人工神经网络外文翻译

人工神经网络外文翻译
人工神经网络外文翻译

附录二英文参考文献原文

Artificial Neural Networks

Artificial Neural Networks - Basic Features

Composed of a large number of processing units connected by a nonlinear, adaptive information processing system. It is the basis for modern neuroscience research findings presented, trying to simulate a large neural network processing, memory, information processing way of information. Artificial neural network has four basic characteristics:

(1) non-linear non-linear relationship is the general characteristics of the natural world. The wisdom of the brain is a nonlinear phenomenon. Artificial neural activation or inhibition in two different states, this behavior mathematically expressed as a linear relationship. Threshold neurons have a network with better performance, can improve fault tolerance and storage capacity.

(2) non-limitation of a neural network is usually more extensive neuronal connections made. The overall behavior of a system depends not only on the characteristics of single neurons, and may primarily by interaction between units, connected by the decision. By a large number of connections between the cells of non-simulated brain limitations. Associative memory limitations of a typical example of non-

(3) characterization of artificial neural network is adaptive, self-organizing, self-learning ability. Neural networks can not only deal with the changes of information, but also process information the same time, nonlinear dynamic system itself is also changing. Iterative process is frequently used in describing the evolution of dynamical systems.

(4) Non-convexity of the direction of the evolution of a system, under certain conditions, will depend on a particular state function. Such as energy function, and its extreme value corresponding to the state of the system more stable. Non-convexity of this function is more than one extremum, this system has multiple stable equilibrium, which will cause the system to the evolution of diversity.

Artificial neural network, neural processing unit can be expressed in different objects, such as features, letters, concepts, or some interesting abstract patterns. The type of network processing unit is divided into three categories: input units, output units and hidden units. Input unit receiving the signal and data outside world; output unit for processing the results to achieve the output; hidden unit is in between the input and output units can not be observed from outside the system unit. Neurons and the connection weights reflect the strength of the connections between elements of information representation and processing reflected in the network processing unit

connected relationships. Artificial neural network is a non-procedural, adaptability, the brain's information processing style, its essence is transformation through the network and dynamic behavior is a parallel distributed information processing, and to varying degrees and levels mimic brain information processing system. It is involved in neural science, thinking, science and artificial intelligence, computer science and other interdisciplinary fields. Artificial neural networks are parallel distributed systems, using traditional artificial intelligence and information processing technology is completely different mechanism to overcome the traditional symbol of artificial intelligence-based logic in dealing with intuition, unstructured information deficiencies, adaptive, Self-organization and the characteristics of real-time learning.

Artificial Neural Network – History

In 1943, psychologist WSMcCulloch mathematical logician W. Pitts neural network and the establishment of a mathematical model, called the MP model. They put forward by MP model neurons and network structure of formal mathematical description of methods, that a single neuron can perform logic functions, thus creating the era of artificial neural network. In 1949, psychologists proposed the idea of synaptic strength variable. 60 years, artificial neural network to the further development of improved neural network models have been proposed, including the sensors and the adaptive linear element, etc.. M. Minsky and so careful analysis of the sensor represented by the neural network system capabilities and limitations, the in 1969 published a "Perceptron" book, pointed out that the sensor can not solve the issue of higher order predicate. Their argument has greatly influenced research in neural networks, combined with serial computers and artificial intelligence at the achievements made to cover up the development of new computer and artificial intelligence, new ways of necessity and urgency to the research of artificial neural networks at a low ebb . In the meantime, some artificial neural network remains committed to the study, researchers proposed to adapt resonance theory (ART Wang), Zi Zuzhiyingshe, Ren Zhi machine network, while for the neural network Shuxue research. More research and development of neural network research foundation. In 1982, California Institute of Technology physicist JJHopfield proposed Hopfield neural grid model, the concept of "computational energy" concept gives the network stability of the judge. In 1984, he made continuous time Hopfield neural network model for the neural computer research done pioneering work to create a neural network for associative memory and optimization of computing new ways to effectively promote the study of neural networks, In 1985, there are scholars of the Boltzmann model, the use of statistical thermodynamics in the study simulated annealing technology to ensure the overall stability of the whole system tends to point. 1986 to study the microstructure of cognition, proposed the theory of parallel distributed processing. Artificial neural networks in various countries of the importance attached by the U.S. Congress passed a resolution to January 5, 1990 began with a decade as the "brain decade", the international research organization called on its members to "brain of the 10 in "to the global behavior. In Japan's

"real-world computing (RWC)" project, the artificial intelligence research has become an important part.

The main consideration of artificial neural network model topology of the network connection, the characteristics of neurons, learning rules. Currently, nearly 40 kinds of neural network model, including back propagation network, perceptron, self organizing maps, Hopfield networks, Boltzmann machines, meet the resonance theory. According to the connection topology, neural network model can be divided into:

(1) before the network to the network each neuron for the former level of input and output to the next level, network, no feedback, you can use a directed loop-free graph. This network signal from the input space and output space transform its information processing capabilities from a simple nonlinear function of several complex. Network structure is simple, easy to implement. Back-propagation network is a typical feedforward network.

(2) feedback network network neurons have feedback, you can use an undirected complete graph. This neural network information processing is the state of transformation, you can deal with dynamic systems theory. Stability of the system is closely related with the associative memory function. Hopfield networks, Boltzmann machines belong to this category.

Neural network learning is an important part of its adaptability is achieved through learning. According to the environmental changes in the value of the right to make adjustments to improve the system's behavior. Hebb proposed by the Hebb learning rule neural network learning algorithm for the foundation. Hebb learning rule that eventually occurred in the synapses between neurons, synaptic contacts with the synaptic strength of neuronal activity before and after the change. On this basis, it proposed a variety of learning rules and algorithms to meet the needs of different network models. Effective learning algorithm, making neural network connection weights through the adjustment, construction of the objective world of the intrinsic representation, forming a unique information processing method, information Cunchu and processing reflected in the network connection.

According to different learning environment, neural network learning methods can be divided into supervised learning and unsupervised learning. In monitoring the study, the training sample data added to the network input side, while the corresponding desired output and network output compared Dedao error signal, thereby Kongzhiquanzhi connection strength adjustments, Jing Hou several training convergence to a determine the weights. When the sample situation changes, the weights can be modified by learning to adapt to the new environment. Use supervised learning back propagation neural network model has the network, and HC. Non-supervised learning, the prior is not a given standard sample placed directly into the network environment, learning stage and become one session. At this point, learn

to obey the law of change in the evolution equation of connection weights. Non-supervised learning the most simple example is the Hebb learning rule. Competitive learning rule is a more complex example of non-supervised learning, which is based on the established clustering weight adjustment. Self-organizing map, resonance theory network to adapt to competition learn about all the typical model.

Study of nonlinear dynamics of neural networks, the main use of dynamic systems theory, nonlinear programming theory and statistical theory to analyze the evolutionary neural network attractor nature of the process and to explore the neural network of collaborative behavior and collective computing to understand neural information processing mechanism. To investigate the neural networks and fuzzy in the integrity of information in terms of dealing with the possibility of chaos theory concepts and methods could be useful. Chaos is a very difficult to precisely defined mathematical concept. Generally speaking, the "chaos" refers to the dynamic system described by deterministic equations demonstrated the non-deterministic behavior, or call to determine the randomness. "Certainty" because it causes from within and not outside noise or interference generated, and "random" refers to the irregular, unpredictable behavior, can only be described using statistical methods. The main features of chaotic dynamic system is its state of sensitive dependence on initial conditions, reflect the inherent randomness of chaos. Chaos theory is the description of chaotic behavior with the basic theory of nonlinear dynamical systems, concepts, methods, and it is to understand the dynamic complexity of the system for their own actions with the outside world and its material, energy and information exchange process in the inner structured, and not external and accidental behavior, chaotic state is a steady state. Steady state chaotic dynamical systems, including: static, steady volume, periodicity, quasi-period and chaotic solution. Lorenz is the overall stability and local instability in the results of the combination, called the strange attractor. A strange attractor has the following characteristics: (1) strange attractor is an attractor, but it is neither fixed points nor periodic solutions; (2) strange attractor is indivisible, that can not be divided into two and two or more attractors; (3) is very sensitive to its initial value, different initial values will lead to very different behavior.

Artificial neural network - advantages

Artificial neural network features and advantages mainly in three aspects:

First, self-learning function. For example, in pattern recognition, only the first of many different images in the model and the corresponding results should be identified input of artificial neural network, the network will be through self-learning function, and slowly learn to identify similar images. Self-learning function for the forecasts of particular importance. Expected future human artificial neural network computer will provide economic forecast, market forecasting, prediction efficiency, the application of the future is very bright.

Second, with the association storage. Artificial neural network feedback network can achieve this association.

Third, find the optimal solution with high capacity. Find the optimal solution of a complex problem, often requires a great amount of computation, the use of a problem for the design of a feedback type artificial neural network, play a computer's high-speed computing power, may soon find the optimal solution.

Artificial neural network - research

Artificial Neural Networks

Neural network research can be divided into theoretical and applied research on two areas.

Theory can be divided into the following categories:

1, using neuropsychological and cognitive science of human thinking and intelligence mechanism.

2, the neural basis of theoretical research, using mathematical methods to explore a more complete functional performance, superior of the neural network model, in-depth study and performance of network algorithms, such as: stability, convergence, fault tolerance, robustness, etc.; Development mathematical theory of the new network, such as: neural network dynamics, nonlinear neural farms.

