6.1. Искусственный нейрон и функции активации

Биологический нейрон содержит сому (тело нейрона), совокупность отростков – дендритов, по которым в нейрон поступают входные сигналы и отросток – аксон, передающий выходной сигнал нейрона другим нейронам. Точка соединения дендрита и аксона называется синапсом. Общее число нейронов в головном мозгу человека превышает 100 миллиардов, при этом один нейрон соединен более чем с 10 тысячами соседних нейронов. Время срабатывания нейрона составляет около одной миллисекунды, чуть меньше тратится на передачу сигнала между двумя нейронами. Таким образом, биологический нейрон – чрезвычайно медленный процессорный элемент, уступающий быстродействию современных компьютеров в миллионы раз. Тем не менее в целом мозг способен за доли секунды решать задачи, которые не может решить и суперкомпьютер (например, узнать лицо человека, показанное в непривычном ракурсе).

Искусственным нейроном называется простой элемент в виде следующей структуры (рис.6.1) [1].

Рис. 6.1. Искусственный нейрон:  вектор входных переменных (дендритов);  вектор синаптических весов;

S – сома; y – выход (аксон)

Сначала вычисляется взвешенная сумма V входных переменных (скалярное произведение):

Затем полученная сумма (потенциал нейрона) сравнивается с заданной пороговой величиной W₀. Если V W₀, то нейрон «не срабатывает», в противном случае вычисляется функция активации (решающая функция) f . При этом

.

Величину порогового барьера можно рассматривать как еще один весовой коэффициент при постоянном входном сигнале.

Функции активации могут быть различных видов: линейная, ступенчатая, линейная с насыщением, многопороговая. Наиболее распространенной является сигмоидная функция с выходными значениями в интервале (0,1):

или в интервале (-1,1):

.

Коэффициент определяет крутизну сигмоида. Поскольку сигмоидная функция является гладким отображением , крутизну можно учесть через величины весов и порогов, и без ограничения общности можно полагать = 1. Чтобы учесть особенности конкретной задачи, могут быть выбраны различные другие функции активации – гауссова, синусоидальная, всплески и т.д.