人工神经网络及其应用第2讲神经网络基础知识 何建华电信系，华中科技大学2003年2月21日内容安排一、生物神经元二、人工神经网络结构三、神经网络基本学习算法一、生物神经元生物神经元突触信息处理信息传递功能与特点1.1 生物神经元神经元是大脑处理信息的基本单元人脑大约由1011个神经元组成，神经元互相连接成神经网络神经元以细胞体为主体，由许多向周围延伸的不规则树枝状纤维构成的神经细胞，其形状很像一棵枯树的枝干主要由细胞体、树突、轴突和突触(Synapse，又称神经键)组成 生物神经元示意图 1.2 突触的信息处理生物神经元传递信息的过程为多输入、单输出神经元各组成部分的功能来看，信息的处理与传递主要发生在突触附近当神经元细胞体通过轴突传到突触前膜的脉冲幅度达到一定强度，即超过其阈值电位后，突触前膜将向突触间隙释放神经传递的化学物质突触有两种类型，兴奋性突触和抑制性突触。前者产生正突触后电位，后者产生负突触后电位1.3 信息传递功能与特点 具有时空整合能力不可逆性，脉冲只从突触前传到突触后，不逆向传递 神经纤维传导的速度，即脉冲沿神经纤维传递的速度，在1150ms之间 信息传递时延和不应期，一般为0.3lms可塑性，突触传递信息的强度是可变的，即具有学习功能 存在学习、遗忘或疲劳（饱和）效应对应突触传递作用增强、减弱和饱和二、人工神经网络结构人工神经网络人工神经元模型常见响应函数人工神经网络典型结构2.1 人工神经网络 直观理解 神经网络是一个并行和分布式的信息处理网络结构它一般由大量神经元组成每个神经元只有一个输出，可以连接到很多其他的神经元每个神经元输入有多个连接通道，每个连接通道对应于一个连接权系数 通用模型求和操作响应函数2.2 人工神经元模型 2.2 人工神经元模型 响应函数的基本作用控制输入对输出的激活作用对输入、输出进行函数转换将可能无限域的输入变换成指定的有限范围内的输出 (a)阈值单元 (b)线性单元(c)(d)非线性单元：Sigmoid函数 2.3 常见神经元响应函数2.3 常见神经元响应函数人工神经元的响应函数 神经元的模型确定之后，一个神经网络的特性及能力主要取决于网络的拓扑结构及学习方法人工神经网络连接的几种基本形式前向网络 (a) 从输出到输入有反馈的前向网络 (b)用来存储某种模式序列层内互连前向网络 (c)限制层内同时动作的神经元；分组功能相互结合型网络 (d)2.4 人工神经网络典型结构神经网络的典型结构 权值确定Hebb学习规则误差校正（纠错）学习规则相近（无教师）学习规则三、神经网络基本学习算法人工神经网络连接权的确定通常有两种方法根据具体要求，直接计算，如Hopfield网络作优化计算通过学习得到的。大多数人工神经网络都采用这种方法 学习方法是人工神经网络研究中的核心问题3.1 权值确定Donall Hebb根据生理学中条件反射机理，于1949年提出的神经元连接强度变化的规则如果两个神经元同时兴奋(即同时被激活)，则它们之间的突触连接加强 a为学习速率，Vi, Vj为神经元i和j的输出Hebb学习规则是人工神经网络学习的基本规则，几乎所有神经网络的学习规则都可以看作Hebb学习规则的变形 3.2 Hebb学习规则用已知样本作为教师对网络进行学习学习规则可由二次误差函数的梯度法导出误差校正学习规则实际上是一种梯度方法不能保证得到全局最优解要求大量训练样本，收敛速度慢对样本地表示次序变化比较敏感3.3 误差校正规则3.3 无教师学习规则这类学习不在于寻找一个特殊映射的表示，而是将事件空间分类为输入活动区域，并有选择地对这些区域响应，从而调整参数一反映观察事件的分部输入可以市连续值，对噪声有较强地抗干扰能力对较少输入样本，结果可能要依赖于输入序列在ART、Kohonen等自组织竞争型网络中采用小结一、生物神经元二、人工神经网络结构三、神经网络基本学习算法下次课程将介绍MP模型和BP模型