Applied research can be divided into the following categories:

1, neural network software simulation and hardware implementation of the study.

2, neural network applications in all areas of research. These areas include:

Pattern recognition, signal processing, knowledge engineering, expert system, optimize, robot control. With the neural network theory and the theory itself, the continuous development of relevant technology, application of neural networks will be more in-depth.

Artificial Neural Networks - Application

Neural networks more and more attention recently because it was solved by the complexity of the problem provides a relatively simple and effective way. Neural networks can easily solve problems with hundreds of parameters (of course the actual existence of the neural network organisms than the procedures described here simulated neural networks are much more complex). Neural network used in two problems: classification and regression. In the structure, a neural network can be divided into input layer, output layer and hidden layer (see Figure 1). Each input layer

node corresponds to a forecast of a variable. Output layer of nodes corresponding to the target variable can have more than one. In the input layer and output layer is hidden layer (the neural network is not visible for the user), number of layers and each layer of hidden layer nodes determines the number of neural network complexity.

Figure 1 A neural network

In addition to the input layer nodes, neural network, each node in front of it with a lot of nodes (called the node of input nodes) connected together, each connection corresponds to a weight Wxy, the value of this node is the node through which all input The value of the weights with the corresponding product and as a function of the input and get our activities in this function is called function or squeezing function. Figure 2, the output node 4 to node 6, the value can be calculated as follows:

W14 * Node 1, the value of the + W24 * value of node 2

Neural network each node can be expressed as predictor variables (nodes 1,2) value or the value of the portfolio (nodes 3-6). Attention to the value of the node 6 is no longer a linear combination of node 1,2, because the data passed in the hidden layer using the activity function. In fact, if there are no active function, then neural network is equivalent to a linear regression function, if the activity of a particular function is a nonlinear function, neural network that it is equivalent to logistic regression.

Adjust the weights of connections between nodes is established (also called training) neural network to do work. The first and most basic method of weight adjustment feedback law is wrong, and now there are more changes in the new gradient method, Newton method, Levenberg-Marquardt method, and genetic algorithms. Regardless of the kind of training methods, we need to have some parameters to control the training process, such as training to prevent overtraining and control the pace.

Figure 2 weighted Wxy the neural network

Decided to neural network topology (or architecture) is contained in the hidden layer and the number of nodes and connections between nodes. To design a neural network from scratch, have to decide the number of hidden layers and nodes, activities in the form of the function, as well as the right to redo that limit, of course, if using sophisticated software tools, he will help you decide these things. In many types of neural networks, the most commonly used to spread the former type neural network, which is ahead of us the kind depicted in the icon. People talk in detail below, in order to facilitate the discussion assumes that only contain a layer of hidden nodes. That the error feedback type training method is the change in slope of the simplified method, the process is as follows: prior to the dissemination of: data from input to output of the process is a front to back of the transmission process, after the value of a node connected to the node through which pass in front of come, then the values of the

weights in accordance with the size of all the weighted input event function and then get the new value, and further spread to the next node.

Feedback: When the output value of the node we expect the value of the difference, that is, an error occurs, the neural network would "learn" (learning from mistakes). We can weight between nodes connected as a node after the previous node on the "trust" level (of his own down the output of a node in front of him which is more vulnerable to the impact of input nodes). Learning are punitive approach, the process is as follows: If a node output error, then he see his error by which (some) input node of the impact caused, is not his most trusted node (the highest weight of node) in framing him (make him wrong), if the trust will have to lower his value (reducing weight), punish them, while those who make the right recommendations increase the trust value of nodes. Nodes who received punishment, he also needs the same way to further punish it in front of the node. Move forward one step on the way to spread until the punishment until the input nodes.

Focus on the training must be repeated for each record this step, using the former to the spread of the output value, if an error occurs, then use the feedback method to learn. When the training set a record for each run over again, people said the completion of a training cycle. To complete the training of neural networks may take many months training period, often several hundred. After training by the neural network training set is found by the model, describes the training focused on response variables affected by the changes of predictor variables.

As the hidden layer neural networks are too many variable parameters, if the training time long enough, then neural network training set is possible to all the details of information "in mind" down, Er not overdo the detail to establish a regular model only has We call this situation as overtraining. Obviously this "model" for training has a high accuracy of assembly, and once left the training set applied to other data, it is possible accuracy declined sharply. To prevent this training over the situation, one must know when to stop training. In some software implementations of the same training courses will use a test set to computational neuroscience network in this test set the correct rate, once the correct rate Buzaishenggao even started to decline, it feels that the neural network has achieved good The state has to stop training.

The curve in Figure 3 can be used to help people understand why the test set to prevent the emergence of excessive training. As can be seen in Figure training set and test set error rate increased with training in the beginning, continue to lower the increase of cycle, the test set error rate reached a trough Instead, it began Shang Sheng, people think it started to rise the moment Jiu Shi should stop training the moment.

Neural network training cycle increases the accuracy of the changes

Neural networks and statistical methods, in essence, there are many differences. Neural Network for a lot more than the statistical methods. Figure 4, there are 13 parameters (9 and 4 weight restrictions). Because so many parameters, through various combinations of parameters to affect the output, so difficult that a neural network model to make visual interpretation. Neural networks is in fact as a "black box" to use, not to manage "box" inside what is simply used on the line. In most cases, this restriction is acceptable. Such as banks may need a handwriting recognition software, but he did not need to know why these lines together is a person's signature, while a similar not. In many complex problems such as high degree of chemical testing, robotics, simulation of financial markets, and language image recognition, neural networks and other fields have achieved very good results.

Another advantage of neural network is easily implemented on parallel computers, can he be assigned to different CPU nodes in parallel computing.

When using the neural network points to note: first, the neural network is difficult to explain, has yet to make a clear interpretation of the neural network methodology.

Second, the neural network will learn too, to train the neural network must be appropriate to use a neural network can be critically evaluated the methods, such as the previously mentioned methods and cross-validation test set method. This is mainly due to neural network is too flexible, too many variable parameters, if given enough time, he almost can "remember" anything.

Third, unless the problem is very simple to train a neural network may need considerable time to complete. Of course, once the neural network was good, and the forecasts do with it, or will soon be running.

Fourth, the establishment of neural networks need a lot of work to do data preparation.

A very misleading myth is that no matter what data neural networks can work well and make accurate predictions. This is inaccurate, in order to obtain accurate models of the data must be careful cleaning, sorting, transformation, selection, etc., of any data mining is that the neural network with particular emphasis on this point. Such as neural networks require that all input variables must be 0-1 (or -1 - +1) between the real number, so as the "area" like the text data need to be done only after the necessary processing for neural networks input.

译文

人工神经网络

人工神经网络-基本特征

由大量处理单元互联组成的非线性、自适应信息处理系统。它是在现代神经科学研究成果的基础上提出的,试图通过模拟大脑神经网络处理、记忆信息的方式进行信息处理。人工神经网络具有四个基本特征:

(1)非线性非线性关系是自然界的普遍特性。大脑的智慧就是一种非线性现象。人工神经元处于激活或抑制二种不同的状态,这种行为在数学上表现为一种非线性关系。具有阈值的神经元构成的网络具有更好的性能,可以提高容错性和存储容量。

(2)非局限性一个神经网络通常由多个神经元广泛连接而成。一个系统的整体行为不仅取决于单个神经元的特征,而且可能主要由单元之间的相互作用、相互连接所决定。通过单元之间的大量连接模拟大脑的非局限性。联想记忆是非局限性的典型例子

(3)非常定性人工神经网络具有自适应、自组织、自学习能力。神经网络不但处理的信息可以有各种变化,而且在处理信息的同时,非线性动力系统本身也在不断变化。经常采用迭代过程描写动力系统的演化过程。

(4)非凸性一个系统的演化方向,在一定条件下将取决于某个特定的状态函数。例如能量函数,它的极值相应于系统比较稳定的状态。非凸性是指这种函数有多个极值,故系统具有多个较稳定的平衡态,这将导致系统演化的多样性。

人工神经网络中,神经元处理单元可表示不同的对象,例如特征、字母、概念,或者一些有意义的抽象模式。网络中处理单元的类型分为三类:输入单元、输出单元和隐单元。输入单元接受外部世界的信号与数据;输出单元实现系统处理结果的输出;隐单元是处在输入和输出单元之间,不能由系统外部观察的单元。神经元间的连接权值反映了单元间的连接强度,信息的表示和处理体现在网络处理单元的连接关系中。人工神经网络是一种非程序化、适应性、大脑风格的信息处理,其本质是通过网络的变换和动力学行为得到一种并行分布式的信息处理功能,并在不同程度和层次上模仿人脑神经系统的信息处理功能。它是涉及神经科学、思维科学、人工智能、计算机科学等多个领域的交叉学科。人工神经网络是并行分布式系统,采用了与传统人工智能和信息处理技术完全不同的机理,克服了传统的基于逻辑符号的人工智能在处理直觉、非结构化信息方面的缺陷,具有自适应、自组织和实时学习的特点

人工神经网络-历史沿革

1943年,心理学家W.S.McCulloch和数理逻辑学家W.Pitts建立了神经网络和数学模型,称为MP模型。他们通过MP模型提出了神经元的形式化数学描述和网络结构方法,证明了单个神经元能执行逻辑功能,从而开创了人工神经网络研究的时代。1949年,心理学家提出了突触联系强度可变的设想。60年代,人工神经网络的到了进一步发展,更完善的神经网络模型被提出,其中包括感知器和自适应线性元件等。M.Minsky等仔细分析了以感知器为

