人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用

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1、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用第七章神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)7.1生物神經(jīng)元及人工神經(jīng)元的組成7.2人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型7.2.1人工神經(jīng)元的模型7.2.2常用的激活轉(zhuǎn)移函數(shù)7.2.3MP模型神經(jīng)元2.1生物神經(jīng)元及人工神經(jīng)元的組成神經(jīng)元也稱神經(jīng)細(xì)胞，它是生物神經(jīng)系統(tǒng)的最基本單元，它和人體中其他細(xì)胞的關(guān)鍵區(qū)別在于具有產(chǎn)生、處理和傳遞信號(hào)的功能。每個(gè)神經(jīng)元都包括三個(gè)主要部分：細(xì)胞體、樹突和軸突，見圖2.1（a）。(a)簡(jiǎn)單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)圖(b)簡(jiǎn)化后的網(wǎng)絡(luò)示意圖(1)細(xì)胞體；(2)樹突；(3)軸突；(4)突觸圖7.

2、1簡(jiǎn)單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)及其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖神經(jīng)元結(jié)構(gòu)與功能細(xì)胞體由細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞膜等組成，其直徑大約為0.5--100μm，大小不等。細(xì)胞體是神經(jīng)元的主體，用于處理由樹突接受的其它神經(jīng)元傳來的信號(hào)；軸突是由細(xì)胞體向外延伸出的所有纖維中最長(zhǎng)的一條分枝，用來向外傳遞神經(jīng)元產(chǎn)生的輸出電信號(hào)。每個(gè)神經(jīng)元都有一條軸突，其最大長(zhǎng)度可達(dá)1m以上。在軸突的末端形成了許多很細(xì)的分枝，這些分支叫神經(jīng)末梢。每一條神經(jīng)末梢可以與其它神經(jīng)元形成功能性接觸，該接觸部位稱為突觸。所謂功能性接觸，是指非永久性的接觸，這正是神經(jīng)元之間傳遞信息的奧

3、秘之處。神經(jīng)元結(jié)構(gòu)與功能樹突是指由細(xì)胞體向外延伸的除軸突以外的其它所有分支。樹突的長(zhǎng)度一般較短，但數(shù)量很多，它是神經(jīng)元的輸入端，用于接受從其它神經(jīng)元的突觸傳來的信號(hào)。神經(jīng)元中的細(xì)胞體相當(dāng)于一個(gè)初等處理器，它對(duì)來自其它各個(gè)神經(jīng)元的信號(hào)進(jìn)行總體求和，并產(chǎn)生一個(gè)神經(jīng)輸出信號(hào)。細(xì)胞膜內(nèi)外的電位之差被稱為膜電位。在無信號(hào)輸入時(shí)的膜電位稱為靜止膜電位。當(dāng)一個(gè)神經(jīng)元的所有輸入總效應(yīng)達(dá)到某個(gè)閾值電位時(shí)，該細(xì)胞變?yōu)榛钚约?xì)胞。生物神經(jīng)元的功能與特征(1)時(shí)空整合功能神經(jīng)元對(duì)不同時(shí)間通過同一突觸傳入的神經(jīng)沖動(dòng)，具有時(shí)間整合功能。

4、對(duì)于同一時(shí)間通過不同突觸傳入的神經(jīng)沖動(dòng)，具有空間整合功能。兩種功能相互結(jié)合，使生物神經(jīng)元對(duì)由突觸傳入的神經(jīng)沖動(dòng)具有時(shí)空整合的功能。(2)興奮與抑制狀態(tài)神經(jīng)元具有興奮和抑制兩種常規(guī)的工作狀態(tài)。當(dāng)傳入沖動(dòng)的時(shí)空整合結(jié)果使細(xì)胞膜電位升高，超過動(dòng)作電位的閾值時(shí)，細(xì)胞進(jìn)入興奮狀態(tài)，產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)。相反，當(dāng)傳入沖動(dòng)的時(shí)空整合結(jié)果使細(xì)胞膜電位低于動(dòng)作電位的閾值時(shí)，細(xì)胞進(jìn)入抑制狀態(tài)，無神經(jīng)沖動(dòng)輸出。生物神經(jīng)元的功能與特征(3)脈沖與電位轉(zhuǎn)換突觸界面具有脈沖/電位信號(hào)轉(zhuǎn)化功能。沿神經(jīng)纖維傳遞的信號(hào)為離散的電脈沖信號(hào)，而細(xì)胞膜電

