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人工智能学习之什么是人工神经网络?

AI前沿 AI君 28℃

【51CTO.com快译】许多人工智能计算机系统的核心技术是人工神经网络(ANN),而这种网络的灵感来源于人类大脑中的生物结构。

通过使用连接的“神经元”结构,这些网络可以通过“学习”并在没有人类参与的情况下处理和评估某些数据。

这样的实际实例之一是使用人工神经网络(ANN)识别图像中的对象。在构建一个识别“猫“图像的一个系统中,将在包含标记为“猫”的图像的数据集上训练人工神经网络,该数据集可用作任何进行分析的参考点。正如人们可能学会根据尾巴或皮毛等独特特征来识别狗一样,人工神经网络(ANN)也可以通过将每个图像分解成不同的组成部分(如颜色和形状)进行识别。

实际上,神经网络提供了位于托管数据之上的排序和分类级别,可基于相似度来辅助数据的聚类和分组。可以使用人工神经网络(ANN)生成复杂的垃圾邮件过滤器,查找欺诈行为的算法以及可以精确了解情绪的客户关系工具。

人工神经网络如何工作

人工神经网络的灵感来自人脑的神经组织,使用类似于神经元的计算节点构造而成,这些节点沿着通道(如神经突触的工作方式)进行信息交互。这意味着一个计算节点的输出将影响另一个计算节点的处理。

神经网络标志着人工智能发展的巨大飞跃,在此之前,人工智能一直依赖于使用预定义的过程和定期的人工干预来产生所需的结果。人工神经网络可以使分析负载分布在多个互连层的网络中,每个互连层包含互连节点。在处理信息并对其进行场景处理之后,信息将传递到下一个节点,然后向下传递到各个层。这个想法是允许将其他场景信息接入网络,以通知每个阶段的处理。

单个“隐藏”层神经网络的基本结构

就像渔网的结构一样,神经网络的一个单层使用链将处理节点连接在一起。大量的连接使这些节点之间的通信得到增强,从而提高了准确性和数据处理吞吐量。

然后,人工神经网络将许多这样的层相互叠放以分析数据,从而创建从第一层到最后一层的输入和输出数据流。尽管其层数将根据人工神经网络的性质及其任务而变化,但其想法是将数据从一层传递到另一层,并随其添加附加的场景信息。

人脑是用3D矩阵连接起来的,而不是大量堆叠的图层。就像人类大脑一样,节点在接收到特定刺激时会在人工神经网络上“发射”信号,并将信号传递到另一个节点。但是,对于人工神经网络,输入信号定义为实数,输出为各种输入的总和。

这些输入的值取决于它们的权重,该权重用于增加或减少与正在执行的任务相对应的输入数据的重要性。其目标是采用任意数量的二进制数值输入并将其转换为单个二进制数值输出。

更复杂的神经网络提高了数据分析的复杂性

早期的神经网络模型使用浅层结构,其中只使用一个输入和输出层。而现代的系统由一个输入层和一个输出层组成,其中输入层首先将数据输入网络,多个“隐藏”层增加了数据分析的复杂性。

这就是“深度学习”一词的由来——“深度”部分专门指任何使用多个“隐藏”层的神经网络。

聚会的例子

为了说明人工神经网络在实际中是如何工作的,我们将其简化为一个实际示例。

想象一下你被邀请参加一个聚会,而你正在决定是否参加,这可能需要权衡利弊,并将各种因素纳入决策过程。在此示例中,只选择三个因素——“我的朋友会去吗?”、“聚会地点远吗?”、“天气会好吗?”

通过将这些考虑因素转换为二进制数值,可以使用人工神经网络对该过程进行建模。例如,我们可以为“天气”指定一个二进制数值,即‘1’代表晴天,‘0’代表恶劣天气。每个决定因素将重复相同的格式。

然而,仅仅赋值是不够的,因为这不能帮助你做出决定。为此需要定义一个阈值,即积极因素的数量超过消极因素的数量。根据二进制数值,合适的阈值可以是“2”。换句话说,在决定参加聚会之前,需要两个因素的阈值都是“1”,你才会决定去参加聚会。如果你的朋友要参加聚会(‘1′),并且天气很好(‘1′),那么这就表示你可以参加聚会。

如果天气不好(‘0′),并且聚会地点很远(‘0′),则达不到这一阈值,即使你的朋友参加(‘1′),你也不会参加聚会。

神经加权

诚然,这是神经网络基本原理的一个非常基本的例子,但希望它有助于突出二进制值和阈值的概念。然而,决策过程要比这个例子复杂得多,而且通常情况下,一个因素比另一个因素对决策过程的影响更大。

要创建这种变化,可以使用“神经加权”——-通过乘以因素的权重来确定因素的二进制值对其他因素的重要性。

尽管示例中的每个注意事项都可能使你难以决策,但你可能会更重视其中一个或两个因素。如果你不愿意在大雨中出行去聚会,那恶劣的天气将会超过其他两个考虑因素。在这一示例中,可以通过赋予更高的权重来更加重视天气因素的二进制值:

  • 天气= w5
  • 朋友= w2
  • 距离= w2

如果假设阈值现在已设置为6,则恶劣的天气(值为0)将阻止其余输入达到所需的阈值,因此该节点将不会“触发”(这意味着你将决定不参加聚会)。

虽然这是一个简单的示例,但它提供了基于提供的权重做出决策的概述。如果要将其推断为图像识别系统,则是否参加聚会(输入)的各种考虑因素将是给定图像的折衷特征,即颜色、大小或形状。例如,对识别狗进行训练的系统可以对形状或颜色赋予更大的权重。

当神经网络处于训练状态时,权重和阈值将设置为随机值。然后,当训练数据通过网络传递时将不断进行调整,直到获得一致的输出为止。

神经网络的好处

神经网络可以有机地学习。也就是说,神经网络的输出结果并不受输入数据的完全限制。人工神经网络可以概括输入数据,使其在模式识别系统中具有价值。

他们还可以找到实现计算密集型答案的捷径。人工神经网络可以推断数据点之间的关系,而不是期望数据源中的记录是明确关联的。

它们也可以是容错的。当神经网络扩展到多个系统时,它们可以绕过无法通信的缺失节点。除了围绕网络中不再起作用的部分进行路由之外,人工神经网络还可以通过推理重新生成数据,并帮助确定不起作用的节点。这对于网络的自诊断和调试非常有用。

但是,深度神经网络提供的最大优势是能够处理和聚类非结构化数据,例如图片、音频文件、视频、文本、数字等数据。在分析层次结构中,每一层节点都在前一层的输出上进行训练,深层神经网络能够处理大量的这种非结构化数据,以便在人类处理分析之前找到相似之处。

神经网络的例子

神经网络应用还有许多示例,可以利用它从复杂或不精确数据中获得见解的能力。

图像识别人工神经网络可以解决诸如分析特定物体的照片等问题。这种算法可以用来区分狗和猫。更重要的是,神经网络已经被用于只使用细胞形状信息来诊断癌症。

近30年来,金融神经网络被用于汇率预测、股票表现和选择预测。神经网络也被用来确定贷款信用评分,学习正确识别良好的或糟糕的信用风险。而电信神经网络已被电信公司用于通过实时评估网络流量来优化路由和服务质量。

原文标题:What is an artificial neural network?,作者:Dale Walker

【51CTO译稿,合作站点转载请注明原文译者和出处为51CTO.com】

作者:李睿编译_51CTO
原文链接:http://ai.51cto.com/art/202012/635745.htm

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