代表的神经网络系统的功能及局限后,于1969年出版了《Perceptron》一书,指出感知器不能解决高阶谓词问题。他们的论点极大地影响了神经网络的研究,加之当时串行计算机和人工智能所取得的成就,掩盖了发展新型计算机和人工智能新途径的必要性和迫切性,使人工神经网络的研究处于低潮。在此期间,一些人工神经网络的研究者仍然致力于这一研究,提出了适应谐振理论(ART网)、自组织映射、认知机网络,同时进行了神经网络数学理论的研究。以上研究为神经网络的研究和发展奠定了基础。1982年,美国加州工学院物理学家J.J.Hopfield提出了Hopfield神经网格模型,引入了“计算能量”概念,给出了网络稳定性判断。1984年,他又提出了连续时间Hopfield神经网络模型,为神经计算机的研究做了开拓性的工作,开创了神经网络用于联想记忆和优化计算的新途径,有力地推动了神经网络的研究,1985年,又有学者提出了波耳兹曼模型,在学习中采用统计热力学模拟退火技术,保证整个系统趋于全局稳定点。1986年进行认知微观结构地研究,提出了并行分布处理的理论。人工神经网络的研究受到了各个发达国家的重视,美国国会通过决议将1990年1月5日开始的十年定为“脑的十年”,国际研究组织号召它的成员国将“脑的十年”变为全球行为。在日本的“真实世界计算(RWC)”项目中,人工智能的研究成了一个重要的组成部分。

人工神经网络-基本内容

人工神经网络模型主要考虑网络连接的拓扑结构、神经元的特征、学习规则等。目前,已有近40种神经网络模型,其中有反传网络、感知器、自组织映射、Hopfield网络、波耳兹曼机、适应谐振理论等。根据连接的拓扑结构,神经网络模型可以分为:

(1)前向网络网络中各个神经元接受前一级的输入,并输出到下一级,网络中没有反馈,可以用一个有向无环路图表示。这种网络实现信号从输入空间到输出空间的变换,它的信息处理能力来自于简单非线性函数的多次复合。网络结构简单,易于实现。反传网络是一种典型的前向网络。

(2)反馈网络网络内神经元间有反馈,可以用一个无向的完备图表示。这种神经网络的信息处理是状态的变换,可以用动力学系统理论处理。系统的稳定性与联想记忆功能有密切关系。Hopfield网络、波耳兹曼机均属于这种类型。

学习是神经网络研究的一个重要内容,它的适应性是通过学习实现的。根据环境的变化,对权值进行调整,改善系统的行为。由Hebb提出的Hebb学习规则为神经网络的学习算法奠定了基础。Hebb规则认为学习过程最终发生在神经元之间的突触部位,突触的联系强度随着突触前后神经元的活动而变化。在此基础上,人们提出了各种学习规则和算法,以适应不同网络模型的需要。有效的学习算法,使得神经网络能够通过连接权值的调整,构造客观世界的内在表示,形成具有特色的信息处理方法,信息存储和处理体现在网络的连接中。

根据学习环境不同,神经网络的学习方式可分为监督学习和非监督学习。在监督学习中,将训练样本的数据加到网络输入端,同时将相应的期望输出与网络输出相比较,得到误差信号,以此控制权值连接强度的调整,经多次训练后收敛到一个确定的权值。当样本情况发生变化时,经学习可以修改权值以适应新的环境。使用监督学习的神经网络模型有反传网络、感知器等。非监督学习时,事先不给定标准样本,直接将网络置于环境之中,学习阶段与工作阶段成为一体。此时,学习规律的变化服从连接权值的演变方程。非监督学习最简单的例子是

Hebb学习规则。竞争学习规则是一个更复杂的非监督学习的例子,它是根据已建立的聚类进行权值调整。自组织映射、适应谐振理论网络等都是与竞争学习有关的典型模型。

研究神经网络的非线性动力学性质,主要采用动力学系统理论、非线性规划理论和统计理论,来分析神经网络的演化过程和吸引子的性质,探索神经网络的协同行为和集体计算功能,了解神经信息处理机制。为了探讨神经网络在整体性和模糊性方面处理信息的可能,混沌理论的概念和方法将会发挥作用。混沌是一个相当难以精确定义的数学概念。一般而言,“混沌”是指由确定性方程描述的动力学系统中表现出的非确定性行为,或称之为确定的随机性。“确定性”是因为它由内在的原因而不是外来的噪声或干扰所产生,而“随机性”是指其不规则的、不能预测的行为,只可能用统计的方法描述。混沌动力学系统的主要特征是其状态对初始条件的灵敏依赖性,混沌反映其内在的随机性。混沌理论是指描述具有混沌行为的非线性动力学系统的基本理论、概念、方法,它把动力学系统的复杂行为理解为其自身与其在同外界进行物质、能量和信息交换过程中内在的有结构的行为,而不是外来的和偶然的行为,混沌状态是一种定态。混沌动力学系统的定态包括:静止、平稳量、周期性、准同期性和混沌解。混沌轨线是整体上稳定与局部不稳定相结合的结果,称之为奇异吸引子。一个奇异吸引子有如下一些特征:(1)奇异吸引子是一个吸引子,但它既不是不动点,也不是周期解;(2)奇异吸引子是不可分割的,即不能分为两个以及两个以上的吸引子;(3)它对初始值十分敏感,不同的初始值会导致极不相同的行为。

人工神经网络-优越性

人工神经网络的特点和优越性,主要表现在三个方面:

第一,具有自学习功能。例如实现图像识别时,只在先把许多不同的图像样板和对应的应识别的结果输入人工神经网络,网络就会通过自学习功能,慢慢学会识别类似的图像。自学习功能对于预测有特别重要的意义。预期未来的人工神经网络计算机将为人类提供经济预测、市场预测、效益预测,其应用前途是很远大的。

第二,具有联想存储功能。用人工神经网络的反馈网络就可以实现这种联想。

第三,具有高速寻找优化解的能力。寻找一个复杂问题的优化解,往往需要很大的计算量,利用一个针对某问题而设计的反馈型人工神经网络,发挥计算机的高速运算能力,可能很快找到优化解。

人工神经网络-研究方向

神经网络的研究可以分为理论研究和应用研究两大方面。

理论研究可分为以下两类:

1、利用神经生理与认知科学研究人类思维以及智能机理。

2、利用神经基础理论的研究成果,用数理方法探索功能更加完善、性能更加优越的神经网络模型,深入研究网络算法和性能,如:稳定性、收敛性、容错性、鲁棒性等;开发新的网

络数理理论,如:神经网络动力学、非线性神经场等。

应用研究可分为以下两类:

1、神经网络的软件模拟和硬件实现的研究。

2、神经网络在各个领域中应用的研究。这些领域主要包括:

模式识别、信号处理、知识工程、专家系统、优化组合、机器人控制等。随着神经网络理论本身以及相关理论、相关技术的不断发展,神经网络的应用定将更加深入。

人工神经网络-应用分析

神经网络近来越来越受到人们的关注,因为它为解决大复杂度问题提供了一种相对来说比较有效的简单方法。神经网络可以很容易的解决具有上百个参数的问题(当然实际生物体中存在的神经网络要比我们这里所说的程序模拟的神经网络要复杂的多)。神经网络常用于两类问题:分类和回归。在结构上,可以把一个神经网络划分为输入层、输出层和隐含层(见图1)。输入层的每个节点对应一个个的预测变量。输出层的节点对应目标变量,可有多个。在输入层和输出层之间是隐含层(对神经网络使用者来说不可见),隐含层的层数和每层节点的个数决定了神经网络的复杂度。

图1一个神经元网络

除了输入层的节点,神经网络的每个节点都与很多它前面的节点(称为此节点的输入节点)连接在一起,每个连接对应一个权重Wxy,此节点的值就是通过它所有输入节点的值与对应连接权重乘积的和作为一个函数的输入而得到,我们把这个函数称为活动函数或挤压函数。如图2中节点4输出到节点6的值可通过如下计算得到:

W14*节点1的值+W24*节点2的值

神经网络的每个节点都可表示成预测变量(节点1,2)的值或值的组合(节点3-6)。注意节点6的值已经不再是节点1、2的线性组合,因为数据在隐含层中传递时使用了活动函数。实际上如果没有活动函数的话,神经元网络就等价于一个线性回归函数,如果此活动函数是某种特定的非线性函数,那神经网络又等价于逻辑回归。

调整节点间连接的权重就是在建立(也称训练)神经网络时要做的工作。最早的也是最基本的权重调整方法是错误回馈法,现在较新的有变化坡度法、类牛顿法、Levenberg-Marquardt 法、和遗传算法等。无论采用那种训练方法,都需要有一些参数来控制训练的过程,如防止训练过度和控制训练的速度。

