Anna Michalak

Sztuczne sieci neuronowe

Dodano: 31 styczeń 2004 r.

Budowa ludzkiego mózgu od zawsze była czymś niezwykle fascynującym. Mimo prowadzonych od wielu lat badań nadal do końca nie jesteśmy w stanie wyjaśnić wszystkich fenomenów związanych z jego działaniem.

Co to są sztuczne sieci neuronowe?

Sztuczne sieci neuronowe są zaskakująco ciekawym, mimo że jednocześnie bardzo uproszczonym, modelem pewnych fragmentów naszego mózgu. I może dlatego dziedzina ta budzi wciąż żywe zainteresowanie na całym świecie. Jej początki sięgają wielkich odkryć biologów prowadzących badania nad ludzkim mózgiem. Lecz pierwotnie dziedziną sieci neuronowych zajmowali się wyłącznie biofizjolodzy. Zmieniło się to dopiero za sprawą McCullocha i Pittsa, którzy w 1943 roku po raz pierwszy przedstawili matematyczny opis komórki nerwowej i jego powiązanie z problemem przetwarzania danych.

Sztuczna sieć neuronowa składa się z dużej liczby elementów równolegle przetwarzających informacje. Elementy te to właśnie tzw. neurony, chociaż w stosunku do rzeczywistych komórek nerwowych ich funkcje są bardzo uproszczone.

Budowa komórki nerwowej


Rysunek 1. Budowa komórki nerwowej

Na początku warto przyjrzeć się budowie komórki nerwowej (rysunek 1). Poprzez dendryty pojedynczy neuron zbiera sygnały z innych komórek i receptorów. Sygnały ze wszystkich dendrytów są zbierane i sumowane w ciele komórki nerwowej (perikarionie), które wyznacza również sygnał wyjściowy. Informacja przekazywana jest poprzez akson, który wyprowadza sygnał wyjściowy i rozsyła do innych neuronów poprzez rozgałęzioną strukturę wyjściową, tzw. telodendron. Poprzez synapsy przekazywany jest sygnał od neuronu do neuronu. Pobudzony przez synapsy neuron przechodzi do stanu aktywnego, tzn. wysyła przez swój akson sygnał elektrochemiczny o charakterystycznym kształcie, amplitudzie i czasie trwania. Neuron może przejść w stan aktywny jedynie wtedy, gdy łączny sygnał, który dotarł do ciała komórki przez dendryty przekroczy pewien poziom progowy.

Modele sztucznych sieci neuronowych


Rysunek 2. Model sztucznego neuronu

Sztuczne sieci neuronowe są uproszczonym modelem biologicznych komórek nerwowych. Rolę dendrytów, zbierających niejako sygnały z innych komórek, pełnią wektory wejściowe (x1,..,xN), aksonem, wyprowadzającym sygnał wyjściowy jest wektor wyjściowy neuronu (yi). Sztuczne neurony, na podobieństwo ich prawzorów - neuronów biologicznych, charakteryzują się występowaniem wielu sygnałów wejściowych, którym przypisane są odpowiednie wagi (wi1,..,wiN) i jednego sygnału wyjściowego. Role perikarionu spełnia cześć odpowiedzialna za sumowanie sygnałów otrzymanych z wejść (+). Sygnał wyjściowy wyznaczany jest następnie przy pomocy tzw. funkcji aktywacji (f(ui)). Neuron więc jedynie wyznacza sumę ważoną swoich wejść i jeśli sygnał wyjściowy przekracza wartość progową neuronu, przechodzi on w stan zapłonu.

Zadziwiające jest to, że przy tak prostym modelu sztucznego neuronu, sieć neuronowa - jako struktura wieloneuronowa - może osiągać tak dobre rezultaty praktyczne. Model sztucznego neuronu przedstawiono na rysunku 2.

Kiedy stosować sieci neuronowe, a kiedy... lepiej ich nie stosować?

Naturalnym wydaje się pytanie, dlaczego właśnie sieci neuronowe i po co je w ogóle używać? Fascynującą a zarazem tajemniczą cechą wszechświata jest to, że w wielu sytuacjach możemy zachodzące wokół nas zjawiska opisać, posługując się matematyką. Czasami do wielu złożonych zjawisk można napisać równania, które w sposób prawdziwy i pełny opisują te zjawiska. I wiele takich równań zostało napisanych, a potem rozwiązanych. Dobrze zbudowany model matematyczny określonego zjawiska czy procesu pozwala sprawnie rozwiązywać wiele zagadnień z nim związanych. Dlatego, jeśli tylko jest to możliwie, poszukuje się takich modeli różnych systemów, gdyż są one bardzo przydatne i efektywne. Jednak aby móc zbudować model matematyczny, potrzebna jest dobra znajomość struktury danego układu oraz wszelkich praw i zależności, jakie zachodzą wewnątrz niego. Dla wielu procesów i systemów taką wiedzę posiadamy i dla nich zbudowano już bardzo dobre modele matematyczne. I wtedy stosowanie sieci neuronowych mija się w ogóle z celem, gdyż w takich przypadkach model matematyczny jest zawsze najlepszy. Jednak istnieją również liczne problemy, których struktura i prawa działania nie zostały na tyle poznane, by móc budować efektywne modele. Co więcej, dla niektórych spośród nich nie znamy nawet do końca czynników, które determinują przebieg i rezultat ich działania. Zaletą sieci neuronowych jest właśnie to, że mogą być stosowane wszędzie tam, gdzie zachodzą problemy z tworzeniem modeli matematycznych. Twórca sieci nie musi bowiem z góry deklarować formy poszukiwanego modelu, a nawet nie musi być pewny, czy jakakolwiek zależność dająca się matematycznie modelować w ogóle występuje.

