人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用(已修改)
2025-06-07 02:14 本頁(yè)面
【正文】 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 .3 MP模型神經(jīng)元 生物神經(jīng)元及人工神經(jīng)元的組成 神經(jīng)元也稱(chēng)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(shù)突和軸突 ， 見(jiàn)圖 （ 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(shù)突； (3) 軸突； (4) 突觸 圖 7. 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 ，大小不等。細(xì)胞體是神經(jīng)元的主體，用于處理由樹(shù)突接受的其它神經(jīng)元傳來(lái)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(lái)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(chēng)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秘之處。 神經(jīng)元結(jié)構(gòu)與功能 ? 樹(shù)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(shù)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(lái)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(lái)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(chēng)為 膜電位 。在無(wú)信號(hào)輸入時(shí)的膜電位稱(chēng)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(guò)同一突觸傳入的神經(jīng)沖動(dòng)，具有時(shí)間整合功能。對(duì)于同一時(shí)間通過(guò)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(guò)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(wú)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) /模”轉(zhuǎn)換，是通過(guò)神經(jīng)介質(zhì)以量子化學(xué)方式實(shí)現(xiàn)的如下過(guò)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 1150m/s之間。其速度差異與纖維的粗細(xì)、髓鞘的有無(wú)有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，有髓鞘的纖維，其傳導(dǎo)速度在 100m/s以上，無(wú)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(chēng)為不應(yīng)期。 人腦神經(jīng)系統(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 10111012個(gè)神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元大約有 103104個(gè)突觸，即與其它 103104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(wú)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(guò)對(duì)腦損壞病人所做的神經(jīng)心理學(xué)研究，沒(méi)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(méi)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(guò)程的任何中央控制部分。人類(lèi)大腦的各個(gè)部分是協(xié)同工作、相互影響的，并沒(méi)有哪一部分神經(jīng)元能對(duì)智能活動(dòng)的整個(gè)過(guò)程負(fù)有特別重要的責(zé)任?？梢?jiàn)，在大腦中，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、
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