图2带权重Wxy的神经元网络

决定神经网络拓扑结构(或体系结构)的是隐含层及其所含节点的个数,以及节点之间的连

接方式。要从头开始设计一个神经网络,必须要决定隐含层和节点的数目,活动函数的形式,以及对权重做那些限制等,当然如果采用成熟软件工具的话,他会帮你决定这些事情。在诸多类型的神经网络中,最常用的是前向传播式神经网络,也就是我们前面图示中所描绘的那种。人们下面详细讨论一下,为讨论方便假定只含有一层隐含节点。可以认为错误回馈式训练法是变化坡度法的简化,其过程如下:前向传播:数据从输入到输出的过程是一个从前向后的传播过程,后一节点的值通过它前面相连的节点传过来,然后把值按照各个连接权重的大小加权输入活动函数再得到新的值,进一步传播到下一个节点。

回馈:当节点的输出值与我们预期的值不同,也就是发生错误时,神经网络就要“学习”(从错误中学习)。我们可以把节点间连接的权重看成后一节点对前一节点的“信任”程度(他自己向下一节点的输出更容易受他前面哪个节点输入的影响)。学习的方法是采用惩罚的方法,过程如下:如果一节点输出发生错误,那么他看他的错误是受哪个(些)输入节点的影响而造成的,是不是他最信任的节点(权重最高的节点)陷害了他(使他出错),如果是则要降低对他的信任值(降低权重),惩罚他们,同时升高那些做出正确建议节点的信任值。对那些收到惩罚的节点来说,他也需要用同样的方法来进一步惩罚它前面的节点。就这样把惩罚一步步向前传播直到输入节点为止。

对训练集中的每一条记录都要重复这个步骤,用前向传播得到输出值,如果发生错误,则用回馈法进行学习。当把训练集中的每一条记录都运行过一遍之后,人们称完成一个训练周期。要完成神经网络的训练可能需要很多个训练周期,经常是几百个。训练完成之后得到的神经网络就是在通过训练集发现的模型,描述了训练集中响应变量受预测变量影响的变化规律。

由于神经网络隐含层中的可变参数太多,如果训练时间足够长的话,神经网络很可能把训练集的所有细节信息都“记”下来,而不是建立一个忽略细节只具有规律性的模型,我们称这种情况为训练过度。显然这种“模型”对训练集会有很高的准确率,而一旦离开训练集应用到其他数据,很可能准确度急剧下降。为了防止这种训练过度的情况,人们必须知道在什么时候要停止训练。在有些软件实现中会在训练的同时用一个测试集来计算神经网络在此测试集上的正确率,一旦这个正确率不再升高甚至开始下降时,那么就认为现在神经网络已经达到做好的状态了可以停止训练。

图3中的曲线可以帮人们理解为什么利用测试集能防止训练过度的出现。在图中可以看到训练集和测试集的错误率在一开始都随着训练周期的增加不断降低,而测试集的错误率在达到一个谷底后反而开始上升,人们认为这个开始上升的时刻就是应该停止训练的时刻。

神经网络在训练周期增加时准确度的变化情况

神经元网络和统计方法在本质上有很多差别。神经网络的参数可以比统计方法多很多。如图4中就有13个参数(9个权重和4个限制条件)。由于参数如此之多,参数通过各种各样的组合方式来影响输出结果,以至于很难对一个神经网络表示的模型做出直观的解释。实际上神经网络也正是当作“黑盒”来用的,不用去管“盒子”里面是什么,只管用就行了。在大部分情况下,这种限制条件是可以接受的。比如银行可能需要一个笔迹识别软件,但他没必要知道为什么这些线条组合在一起就是一个人的签名,而另外一个相似的则不是。在很多复杂度很高的问题如化学试验、机器人、金融市场的模拟、和语言图像的识别,等领域神经网络都取得了很好的效果。

神经网络的另一个优点是很容易在并行计算机上实现,可以把他的节点分配到不同的CPU 上并行计算。

在使用神经网络时有几点需要注意:第一,神经网络很难解释,目前还没有能对神经网络做出显而易见解释的方法学。

第二,神经网络会学习过度,在训练神经网络时一定要恰当的使用一些能严格衡量神经网络的方法,如前面提到的测试集方法和交叉验证法等。这主要是由于神经网络太灵活、可变参数太多,如果给足够的时间,他几乎可以“记住”任何事情。

第三,除非问题非常简单,训练一个神经网络可能需要相当可观的时间才能完成。当然,一旦神经网络建立好了,在用它做预测时运行时还是很快得。

第四,建立神经网络需要做的数据准备工作量很大。一个很有误导性的神话就是不管用什么数据神经网络都能很好的工作并做出准确的预测。这是不确切的,要想得到准确度高的模型必须认真的进行数据清洗、整理、转换、选择等工作,对任何数据挖掘技术都是这样,神经网络尤其注重这一点。比如神经网络要求所有的输入变量都必须是0-1(或-1--+1)之间的实数,因此像“地区”之类文本数据必须先做必要的处理之后才能用作神经网络的输入。

人工神经网络原理及实际应用

人工神经网络原理及实际应用 摘要:本文就主要讲述一下神经网络的基本原理,特别是BP神经网络原理,以及它在实际工程中的应用。 关键词:神经网络、BP算法、鲁棒自适应控制、Smith-PID 本世纪初,科学家们就一直探究大脑构筑函数和思维运行机理。特别是近二十年来。对大脑有关的感觉器官的仿生做了不少工作,人脑含有数亿个神经元,并以特殊的复杂形式组成在一起,它能够在“计算"某些问题(如难以用数学描述或非确定性问题等)时,比目前最快的计算机还要快许多倍。大脑的信号传导速度要比电子元件的信号传导要慢百万倍,然而,大脑的信息处理速度比电子元件的处理速度快许多倍,因此科学家推测大脑的信息处理方式和思维方式是非常复杂的,是一个复杂并行信息处理系统。1943年Macullocu和Pitts融合了生物物理学和数学提出了第一个神经元模型。从这以后,人工神经网络经历了发展,停滞,再发展的过程,时至今日发展正走向成熟,在广泛领域得到了令人鼓舞的应用成果。本文就主要讲述一下神经网络的原理,特别是BP神经网络原理,以及它在实际中的应用。 1.神经网络的基本原理 因为人工神经网络是模拟人和动物的神经网络的某种结构和功能的模拟,所以要了解神经网络的工作原理,所以我们首先要了解生物神经元。其结构如下图所示: 从上图可看出生物神经元它包括,细胞体:由细胞核、细胞质与细胞膜组成;

轴突:是从细胞体向外伸出的细长部分,也就是神经纤维。轴突是神经细胞的输出端,通过它向外传出神经冲动;树突:是细胞体向外伸出的许多较短的树枝状分支。它们是细胞的输入端,接受来自其它神经元的冲动;突触:神经元之间相互连接的地方,既是神经末梢与树突相接触的交界面。 对于从同一树突先后传入的神经冲动,以及同一时间从不同树突输入的神经冲动,神经细胞均可加以综合处理,处理的结果可使细胞膜电位升高;当膜电位升高到一阀值(约40mV),细胞进入兴奋状态,产生神经冲动,并由轴突输出神经冲动;当输入的冲动减小,综合处理的结果使膜电位下降,当下降到阀值时。细胞进入抑制状态,此时无神经冲动输出。“兴奋”和“抑制”,神经细胞必呈其一。 突触界面具有脉冲/电位信号转换功能,即类似于D/A转换功能。沿轴突和树突传递的是等幅、恒宽、编码的离散电脉冲信号。细胞中膜电位是连续的模拟量。 神经冲动信号的传导速度在1~150m/s之间,随纤维的粗细,髓鞘的有无而不同。 神经细胞的重要特点是具有学习功能并有遗忘和疲劳效应。总之,随着对生物神经元的深入研究,揭示出神经元不是简单的双稳逻辑元件而是微型生物信息处理机制和控制机。 而神经网络的基本原理也就是对生物神经元进行尽可能的模拟,当然,以目前的理论水平,制造水平,和应用水平,还与人脑神经网络的有着很大的差别,它只是对人脑神经网络有选择的,单一的,简化的构造和性能模拟,从而形成了不同功能的,多种类型的,不同层次的神经网络模型。 2.BP神经网络 目前,再这一基本原理上已发展了几十种神经网络,例如Hopficld模型,Feldmann等的连接型网络模型,Hinton等的玻尔茨曼机模型,以及Rumelhart 等的多层感知机模型和Kohonen的自组织网络模型等等。在这众多神经网络模型中,应用最广泛的是多层感知机神经网络。 这里我们重点的讲述一下BP神经网络。多层感知机神经网络的研究始于50年代,但一直进展不大。直到1985年,Rumelhart等人提出了误差反向传递学习算法(即BP算),实现了Minsky的多层网络设想,其网络模型如下图所示。它可以分为输入层,影层(也叫中间层),和输出层,其中中间层可以是一层,也可以多层,看实际情况而定。

基于知识库的手写体数字识别

HUNAN UNIVERSITY 课程模式识别 题目基于知识库的手写体数字识别学生姓名 学生学号

专业班级 学院名称 2016 年6 月25 日

基于知识库的手写体数字识别 1案例背景: 手写体数字识别是图像识别学科下的一个分支,是图像处理和模式识别研究领域的重要应用之一,并且具有很强的通用性。由于手写数字的随意性很大,如笔画粗细、字体大小、倾斜角度等因素都有可能直接影响到字符的识别准确率,所以手写体数字识别是一个很有挑战性的课题。在过去的数十年中,研究者们提出了许多识别方法,并取得了一定的成果。在大规模数据统计如例行年检、人口普查、财务、税务、邮件分拣等应用领域都有广阔的应用前景。 本案例实现了手写阿拉伯数字的识别过程,并对手写数字识别的基于统计的方法进行了简要介绍和分析。本文实现的手写字体识别程序具有手写数字图像读取、特征提取、数字模板特征库以及识别功能。 2 理论基础: 2-1手写字体识别方法: 手写体数字识别是一个跨学科的复杂问题,综合了图像处理、模式识别、机器学习等多个领域的知识,其识别过程一般包含图像预处理、特征提取、分类器的设定及其后处理等组成。处理流程如图2-1所示。