5、位的變化為連續(xù)的電位信號(hào)。這種在突觸接口處進(jìn)行的“數(shù)/?！鞭D(zhuǎn)換，是通過神經(jīng)介質(zhì)以量子化學(xué)方式實(shí)現(xiàn)的如下過程：電脈沖----神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)----膜電位(4)神經(jīng)纖維傳導(dǎo)速率神經(jīng)沖動(dòng)沿神經(jīng)纖維傳導(dǎo)的速度在1---150m/s之間。其速度差異與纖維的粗細(xì)、髓鞘的有無有關(guān)。一般來說，有髓鞘的纖維，其傳導(dǎo)速度在100m/s以上，無髓鞘的纖維，其傳導(dǎo)速度可低至每秒數(shù)米。(5)突觸延時(shí)和不應(yīng)期突觸對(duì)相鄰兩次神經(jīng)沖動(dòng)的響應(yīng)需要有一定的時(shí)間間隔，在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)不響應(yīng)激勵(lì)，也不傳遞神經(jīng)沖動(dòng)，這個(gè)時(shí)間間隔稱為不應(yīng)期。人腦神經(jīng)系

6、統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特征神經(jīng)生理學(xué)的研究結(jié)果表明，人腦的神經(jīng)系統(tǒng)是一個(gè)由大量生物神經(jīng)元并行互連所形成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。每個(gè)人的大腦大約有1011---1012個(gè)神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元大約有103---104個(gè)突觸，即與其它103---104個(gè)神經(jīng)元相連。(1)記憶和存儲(chǔ)功能人腦神經(jīng)系統(tǒng)的記憶和處理功能是有機(jī)的結(jié)合在一起的。神經(jīng)元既有存儲(chǔ)功能，又有處理功能，它在進(jìn)行回憶時(shí)不僅不需要先找到存儲(chǔ)地址再調(diào)出所存內(nèi)容，而且還可以由一部分內(nèi)容恢復(fù)全部?jī)?nèi)容。尤其是當(dāng)一部分神經(jīng)元受到損壞（例如腦部受傷等）時(shí)，它只會(huì)丟失損壞最嚴(yán)重部分的那些

7、信息，而不會(huì)丟失全部存儲(chǔ)信息。(2)高度并行性（為什么計(jì)算機(jī)無法模擬更多的神經(jīng)元，如果有100個(gè)神經(jīng)元，兩兩互連，則會(huì)出現(xiàn)100＊99/2=5000個(gè)N元一次方程。如何計(jì)算如此復(fù)雜的方程組？）提供了非常巨大的存儲(chǔ)容量和并行度。例如，人可以非常迅速地識(shí)別出一幅十分復(fù)雜的圖像。人腦神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特征(3)分布式功能人們通過對(duì)腦損壞病人所做的神經(jīng)心理學(xué)研究，沒有發(fā)現(xiàn)大腦中的哪一部分可以決定其余所有各部分的活動(dòng)，也沒有發(fā)現(xiàn)在大腦中存在有用于驅(qū)動(dòng)和管理整個(gè)智能處理過程的任何中央控制部分。人類大腦的各個(gè)部分是協(xié)同工作

8、、相互影響的，并沒有哪一部分神經(jīng)元能對(duì)智能活動(dòng)的整個(gè)過程負(fù)有特別重要的責(zé)任?？梢姡诖竽X中，不僅知識(shí)的存儲(chǔ)是分散的，而且其控制和決策也是分散的。因此，大腦是一種分布式系統(tǒng)。(4)容錯(cuò)功能容錯(cuò)性是指根據(jù)不完全的、有錯(cuò)誤的信息仍能做出正確、完整結(jié)論的能力。大腦的容錯(cuò)性是非常強(qiáng)的。例如，我們往往能夠僅由某個(gè)人的一雙眼睛、一個(gè)背影、一個(gè)動(dòng)作或一句話的音調(diào)，就能辨認(rèn)出來這個(gè)人是誰。人腦神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特征(5)聯(lián)想功能人腦