Самообучающиеся системы (стр. 1 из 5)
Введение
1 Модели обучения
2 Введение в нейронные сети
3 Краткие сведения о нейроне
4 Искусственный нейрон
5 Искусственные нейронные сети. Персептрон
6 Проблема XOR
7 Решение проблемы XOR
8 Нейронные сети обратного распространения
9 Повышение эффективности обучения
10 Подготовка входных и выходных данных
11 Методы обучения
12 Нейронные сети Хопфилда и Хэмминга
Выводы
Литература
Введение
Тема контрольной работы «Самообучающиеся системы» по дисциплине «Проектированиеинтеллектуальных систем».
В современном мире прогресс производительности программиста достигается в тех случаях, когда часть интеллектуальной нагрузки берут на себя компьютеры. Одним из способов достигнуть максимального прогресса в этой области, является "искусственный интеллект", когда компьютер берет на себя не только однотипные, многократно повторяющиеся операции, но и сам сможет обучаться.
Целью изучения дисциплины является подготовка специалистов в области автоматизации сложноформализуемых задач. Задачей изучения дисциплины является приобретение знаний о фундаментальных алгоритмах, применяемых при построении систем искусственного интеллекта, а также методов разработки программных приложений, реализующих эти системы.
Принципиальное отличие интеллектуальных систем от любых других систем автоматизации заключается в наличии базы знаний о предметной среде, в которой решается задача. Неинтеллектуальная система при отсутствии каких-либо входных данных прекращает решение задачи, интеллектуальная же система недостающие данные извлекает из базы знаний и решение выполняет.
Основное внимание в контрольной работе уделяется исследованиям в области искусственного интеллекта - самообучающимся системам.
В психологии под обучением понимают способность к приобретению ранее неизвестных умений и навыков. В интелектуальных системах (ИС) неформальное понимание обучения трактуется аналогично. Предполагается, что в процессе деятельности ИС анализирует имеющуюся информацию и на основе анализа извлекает из нее полезные закономерности. Обучение как математическая задача может быть отнесена к классу оптимизационных проблем поиска описаний. Индивидуальная оптимизационная задача L есть пятерка
<XL, YL, L, FL, JL>,
где XL, YL - множества входных и выходных записей;
L XL YL - отношение (или функция : XL YL);
FL - множество отношений (fL XL YL для всех fL FL), называемых описаниями;
JL - оператор качества для FL, показывающий для каждого fL FL степень его близости к L.
Задача состоит в отыскании оптимального по JL описания f*Lна FL. Для задач, относимых к обучению, характерна неполнота спецификации. Например, оператор качества может быть плохо формализуемым, либо информация об отношении.
Система (человек или машина) может получать новые знания многими способами. Можно, например, вывести нужную информацию как логическое следствие имеющихся знаний, получить ее модификацией имеющихся знаний, рассчитывая на «аналогичность» ситуаций, попытаться вывести общий закон из имеющихся примеров. Следующие задачи традиционно относятся к задачам обучения по примерам:
- прогнозирование: дана последовательность чисел: 2, 8, 14, … Чему равен следующий член последовательности?
- Идентификация (синтез) функций: имеется «черный ящик», о внутреннем устройстве которого можно судить по его поведению, подавая на вход сигналы и получая в ответ выходные. Требуется по этой информации сформулировать описание работы анализируемого устройства. К задачам идентификации относятся расшифровка структуры конечных автоматов, индуктивный синтез программ на языке Lisp;
- Расшифровка языков – поиск правил синтеза текстов некоторого языка на основе анализа конкретных текстов на этом языке ( расшифровка кодов, систем письменности и т.д.). Задачей такого же типа является обучение распознаванию образов;
- Индуктивный вывод – в широком смысле в это направление вписываются все рассмотренные выше задачи, а в узком смысле совпадает с проблемой расшифровки языков;
- Синтез с дополнительной информацией. В качестве дополнительной информации может использоваться структура примеров, их родовидовая принадлежность и т.д. К дополнительной информации относятся также контрпримеры. Например, возможность синтеза программ упрощается, если с каждой парой вход – выход задается «траектория» (последовательность состояний программы без учета их тождественности) ее вычисления.
Все рассмотренные задачи в зависимости от предмета исследования относятся к одной из двух категорий: синтезу языков или синтезу функций. Для задач обучения по примерам характерны следующие два свойства:
- все они являются задачами нахождения описаний;
- задаваемая в виде примеров информация является недостаточной для однозначного формирования требуемого описания.