图2-1 手写体数子识别流程图 2-2 图像预处理 手写体数字识别的首要工作是图像预处理。在图像预处理过程中需要解决的主要问题有:定位、图像二值化、平滑化(去噪)H J、字符切分、规范化等。图像二值化是指将整个图像呈现出明显的黑白效果。待识别的手写体数字图像在扫描过程中,常会带来一些噪声,用不同的扫描分辨率得到的数字图像,其质量也各不相同,故而要先将这些干扰因素排除掉。另外,还需要正确分割整幅文档图像中的手写体数字,而分割后的数字大小、字体常各不相同,故还需进行归一化处理。 2-3 特征提取 特征提取的目的是从经过预处理后的数字图像中,提取出用以区分与其它数字类别的本质属性并数值化,形成特征矢量的过程。常见的手写体数字特征有:模板特征、统计特征、结构特征和变换特征。 2-4 分类器 不同的分类方式对应不同的分类器,可选的分类器有神经网络、支持向量机

Hopfield神经网络综述

题目:Hopfield神经网络综述 一、概述: 1.什么是人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN) 人工神经网络是一个并行和分布式的信息处理网络结构,该网络结构一般由许多个神经元组成,每个神经元有一个单一的输出,它可以连接到很多其他的神经元,其输入有多个连接通路,每个连接通路对应一个连接权系数。 人工神经网络系统是以工程技术手段来模拟人脑神经元(包括细胞体,树突,轴突)网络的结构与特征的系统。利用人工神经元可以构成各种不同拓扑结构的神经网络,它是生物神经网络的一种模拟和近似。主要从两个方面进行模拟:一是结构和实现机理;二是从功能上加以模拟。 根据神经网络的主要连接型式而言,目前已有数十种不同的神经网络模型,其中前馈型网络和反馈型网络是两种典型的结构模型。 1)反馈神经网络(Recurrent Network) 反馈神经网络,又称自联想记忆网络,其目的是为了设计一个网络,储存一组平衡点,使得当给网络一组初始值时,网络通过自行运行而最终收敛到这个设计的平衡点上。反馈神经网络是一种将输出经过一步时移再接入到输入层的神经网络系统。 反馈网络能够表现出非线性动力学系统的动态特性。它所具有的主要特性为以下两点:(1).网络系统具有若干个稳定状态。当网络从某一初始状态开始运动,网络系统总可以收敛到某一个稳定的平衡状态; (2).系统稳定的平衡状态可以通过设计网络的权值而被存储到网络中。 反馈网络是一种动态网络,它需要工作一段时间才能达到稳定。该网络主要用于联想记忆和优化计算。在这种网络中,每个神经元同时将自身的输出信号作为输入信号反馈给其他神经元,它需要工作一段时间才能达到稳定。 2.Hopfiel d神经网络 Hopfield网络是神经网络发展历史上的一个重要的里程碑。由美国加州理工学院物理学家J.J.Hopfield 教授于1982年提出,是一种单层反馈神经网络。Hopfiel d神经网络是反馈网络中最简单且应用广泛的模型,它具有联想记忆的功能。 Hopfield神经网络模型是一种循环神经网络,从输出到输入有反馈连接。在输入的激励下,会产生不断的状态变化。 反馈网络有稳定的,也有不稳定的,如何判别其稳定性也是需要确定的。对于一个Hopfield 网络来说,关键是在于确定它在稳定条件下的权系数。 下图中,第0层是输入,不是神经元;第二层是神经元。

人工神经网络复习题

《神经网络原理》 一、填空题 1、从系统的观点讲,人工神经元网络是由大量神经元通过极其丰富和完善的连接而构成的自适应、非线性、动力学系统。 2、神经网络的基本特性有拓扑性、学习性和稳定收敛性。 3、神经网络按结构可分为前馈网络和反馈网络,按性能可分为离散型和连续型,按学习方式可分为有导师和无导师。 4、神经网络研究的发展大致经过了四个阶段。 5、网络稳定性指从t=0时刻初态开始,到t时刻后v(t+△t)=v(t),(t>0),称网络稳定。 6、联想的形式有两种,它们分是自联想和异联想。 7、存储容量指网络稳定点的个数,提高存储容量的途径一是改进网络的拓扑结构,二是改进学习方法。 8、非稳定吸引子有两种状态,一是有限环状态,二是混沌状态。 9、神经元分兴奋性神经元和抑制性神经元。 10、汉明距离指两个向量中对应元素不同的个数。 二、简答题 1、人工神经元网络的特点? 答:(1)、信息分布存储和容错性。 (2)、大规模并行协同处理。 (3)、自学习、自组织和自适应。 (4)、人工神经元网络是大量的神经元的集体行为,表现为复杂

的非线性动力学特性。 (5)人式神经元网络具有不适合高精度计算、学习算法和网络设计没有统一标准等局限性。 2、单个神经元的动作特征有哪些? 答:单个神经元的动作特征有:(1)、空间相加性;(2)、时间相加性;(3)、阈值作用;(4)、不应期;(5)、可塑性;(6)疲劳。 3、怎样描述动力学系统? 答:对于离散时间系统,用一组一阶差分方程来描述: X(t+1)=F[X(t)]; 对于连续时间系统,用一阶微分方程来描述: dU(t)/dt=F[U(t)]。 4、F(x)与x 的关系如下图,试述它们分别有几个平衡状态,是否为稳定的平衡状态? 答:在图(1)中,有两个平衡状态a 、b ,其中,在a 点曲线斜率|F ’(X)|>1,为非稳定平稳状态;在b 点曲线斜率|F ’(X)|<1,为稳定平稳状态。 在图(2)中,有一个平稳状态a ,且在该点曲线斜率|F ’(X)|>1,为非稳定平稳状态。

人工神经网络的发展及应用

人工神经网络的发展与应用 神经网络发展 启蒙时期 启蒙时期开始于1980年美国著名心理学家W.James关于人脑结构与功能的研究,结束于1969年Minsky和Pape~发表的《感知器》(Perceptron)一书。早在1943年,心理学家McCulloch和数学家Pitts合作提出了形式神经元的数学模型(即M—P模型),该模型把神经细胞的动作描述为:1神经元的活动表现为兴奋或抑制的二值变化;2任何兴奋性突触有输入激励后,使神经元兴奋与神经元先前的动作状态无关;3任何抑制性突触有输入激励后,使神经元抑制;4突触的值不随时间改变;5突触从感知输入到传送出一个输出脉冲的延迟时问是0.5ms。可见,M—P模型是用逻辑的数学工具研究客观世界的事件在形式神经网络中的表述。现在来看M—P 模型尽管过于简单,而且其观点也并非完全正确,但是其理论有一定的贡献。因此,M—P模型被认为开创了神经科学理论研究的新时代。1949年,心理学家D.0.Hebb 提出了神经元之间突触联系强度可变的假设,并据此提出神经元的学习规则——Hebb规则,为神经网络的学习算法奠定了基础。1957年,计算机学家FrankRosenblatt提出了一种具有三层网络特性的神经网络结构,称为“感知器”(Perceptron),它是由阈值性神经元组成,试图模拟动物和人脑的感知学习能力,Rosenblatt认为信息被包含在相互连接或联合之中,而不是反映在拓扑结构的表示法中;另外,对于如何存储影响认知和行为的信息问题,他认为,存储的信息在神经网络系统内开始形成新的连接或传递链路后,新 的刺激将会通过这些新建立的链路自动地激活适当的响应部分,而不是要求任何识别或坚定他们的过程。1962年Widrow提出了自适应线性元件(Ada—line),它是连续取值的线性网络,主要用于自适应信号处理和自适应控制。 低潮期 人工智能的创始人之一Minkey和pape~经过数年研究,对以感知器为代表的网络系统的功能及其局限性从数学上做了深入的研究,于1969年出版了很有影响的《Perceptron)一书,该书提出了感知器不可能实现复杂的逻辑函数,这对当时的人工神经网络研究产生了极大的负面影响,从而使神经网络研究处于低潮时期。引起低潮的更重要的原因是:20世纪7O年代以来集成电路和微电子技术的迅猛发展,使传统的冯·诺伊曼型计算机进入发展的全盛时期,因此暂时掩盖了发展新型计算机和寻求新的神经网络的必要性和迫切性。但是在此时期,波士顿大学的S.Grossberg教授和赫尔辛基大学的Koho—nen教授,仍致力于神经网络的研究,分别提出了自适应共振理论(Adaptive Resonance Theory)和自组织特征映射模型(SOM)。以上开创性的研究成果和工作虽然未能引起当时人们的普遍重视,但其科学价值却不可磨灭,它们为神经网络的进一步发展奠定了基础。 复兴时期 20世纪80年代以来,由于以逻辑推理为基础的人工智能理论和冯·诺伊曼型计算机在处理诸如视觉、听觉、联想记忆等智能信息处理问题上受到挫折,促使人们