Udanych przykładów zastosowań jest bardzo wiele, niektóre z nich to diagnostyka układów elektronicznych, interpretacja badań biologicznych, rozpoznawanie obrazów (ich analiza i klasyfikacja), rozpoznawanie mowy, diagnostyka medyczna, teoria sterowania i zagadnienia optymalizacyjne, dziedzina tzw. sztucznej inteligencji, a zwłaszcza jako systemy ekspertowe.

Coraz większą popularność i zainteresowanie sieci neuronowe w dużej mierze zawdzięczają m.in. zdolności równoległego przetwarzania informacji, zdolności do uczenia się oraz uogólniania nabytej wiedzy, stanowiąc pod tym względem system sztucznej inteligencji.

Tagi: nauka
Reklama

Dodaj nową odpowiedź

Image CAPTCHA
Sklep

Polecamy

Bohaterowie tomiku ciągle się czegoś uczą. Czasami przypominają sobie, że mają serce,...

12,90 zł

Dzieje św. Jana Bosko w pigułce ‒ tak można opisać tę bardzo syntetyczną biografię...

24,90 zł

Kolorowanka o Eucharystii, która wyjaśnia Mszę Świętą, odwołując się do codziennego życia...

9,90 zł

"Życie według jutrzenki" jest już szesnastym tomikiem z serii „Krótkie opowiadania dla...

11,80 zł

Mocne świadectwo Katarzyny ukazuje, jak łatwo człowiek może oderwać się od Boga, licząc...

23,00 zł

365 krótkich opowiadań, historii i złotych myśli, które dotychczas były porozrzucane po...

38,00 zł

św. Jan Bosko

Napisano kiedyś, że mówienie o życiu księdza Bosko bez wspominania jego snów, to jak...

24 zł

Słówka na dobranoc są tradycją wybitnie salezjańską. Ostatnio przełożony generalny...

13,20 zł

Biografia św. Jana Bosko, ukazująca postać wielkiego wychowawcy i pedagoga jako...

10,88 zł

Otoczony gromadą chłopców któregoś dnia ksiądz Bosko zapytał jednego z nich: "Co jest...

12,60 zł

„Wspomnienia Oratorium” św. Jana Bosko są jedną z najbardziej osobistych, być może...

25,00 zł

Dzieje św. Jana Bosko w pigułce ‒ tak można opisać tę bardzo syntetyczną biografię...

24,90 zł

książka

Ta książeczka pragnie opowiedzieć najmłodszym o pięknie i znaczeniu Eucharystii....

11,20 zł

Mocne świadectwo Katarzyny ukazuje, jak łatwo człowiek może oderwać się od Boga, licząc...

23,00 zł

Zbiór 133 ćwiczeń teatralnych, które w wielu sytuacjach mogą służyć także jako ćwiczenia...

10,90 zł

Jak dobrze i mądrze budować relację z nastolatkami? Jak dojrzale rozmawiać z tymi,...

38,90 zł

Na książeczkę tę składają się małe opowieści oraz kilka refleksji. Jest to coś w rodzaju...

11,80 zł

Biografia św. Dominika Savio

14,40 zł

opowiadania dla ducha

Książeczka zawiera krótkie opowiadania dla ducha i kilka myśli - maleńkie pigułki...

11,80 zł

Książeczka zawiera krótkie opowiadania dla ducha i kilka myśli - maleńkie pigułki...

11,80 zł

Kolejna pozycja z serii ilustrowanych książek autorstwa B. Ferrero, zawierająca małe...

11,80 zł

Ta książeczka pragnie opowiedzieć najmłodszym o pięknie i znaczeniu Eucharystii....

11,20 zł

Ta książka spokojnie idzie pod prąd, sugerując proste i dostępne dla wszystkich sposoby...

18,00 zł

Z serii ilustrowanych książek zawierających małe opowieści oraz refleksje i sentencje....

11,80 zł

Nikodem - ciuchy dla wiary

Skarpety kościołowe to idealna propozycja dla eleganckich Panów uczęszczających na...

15,00 zł

Koszulka inspirowana uzdrowieniem niewidomych pod Jerychem. Jezus dotknął ich oczu, a...

59,00 zł

Ciemna dolina - koszulka damska. Koszulka inspirowana fragmentem Psalmu 23. Trudno szukać...

55 zł

Koło rybackie - torba. Projekt inspirowany słowami Ewangelii wg. św. Mateusza. Chrystus...

25 zł

Nasz fartuch to absolutny "must have" w kuchni każdej porządnej i nieporządnej pani domu...

65,00 zł

Projekt powstały w Roku Miłosierdzia. Motywem przewodnim jest Psalm 145, 9. Pan jest...

59,00 zł