации, самоадаптации с целью улучшения качества функционирования. Это достигается обучением сети, алгоритм которого задается набором обучающих правил. Обучающие правила определяют, каким образом изменяются связи в ответ на входное воздействие. Обучение основано на увеличении силы связи (веса синопса) между одновременно активными нейронами. Таким образом, часто используемые связи усиливаются, что объясняет феномен обучения путем повторения и привыкания. Математически это правило можно записать так:

(1.5)

где  _ij(t) и  _ij(t+1) - значение связи от i-го к j-му нейрону соответственно до и после его изменения,  - скорость обучения. В настоящее время существует множество разнообразных обучающих правил (алгоритмов обучения). Некоторые из них приведены ниже.

2.2.1. "Back propagation" (алгоритм обратного распространения ошибки).

Этот алгоритм является обобщением одной из процедур обучения простого персептрона, известной как правило Уидроу - Хоффа (или дельта-правило), и требует представления обучающей выборки. Выборка состоит из набора пар образов, между которыми надо установить соответствие, и может рассматриваться как обширное задание векторной функции, область определения которой - набор входных образов, а множество значений - набор выходов.

Перед началом обучения связям присваиваются небольшие случайные значения. Каждая итерация процедуры состоит из двух фаз. Во время первой фазы на сеть подается входной вектор (образ) путем установки в нужное состояние входных элементов. Затем входные сигналы распространяются по сети, порождая некоторый выходной вектор. Для работы алгоритма требуется, чтобы характеристика вход - выход нейроподобных элементов была неубывающей и имела ограниченную производную. Обычно для этого используют сигмоидную нелинейность вида (1.4).

Полученный выходной вектор сравнивается с требуемым. Если они совпадают, обучения не происходит. В противном случае вычисляется разница между фактическими и требуемыми выходными значениями, которая передается последовательно от выходного слоя к входному. На основании этой информации об ошибке производится модификация связей с обобщенным дельта-правилом.

2.2.2. Обучение без "воспитателя".

Обучение без "воспитателя" возможно например в сетях адаптивного резонанса (параграф 2.1.3.). Происходит сравнение входного образа с имеющимися в памяти сети шаблонами. Если нет подходящего шаблона, с которым можно было бы отождествить исследуемый образ, то создается новый шаблон, содержащий в себе этот входной образ. В дальнейшем новый шаблон используется наравне с другими.

3. Нейрокомпьютеры.

Термин "нейрокомпьютер" употребляется для обозначения всего спектра работ в рамках подхода к построению систем искусственного интеллекта, основанного на моделировании элементов, структур, взаимодействий и функций различных нервной системы. Так как в настоящее время исследования в этой области ведутся в основном на уровне моделей нейронных сетей, то понимание термина "нейрокомпьютеры" сужают, ставя знак равенства между ним и нейронными сетями.

В зависимости от способа реализации моделей нейронных сетей выделяют 4 уровня нейрокомпьютеров.

1. Теоретический. Работы, в которых в той или иной форме (математической, алгоритмической, словесной и т.д.) представлено описание моделей нейронных сетей.

2. Программный. Модели нейронных сетей, программно реализованные на обычных последовательных компьютерах.

3. Программно-аппаратный. Сопроцессоры для ускорения моделирования нейронных сетей.

4. Аппаратный. Физически реализованные модели нейронных сетей.

Специфичность нейросетевых операций, а также сверхпараллельность структуры и функционирования моделей нейронных сетей чрезвычайно замедляют их реализацию на обычных последовательных компьютерах. Потребность в выполнении большого объема исследовательских работ и быстром функционировании появившихся прикладных систем привели к появлению специализированных вычислительных устройств для эффективного моделирования нейронных сетей - нейрокомпьютеров в узком смысле слова. Такая трактовка, соответствующая уровням 2 и 3 по приведенной классификации, получила широкое распространение.

Заключение.

Рассмотренные нами нейроподобные сети могут выполнять большой круг задач.

Рассмотрим наиболее простые модели нейронных сетей: однослойный и многослойный персептрон.

Персептрон

Большое количество моделей персептрона рассмотрено в основополагающей работе Розенблатта [47]. Простейшая модель нейронной сети - однослойный персептрон.

Однослойный персептрон (персептрон Розенблатта) - однослойная нейронная сеть, все нейроны которой имеют жесткую пороговую функцию активации.