人工神经网络题库

人工神经网络 系别:计算机工程系 班级: 1120543 班 学号: 13 号 姓名: 日期:2014年10月23日

人工神经网络 摘要: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)之间相互联接构成,由大量处理单元互联组成的非线性、自适应信息处理系统。它是在现代神经科学研究成果的基础上提出的,试图通过模拟大脑神经网络处理、记忆信息的方式进行信息处理。 关键词:神经元;神经网络;人工神经网络;智能; 引言 人工神经网络的构筑理念是受到生物(人或其他动物)神经网络功能的运作启发而产生的。人工神经网络通常是通过一个基于数学统计学类型的学习方法(Learning Method )得以优化,所以人工神经网络也是数学统计学方法的一种实际应用,通过统计学的标准数学方法我们能够得到大量的可以用函数来表达的局部结构空间,另一方面在人工智能学的人工感知领域,我们通过数学统计学的应用可以来做人工感知方面的决定问题(也就是说通过统计学的方法,人工神经网络能够类似人一样具有简单的决定能力和简单的判断能力),这种方法比起正式的逻辑学推理演算更具有优势。 一、人工神经网络的基本原理 1-1神经细胞以及人工神经元的组成 神经系统的基本构造单元是神经细胞,也称神经元。它和人体中其他细胞的关键区别在于具有产生、处理和传递信号的功能。每个神经元都包括三个主要部分:细胞体、树突和轴突。树突的作用是向四方收集由其他神经细胞传来的信息,轴突的功能是传出从细胞体送来的信息。每个神经细胞所产生和传递的基本信息是兴奋或抑制。在两个神经细胞之间的相互接触点称为突触。简单神经元网络及其简化结构如图2-2所示。 从信息的传递过程来看,一个神经细胞的树突,在突触处从其他神经细胞接受信号。 这些信号可能是兴奋性的,也可能是抑制性的。所有树突接受到的信号都传到细胞体进行综合处理,如果在一个时间间隔内,某一细胞接受到的兴奋性信号量足够大,以致于使该细胞被激活,而产生一个脉冲信号。这个信号将沿着该细胞的轴突传送出去,并通过突触传给其他神经细胞.神经细胞通过突触的联接形成神经网络。 图1-1简单神经元网络及其简化结构图 (1)细胞体 (2)树突 (3)轴突 (4)突触

基于神经网络的手写数字识别系统的设计与实现

中南大学 本科生毕业论文(设计) 题目基于神经网络的手写数字 识别系统的设计与实现

目录 摘要 (Ⅰ) ABSTRACT (Ⅱ) 第一章绪论 (1) 1.1手写体数字识别研究的发展及研究现状 (1) 1.2神经网络在手写体数字识别中的应用 (2) 1.3 论文结构简介 (3) 第二章手写体数字识别 (4) 2.1手写体数字识别的一般方法及难点 (4) 2.2 图像预处理概述 (5) 2.3 图像预处理的处理步骤 (5) 2.3.1 图像的平滑去噪 (5) 2.3.2 二值话处理 (6) 2.3.3 归一化 (7) 2.3.4 细化 (8) 2.4 小结 (9) 第三章特征提取 (10) 3.1 特征提取的概述 (10) 3.2 统计特征 (10) 3.3 结构特征 (11) 3.3.1 结构特征提取 (11) 3.3.2 笔划特征的提取 (11) 3.3.3 数字的特征向量说明 (12) 3.3 知识库的建立 (12) 第四章神经网络在数字识别中的应用 (14) 4.1 神经网络简介及其工作原理 (14) 4.1.1神经网络概述[14] (14) 4.1.2神经网络的工作原理 (14) 4.2神经网络的学习与训练[15] (15) 4.3 BP神经网络 (16) 4.3.1 BP算法 (16) 4.3.2 BP网络的一般学习算法 (16)

4.3.3 BP网络的设计 (18) 4.4 BP学习算法的局限性与对策 (20) 4.5 对BP算法的改进 (21) 第五章系统的实现与结果分析 (23) 5.1 软件开发平台 (23) 5.1.1 MATLAB简介 (23) 5.1.2 MATLAB的特点 (23) 5.1.3 使用MATLAB的优势 (23) 5.2 系统设计思路 (24) 5.3 系统流程图 (24) 5.4 MATLAB程序设计 (24) 5.5 实验数据及结果分析 (26) 结论 (27) 参考文献 (28) 致谢 (30) 附录 (31)

人工神经网络概论

人工神经网络概论 梁飞 (中国矿业大学计算机科学与技术学院信科09-1班,江苏,徐州,221116) 摘要:进入21世纪以来,神经网络近来越来越受到人们的关注,因为神经网络可以很容易的解决具有上百个参数的问题,它为大复杂度问题提供了解决一种相对来说比较有效的简单方法。人工神经网络是涉及神经科学、思维科学、人工智能、计算机科学等多个领域的交叉学科。本文简要介绍了人工神经网络的工作原理、属性、特点和优缺点、网络模型、发展历史及它的应用和发展前景等。 关键词:人工神经网络;人工智能;神经网络;神经系统 1.人工神经网络的简介 人工神经网络(Artificial Neural Networks,简写为 ANN),一种模仿动物神经网络行为特征,进行分布式并行信息处理的算法数学模型。这种网络依靠系统的复杂程度,通过调整内部大量节点之间相互连接的关系,从而达到处理信息的目的。人工神经网络具有自学习和自适应的能力,可以通过预先提供的一批相互对应的输入-输出数据,分析掌握两者之间潜在的规律,最终根据这些规律,用新的输入数据来推算输出结果,这种学习分析的过程被称为“训练”。 2.人工神经网络的工作原理 人脑的处理机制极其复杂,从结构上看它是包含有140亿神经细胞的大规模网络。单个神经细胞的工作速度并不高,但它通过超并行处理使得整个系统实现处理的高速性和表现的多样性。 因此,从处理的角度对人脑进行研究,并由此研制出一种象人脑一样能够“思维”的智能计算机和智能处理方法,一直是人工智能追求的目标。 人脑神经系统的基本构造单元是神经细胞,也称神经元。它和人体中其他细胞的关键区别在于具有产生、处理和传递信号的功能。每个神经元都包括三个主要部分:细胞体、树突和轴突。树突的作用是向四方收集由其他神经细胞传来的信息,轴突的功能是传出从细胞体送来的信息。每个神经细胞所产生和传递的基本信息是兴奋或抑制。在两个神经细胞之间的相互接触点称为突触。从信息的传递过程来看,一个神经细胞的树突,在突触处从其他神经细胞接受信号。这些信号可能是兴奋性的,也可能是抑制性的。所有树突接受到的信号都传到细胞体进行综合处理,如果在一个时间间隔内,某一细胞接受到的兴奋性信号量足够大,以致于使该细胞被激活,而产生一个脉冲信号。这个信号将沿着该细胞的轴突传送出去,并通过突触传给其他神经细胞.神经细胞通过突触的联接形成神经网络。

最新神经网络最新发展综述汇编

神经网络最新发展综述 学校:上海海事大学 专业:物流工程 姓名:周巧珍 学号:201530210155

神经网络最新发展综述 摘要:作为联接主义智能实现的典范,神经网络采用广泛互联的结构与有效的学习机制来模拟人脑信息处理的过程,是人工智能发展中的重要方法,也是当前类脑智能研究中的有效工具。目前,模拟人脑复杂的层次化认知特点的深度学习成为类脑智能中的一个重要研究方向。通过增加网络层数所构造的“深层神经网络”使机器能够获得“抽象概念”能力,在诸多领域都取得了巨大的成功,又掀起了神经网络研究的一个新高潮。本文分8个方面综述了其当前研究进展以及存在的问题,展望了未来神经网络的发展方向。 关键词: 类脑智能;神经网络;深度学习;大数据 Abstract: As a typical realization of connectionism intelligence, neural network, which tries to mimic the information processing patterns in the human brain by adopting broadly interconnected structures and effective learning mechanisms, is an important branch of artificial intelligence and also a useful tool in the research on brain-like intelligence at present. Currently, as a way to imitate the complex hierarchical cognition characteristic of human brain, deep learning brings an important trend for brain-like intelligence. With the increasing number of layers, deep neural network entitles machines the capability to capture “abstract concepts” and it has achieved great success in various fields, leading a new and advanced trend in neural network research. This paper summarizes the latest progress in eight applications and existing problems considering neural network and points out its possible future directions. Key words : artificial intelligence; neural network; deep learning; big data 1 引言 实现人工智能是人类长期以来一直追求的梦想。虽然计算机技术在过去几十年里取得了长足的发展,但是实现真正意义上的机器智能至今仍然困难重重。伴随着神经解剖学的发展,观测大脑微观结构的技术手段日益丰富,人类对大脑组织的形态、结构与活动的认识越来越深入,人脑信息处理的奥秘也正在被逐步揭示。如何借助神经科学、脑科学与认知科学的研究成果,研究大脑信息表征、转换机理和学习规则,建立模拟大脑信息处理过程的智能计算模型,最终使机器掌握人类的认知规律,是“类脑智能”的研究目标。 类脑智能是涉及计算科学、认知科学、神经科学与脑科学的交叉前沿方向。类脑智能的