Возможны ситуации, когда новые примеры ничего не изменяют в уже полученном решении. Не существует алгоритма, способного определять момент стабилизации решения и, соответственно, невозможно алгоритмически определить количество примеров для достижения стабильного обучения. Предположение о предельной стабилизации гипотез является основой гипотетико-дедуктивного подхода, согласно которому решение задачи обучения по примерам включает 4 этапа:
- наблюдение: сбор и накопление исходных данных (примеров);
- обобщение: нахождение «разумной» гипотезы н об искомом описании;
- дедукцию: выдвижение различных следствий из н или прогнозов на основе ее;
- подтверждение: проверка гипотезы Н; если гипотеза Н подтверждается, то Н остается в качестве текущей гипотезы и весь процесс повторяется сначала, а в противном случае гипотеза Н заменяется новой.
Для большинства задач обучения по примерам не существует универсальных способов их решения. В теории первый результат такого рода был получен в 1967 году Гольдом, из которого следовал, что по множеству позитивных примеров нельзя синтезировать множество регулярных языков.
2 Введение в нейронные сети
Постоянно возрастает необходимость в системах, которые способны не только выполнять однажды запрограммированную последовательность действий над заранее определенными данными, но и способны сами анализировать вновь поступающую информацию, находить в ней закономерности, производить прогнозирование и т.д. В этой области приложений самым лучшим образом зарекомендовали себя так называемые нейронные сети – самообучающиеся системы, имитирующие деятельность человеческого мозга.
Область науки, занимающаяся построением и исследованием нейронных сетей, находится на стыке нейробиологии, математики, электроники и программирования и называется нейрокибернетикой или нейроматематикой (neurocomputing). Способность нейронной сети к обучению была впервые исследована Дж. Маккаллоком и У. Питсом. В 1943 г. вышла их работа «Логическое исчисление идей, относящихся к нервной деятельности», в которой была построена модель нейрона и сформулированы принципы построения искусственных нейронных сетей. В 1962 г. Ф. Розенблат (Корнельский университет) предложил модель нейронной сети, названную персептроном. В 70 – х годах японским ученым К. Фукушима была предложена другая модель – когнитрон, способная хорошо распознавать сложные образы (иероглифы и т.п.) независимо от поворота и изменения масштаба изображения. В 1982 г. американский биофизик Дж. Хопфилд предложил модель нейронной сети, названную его именем.
Нейронные сети наиболее эффективны в системах распознавания образов, ассоциативной памяти, прогнозирования и адаптивного управления и неэффективны в областях, требующих точных вычислений. На рынке появляются реализации нейроподобных систем в виде пакетов программ, нейроплат и нейрочипов. Исследованиями в области нейрокомпьютеров занимаются в Японии: фирмы NBC, Nihon Denki, Mitec, Fujitsu, Matsusita, Mitsubishi, Sony, Toshiba, Hitachi; в США: AT&T, IBM, Texas Instruments, Xerox.
3 Краткие сведения о нейроне
Нейрон – это нервная клетка, состоящая из тела и отростков, соединяющих ее с внешним миром.
Рисунок1 - Биологический нейрон
Биологический нейрон содержит следующие структурные единицы:
Тело клетки (т) — сома: содержит ядро (я), митохондрии (обеспечивают клетку энергией), другие органеллы, поддерживающие жизнедеятельность клетки.
Дендриты (д) – входные волокна, собирают информацию от других нейронов. Активность в дендритах меняется плавно. Длина их обычно не больше 1 мм.
Мембрана – поддерживает постоянный состав цитоплазмы внутри клетки, обеспечивает проведение нервных импульсов.
Цитоплазма — внутренняя среда клетки. Отличается концентрацией ионов K+, Na+, Ca++ и других веществ по сравнению с внеклеточной средой.
Аксон (а), один или ни одного у каждой клетки, – длинное, иногда больше метра, выходное нервное волокно клетки. Импульс генерируется в аксонном холмике (а.х.). Аксон обеспечивает проведение импульса и передачу воздействия на другие нейроны или мышечные волокна (мв). Ближе к концу аксон часто ветвится.
Синапс (с) – место контакта нервных волокон — передает возбуждение от клетки к клетке. Передача через синапс почти всегда однонаправленная. Различают пресинаптические и постсинаптические клетки — по направлению передачи импульса.
Шванновские клетки (шв.кл). Специфические клетки, почти целиком состоящие из миелина, органического изолирующего вещества. Плотно "обматывают" нервное волокно 250 слоями миелина. Неизолированные места нервного волокна между шванновскими клетками называются перехватами Ранвье (пР). За счет миелиновой изоляции скорость распространения нервных импульсов возрастает в 5 - 10 раз и уменьшаются затраты энергии на проведение импульсов. Миелинизированные волокна встречаются только у высших животных.