Однослойный персептрон имеет простой алгоритм обучения и способен решать лишь самые простые задачи. Эта модель вызвала к себе большой интерес в начале 1960-х годов и стала толчком к развитию искусственных нейронных сетей.

Классический пример такой нейронной сети - однослойный трехнейронный персептрон -представлен на рис. 11.3.

Сеть, изображенная на рисунке, имеет n входов, на которые поступают сигналы, идущие по синапсам на 3 нейрона. Эти три нейрона образуют единственный слой данной сети и выдают три выходных сигнала.

Многослойный персептрон (MLP) - нейронная сеть прямого распространения сигнала (без обратных связей), в которой входной сигнал преобразуется в выходной, проходя последовательно через несколько слоев.

Первый из таких слоев называют входным, последний - выходным. Эти слои содержат так называемые вырожденные нейроны и иногда в количестве слоев не учитываются. Кроме входного и выходного слоев, в многослойном персептроне есть один или несколько промежуточных слоев, которые называют скрытыми.

Методи оптимізації нейронних мереж. (11)

До сих пор в обсуждении предполагалось, что мы корректируем веса в традиционных искусственных нейронных сетях. Фактически, однако, это есть лишь некоторый частный случай. Эти статистические методы носят значительно более общий характер и способны решать множество задач нелинейной оптимизации.

Нелинейная оптимизационная задача включает множество независимых переменных, детерминистским образом связанных с значением целевой функции. Целью является нахождение такого множества значений независимых переменных, которое минимизирует (или максимизирует) целевую функцию. Рассмотрим, например, нахождение минимума функции F{x) = 3х³ + 6х² – 2х + 3.

Здесь имеется единственная независимая переменная х, управляющая значением целевой функции F(x), которая должна быть минимизирована. Эта простая функция легко минимизируется с помощью методов дифференциального исчисления, однако минимизировать подобным образом более сложные функции от большого числа переменных может оказаться затруднительным.

Во многих практических ситуациях функциональная связь между независимыми переменными и целевой функцией неизвестна и фактически не может быть известной. Сложный химический процесс может не иметь адекватной математической модели. Единственными измеряемыми величинами могут быть «выход», «качество», «цена» и т. д., которые являются неизвестными функциями от большого числа таких независимых переменных, как температура, время и характеристики сырья.

Подобная задача может решаться следующим образом:

1. Система наблюдается и собираются данные для составления обучающего множества. Каждый элемент обучающего множества состоит из замеров во время наблюдений и включает значения всех входов (входной вектор) и всех выходов (выходной вектор).

2. Сеть обучается на этом обучающем множестве. Обучение состоит из предъявления входного вектора, вычисления выходного вектора, сравнивания выходного вектора с входным вектором, полученным в процессе наблюдений, и коррекции весов, минимизирующей разность между ними. Каждый входной вектор предъявляется по очереди, и сеть частично обучается. После большого числа предъявлении входных векторов сеть сойдется к решению, которое минимизирует разность между желаемыми и измеренными выходами системы. Фактически сеть строит внутреннюю модель неизвестной системы. Если обучающее множество достаточно велико, сеть сходится к точной модели системы. Если сети предъявить некоторый входной вектор, отличный от любого из векторов, предъявленных при обучении, то полностью обученная сеть выдаст тот же самый выходной вектор, что и настоящая система.

3. Максимизируется целевая функция. Целевая функция выходов должна быть сконструирована таким образом, чтобы выражать степень «удовлетворительности» результата. Теперь входы становятся переменными для обученной сети. Они подстраиваются с помощью того же самого обучающего алгоритма, который применялся для выставления весов на шаге 2, однако используются для максимизации целевой функции.

Во многих случаях могут присутствовать ограничения, накладываемые задачей. Например, может быть невозможно физически брать значения переменных вне некоторого диапазона. Эти ограничения (которые могут быть сложными выражениями) могут быть легко учтены отбрасыванием на шаге 3 любого изменения входной переменной, которое нарушает ограничение.

Это обобщение метода стохастической оптимизации позволяет его использовать для широкого круга оптимизационных задач. Можно применять и другие методы, но стохастический метод позволяет преодолеть трудности, обусловленные локальными минимумами, с которыми сталкивается метод обратного распространения и другие методы градиентного спуска. К сожалению, вероятностная природа процесса обучения может приводить к большому времени сходимости. Использование методов псевдотеплоемкости может существенно уменьшить это время, но процесс все равно остается медленным.

Методи навчання нейромереж. (12)