人工神经网络的发展及应用

人工神经网络的发展及应用 西安邮电学院电信系樊宏西北电力设计院王勇日期:2005 1-21 1 人工神经网络的发展 1.1 人工神经网络基本理论 1.1.1 神经生物学基础生物神经系统可以简略地认为是以神经元为信号的处理单元,通过广泛的突触联系形成的信息处理集团,其物质结构基础和功能单元是脑神经细胞,即神经元(neuron) 。 (1)神经元具有信号的输人、整合、输出三种主要功能作用行为,结构如图1 所示: (2)突触是整个神经系统各单元间信号传递驿站,它构成各神经元之间广泛的联接。 (3)大脑皮质的神经元联接模式是生物体的遗传性与突触联接强度可塑性相互作用的产物,其变化是先天遗传信息确定的总框架下有限的自组织过程。 1.1.2 建模方法神经元的数量早在胎儿时期就已固定,后天的脑生长主要是指树突和轴突从神经细胞体中长出并形成突触联系,这就是一般人工神经网络建模方法的生物学依据。人脑建模一般可有两种方法:①神经生物学模型方法,即根据微观神经生物学知识的积累,把脑神经系统的结构及机理逐步解释清楚,在此基础上建立脑功能模型;②神 经计算模型方法,即首先建立粗略近似的数学模型并研究该模型的动力学特性,然后冉与真实对象作比较(仿真处理方法)。1.1.3 概

念人工神经网络用物理町实现系统采模仿人脑神经系统的结构和功能,是一门新兴的前沿交义学科,其概念以T.Kohonen.Pr 的论述 最具代表性:人工神经网络就是由简单的处理单元(通常为适应性神经元,模型见图2)组成的并行互联网络,它的组织能够模拟生物神 经系统对真实世界物体所作出的交互反应。 1.2 人工神经网络的发展 人工神经网络的研究始于40 年代初。半个世纪以来,经历了兴起、高潮与萧条、高潮及稳步发展的较为曲折的道路。1943 年,心理学家W.S.Mcculloch 和数理逻辑学家W.Pitts 提出了M—P 模型, 这是第一个用数理语言描述脑的信息处理过程的模型,虽然神经元的功能比较弱,但它为以后的研究工作提供了依据。1949 年,心理学家D. O. Hebb提出突触联系可变的假设,根据这一假设提出的学习规律为神经网络的学习算法奠定了基础。1957 年,计算机科学家Rosenblatt 提出了著名的感知机模型,它的模型包含了现代计算机的一些原理,是第一个完整的人工神经网络。1969 年,美国著名人工智能学者M.Minsky 和S.Papert 编写了影响很大的Perceptron 一书,从理论上证明单层感知机的能力有限,诸如不能解决异或问题,而且他们推测多层网络的感知能也不过如此,在这之后近10 年,神经网络研究进入了一个缓慢发展的萧条期。美国生物物理学家J.J.Hopfield 于1982年、1984 年在美国科学院院刊发表的两篇文章,有力地推动了神经网络的研究,引起了研究神经网络的

手写体数字的识别

手写体数字识别 第一章绪论 (4) 1.1课题研究的意义 (4) 1.2国内外究动态目前水平 (4) 1.3手写体数字识别简介 (5) 1.4识别的技术难点 (5) 1.5主要研究工作 (6) 第二章手写体数字识别基本过程: (6) 2.1手写体数字识别系统结构 (6) 2.2分类器设计 (7) 2.2.1 特征空间优化设计问题 (7) 2.2.2分类器设计准则 (8) 2.2.3分类器设计基本方法 (9) 3.4 判别函数 (9) 3.5训练与学习 (10) 第三章贝叶斯方法应用于手写体数字识别 (11) 3.1贝叶斯由来 (11) 3.2贝叶斯公式 (11) 3.3贝叶斯公式Bayes决策理论: (12) 3.4贝叶斯应用于的手写体数字理论部分: (16) 3.4.1.特征描述: (16) 3.4.2最小错误分类器进行判别分类 (17) 第四章手写体数字识别的设计流程及功能的具体实现 (18) 4.1 手写体数字识别的流程图 (18) 4.2具体功能实现方法如下: (19) 结束语 (25) 致谢词 (25) 参考文献 (26) 附录 (27)

摘要 数字识别就是通过计算机用数学技术方法来研究模式的自动处理和识别。随着计算机技术的发展,人类对模式识别技术提出了更高的要求。特别是对于大量己有的印刷资料和手稿,计算机自动识别输入己成为必须研究的课题,所以数字识别在文献检索、办公自动化、邮政系统、银行票据处理等方面有着广阔的应用前景。 对手写数字进行识别,首先将汉字图像进行处理,抽取主要表达特征并将特征与数字的代码存储在计算机中,这一过程叫做“训练”。识别过程就是将输入的数字图像经处理后与计算机中的所有字进行比较,找出最相近的字就是识别结果。 本文主要介绍了数字识别的基本原理和手写的10个数字字符的识别系统的设计实现过程。第一章介绍了数字识别学科的发展状况。第二章手写体数字识别基本过程。第三章贝叶斯方法应用于手写体数字识别。第四章手写体数字识别的设计流程及功能的具体实现,并对实验结果做出简单的分析。 关键词:手写体数字识别分类器贝叶斯vc++6.0 错误!未找到引用源。

Hopfield神经网络综述

题目: Hopfield神经网络综述 一、概述: 1.什么是人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN) 人工神经网络是一个并行和分布式的信息处理网络结构,该网络结构一般由许多个神经元组成,每个神经元有一个单一的输出,它可以连接到很多其他的神经元,其输入有多个连接通路,每个连接通路对应一个连接权系数。 人工神经网络系统是以工程技术手段来模拟人脑神经元(包括细胞体,树突,轴突)网络的结构与特征的系统。利用人工神经元可以构成各种不同拓扑结构的神经网络,它是生物神经网络的一种模拟和近似。主要从两个方面进行模拟:一是结构和实现机理;二是从功能上加以模拟。 根据神经网络的主要连接型式而言,目前已有数十种不同的神经网络模型,其中前馈型网络和反馈型网络是两种典型的结构模型。 1)反馈神经网络(Recurrent Network) 反馈神经网络,又称自联想记忆网络,其目的是为了设计一个网络,储存一组平衡点,使得当给网络一组初始值时,网络通过自行运行而最终收敛到这个设计的平衡点上。反馈神经网络是一种将输出经过一步时移再接入到输入层的神经网络系统。 反馈网络能够表现出非线性动力学系统的动态特性。它所具有的主要特性为以下两点:(1).网络系统具有若干个稳定状态。当网络从某一初始状态开始运动,网络系统总可以收敛到某一个稳定的平衡状态; (2).系统稳定的平衡状态可以通过设计网络的权值而被存储到网络中。 反馈网络是一种动态网络,它需要工作一段时间才能达到稳定。该网络主要用于联想记忆和优化计算。在这种网络中,每个神经元同时将自身的输出信号作为输入信号反馈给其他神经元,它需要工作一段时间才能达到稳定。 2.Hopfield神经网络 Hopfield网络是神经网络发展历史上的一个重要的里程碑。由美国加州理工学院物理学家J.J.Hopfield 教授于1982年提出,是一种单层反馈神经网络。Hopfield神经网络是反馈网络中最简单且应用广泛的模型,它具有联想记忆的功能。 Hopfield神经网络模型是一种循环神经网络,从输出到输入有反馈连接。在输入的激励下,会产生不断的状态变化。 反馈网络有稳定的,也有不稳定的,如何判别其稳定性也是需要确定的。对于一个Hopfield 网络来说,关键是在于确定它在稳定条件下的权系数。 下图中,第0层是输入,不是神经元;第二层是神经元。

人工神经网络综述

人工神经网络综述 摘要:人工神经网络是属于人工智能的一个组成部分,它的提出是基于现代神经科学的相关研究,并且在诸多领域得到了广泛的应用,为人工智能化的发展提供了强大的动力。首先论述了人工神经网络的发展历程,并介绍了几种常见的模型及应用现状,最后总结了当前存在的问题及发展方向。 关键词:神经网络、分类、应用 0引言 多年以来,科学家们不断从医学、生物学、生理学、哲学、信息学、计算机科学、认知学、组织协同学等各个角度探索人脑工作的秘密,希望能制作模拟人脑的人工神经元。特别是近二十年来。对大脑有关的感觉器官的仿生做了不少工作,人脑含有数亿个神经元,并以特殊的复杂形式组成在一起,它能够在计算某些问题(如难以用数学描述或非确定性问题等)时,比目前最快的计算机还要快许多倍。大脑的信号传导速度要比电子元件的信号传导要慢百万倍,然而,大脑的信息处理速度比电子元件的处理速度快许多倍,因此科学家推测大脑的信息处理方式和思维方式是非常复杂的,是一个复杂并行信息处理系统。在研究过程中,近年来逐渐形成了一个新兴的多学科交叉技术领域,称之为“人工神经网络”。神经网络的研究涉及众多学科领域,这些领域互相结合、相互渗透并相互推动。 1人工神经网络概述 1.1人工神经网络的发展 人工神经网络是20世纪80年代以来人工智能领域中兴起的研究热点,因其具有独特的结构和处理信息的方法,使其在许多实际应用中取得了显著成效。 1.1.1人工神经网络发展初期 1943年美国科学家家Pitts和MeCulloch从人脑信息处理观点出发,采用数理模型的方法研究了脑细胞的动作和结构及其生物神经元的一些基本生理特性,他们提出了第一个神经计算模型,即神经元的阈值元件模型,简称MP模型,这是人类最早对于人脑功能的模仿。他们主要贡献在于结点的并行计算能力很强,为计算神经行为的某此方面提供了可能性,从而开创了神经网络的研究。1958年Frank Rosenblatt提出了感知模型(Pereeptron),用来进行分类,并首次把神经网络的研究付诸于工程实践。1960年Bernard Widrow等提出自适应线形元件ADACINE网络模型,用于信号处理中的自适应滤波、预测和模型识别。 1.1.2人工神经网络低谷时期

BP神经网络及深度学习研究-综述(最新整理)

BP神经网络及深度学习研究 摘要:人工神经网络是一门交叉性学科,已广泛于医学、生物学、生理学、哲学、信息学、计算机科学、认知学等多学科交叉技术领域,并取得了重要成果。BP(Back Propagation)神经网络是一种按误差逆传播算法训练的多层前馈网络,是目前应用最广泛的神经网络模型之一。本文将主要介绍神经网络结构,重点研究BP神经网络原理、BP神经网络算法分析及改进和深度学习的研究。 关键词:BP神经网络、算法分析、应用 1 引言 人工神经网络(Artificial Neural Network,即ANN ),作为对人脑最简单的一种抽象和模拟,是人们模仿人的大脑神经系统信息处理功能的一个智能化系统,是20世纪80 年代以来人工智能领域兴起的研究热点。人工神经网络以数学和物理方法以及信息处理的角度对人脑神经网络进行抽象,并建立某种简化模型,旨在模仿人脑结构及其功能的信息处理系统。 人工神经网络最有吸引力的特点就是它的学习能力。因此从20世纪40年代人工神经网络萌芽开始,历经两个高潮期及一个反思期至1991年后进入再认识与应用研究期,涌现出无数的相关研究理论及成果,包括理论研究及应用研究。最富有成果的研究工作是多层网络BP算法,Hopfield网络模型,自适应共振理论,自组织特征映射理论等。因为其应用价值,该研究呈愈演愈烈的趋势,学者们在多领域中应用[1]人工神经网络模型对问题进行研究优化解决。 人工神经网络是由多个神经元连接构成,因此欲建立人工神经网络模型必先建立人工神经元模型,再根据神经元的连接方式及控制方式不同建立不同类型的人工神经网络模型。现在分别介绍人工神经元模型及人工神经网络模型。 1.1 人工神经元模型 仿生学在科技发展中起着重要作用,人工神经元模型的建立来源于生物神经元结构的仿生模拟,用来模拟人工神经网络[2]。人们提出的神经元模型有很多,其中最早提出并且影响较大的是1943年心理学家McCulloch和数学家W. Pitts 在分析总结神经元基本特性的基础上首先提出的MP模型。该模型经过不断改进后,形成现在广泛应用的BP神经元模型。人工神经元模型是由人量处理单元厂泛互连而成的网络,是人脑的抽象、简化、模拟,反映人脑的基本特性。一般来说,作为人工神经元模型应具备三个要素: (1)具有一组突触或连接,常用表示神经元i和神经元j之间的连接强度。 w ij (2)具有反映生物神经元时空整合功能的输入信号累加器。

人工神经网络及其应用实例_毕业论文

人工神经网络及其应用实例人工神经网络是在现代神经科学研究成果基础上提出的一种抽 象数学模型,它以某种简化、抽象和模拟的方式,反映了大脑功能的 若干基本特征,但并非其逼真的描写。 人工神经网络可概括定义为:由大量简单元件广泛互连而成的复 杂网络系统。所谓简单元件,即人工神经元,是指它可用电子元件、 光学元件等模拟,仅起简单的输入输出变换y = σ (x)的作用。下图是 3 中常用的元件类型: 线性元件:y = 0.3x,可用线性代数法分析,但是功能有限,现在已不太常用。 2 1.5 1 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 -6 -4 -2 0 2 4 6 连续型非线性元件:y = tanh(x),便于解析性计算及器件模拟,是当前研究的主要元件之一。

离散型非线性元件: y = ? 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -6 -4 -2 2 4 6 ?1, x ≥ 0 ?-1, x < 0 ,便于理论分析及阈值逻辑器件 实现,也是当前研究的主要元件之一。 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -6 -4 -2 2 4 6

每一神经元有许多输入、输出键,各神经元之间以连接键(又称 突触)相连,它决定神经元之间的连接强度(突触强度)和性质(兴 奋或抑制),即决定神经元间相互作用的强弱和正负,共有三种类型: 兴奋型连接、抑制型连接、无连接。这样,N个神经元(一般N很大)构成一个相互影响的复杂网络系统,通过调整网络参数,可使人工神 经网络具有所需要的特定功能,即学习、训练或自组织过程。一个简 单的人工神经网络结构图如下所示: 上图中,左侧为输入层(输入层的神经元个数由输入的维度决定),右侧为输出层(输出层的神经元个数由输出的维度决定),输入层与 输出层之间即为隐层。 输入层节点上的神经元接收外部环境的输入模式,并由它传递给 相连隐层上的各个神经元。隐层是神经元网络的内部处理层,这些神 经元在网络内部构成中间层,不直接与外部输入、输出打交道。人工 神经网络所具有的模式变换能力主要体现在隐层的神经元上。输出层 用于产生神经网络的输出模式。 多层神经网络结构中有代表性的有前向网络(BP网络)模型、

手写体数字识别系统

石河子大学 信息科学与技术学院毕业论文 课题名称:手写体数字识别系统设计 学生姓名: 学号: 学院:信息科学与技术学院 专业年级:电子信息工程2007级 指导教师: 职称: 完成日期:二○一一年六月十一日

手写体数字识别系统设计 学生: 指导教师: [摘要] 随着科学技术的迅速发展,在邮政编码、统计报表、财务报表、银行票据等处理大量字符信息录入的场合,手写数字识别系统的应用需求越来越强烈,如何将数字方便、快速地输入到计算机中已成为关系到计算机技术普及的关键问题。本文设计实现了一个基于Matlab软件的手写体数字识别系统,采用模块化设计方法,编写了摄像头输入、直接读取图片、写字板输入三个模块,利用摄像头等工具,将以文本形式存在的手写体数字输入进计算机,完成对手写体数字图片的采集,并设计了一种手写数字识别方法,对手写体数字图像进行预处理、结构特征提取、分类识别,最终以文本形式输出数字,从而实现手写体数字的识别。 [关键词] 预处理,结构特征提取,分类识别,手写体数字识别 I

Handwritten Digit Recognition System Students: Teacher: Abstract:With the rapid development of science and technology, in zip code, statistics, reports, financial statements, Bank bills dealing with a large number of characters, such as information recorded occasions, handwritten digit recognition system of requirement has become stronger and stronger, how easily and quickly the number entered in the computer has become a key issue relates to the popularization of computer technology. This article design implementation has a based on Matlab software of handwriting body digital recognition system, used module of design method, write has camera entered, and directly read pictures, and write Board entered three a module, using camera, tools, will to text form exists of handwriting body digital entered into computer, completed on handwriting body digital pictures of collection, and design has a handwriting digital recognition method, on handwriting body digital image for pretreatment, and structure features extraction, and classification recognition, eventually to text form output digital, to implementation handwriting body digital of recognition. Key words: Pretreatment, structure feature extraction, classification and recognition, handwritten digit recognition. II

人工智能发展综述

人工智能发展综述 摘要:概要的阐述下人工智能的概念、发展历史、当前研究热点和实际应用以及未来的发展趋势。 关键词:人工智能; 前景; 发展综述 人工智能(Artificial Intelligence)自1956 年正式问世以来的五十年间已经取得了长足的进展,由于其应用的极其广泛性及存在的巨大研究开发潜力, 吸引了越来越多的科技工作者投入人工智能的研究中去。尤其是八十年代以来出现了世界范围的开发新技术的高潮,许多发达国家的高科技计划的重要内容是计算机技术,而尤以人工智能为其基本重要组成部分。人工智能成为国际公认的当代高技术的核心部分之一。 1什么是人工智能 美国斯坦福大学人工智能研究中心尼尔逊教授给人工智能下了这样一个定义:人工智能是关于知识的学科, 是怎样表示知识以及怎样获得知识并使用知识的科学。从人工智能所实现的功能来定义是智能机器所执行的通常与人类智能有关的功能,如判断、推理、证明、识别学习和问题求解等思维活动。这些反映了人工智能学科的基本思想和基本内容, 即人工智能是研究人类智能活动的规律。若是从实用观点来看,人工智能是一门知识工程学:以知识为对象,研究知识的获取、知识的表示方法和知识的使用。 从计算机应用系统的角度出发,人工智能是研究如何制造智能机器或智能系统,来模拟人类智能活动的能力,以延伸人们智能的科学。如果仅从技术的角度来看,人工智能要解决的问题是如何使电脑表现智能化,使电脑能更灵活方效地为人类服务。只要电脑能够表现出与人类相似的智能行为,就算是达到了目的,而不在乎在这过程中电脑是依靠某种算法还是真正理解了。人工智能就是计算机科学中涉及研究、设计和应用智能机器的—个分支,人工智能的目标就是研究怎样用电脑来模仿和执行人脑的某些智力功能,并开发相关的技术产品,建立有关的理论。 2 人工智能历史 当然,人工智能的发展也并不是一帆风顺的,人工智能的研究经历了以下几

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