Redes Neuronales Introducción



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Redes Neuronales

Introducción.

  • Aunque todavía se ignora mucho sobre la forma en que el cerebro aprende a procesar la información, se han desarrollado modelos que tratan de mimetizar tales habilidades; denominados redes neuronales artificiales ó modelos de computación conexionista. La elaboración de estos modelos supone en primer lugar la deducción de los rasgos o características esenciales de las neuronas y sus conexiones, y en segundo lugar, la implementación del modelo en una computadora de forma que se pueda simular.

Historia de las Redes Neuronales

  • 1936 - Alan Turing. Fue el primero en estudiar el cerebro como una forma de ver el mundo de la computación. Sin embargo, los primeros teóricos que concibieron los fundamentos de la computación neuronal fueron Warren McCulloch y Walter Pitts.
  • 1949 - Donald Hebb. Fue el primero en explicar los procesos del aprendizaje desde un punto de vista psicológico, es decir, que el aprendizaje ocurría cuando ciertos cambios en una neurona eran activados.
  • 1950 - Karl Lashley. encontró que la información no era almacenada en forma centralizada en el cerebro sino que era distribuida encima de él.
  • 1957 - Frank Rosenblatt. Comenzó el desarrollo del Perceptrón.

1960 - Bernard Widrow/Marcial Hoff. Desarrollaron el modelo Adaline (ADAptative LINear Elements).

  • 1960 - Bernard Widrow/Marcial Hoff. Desarrollaron el modelo Adaline (ADAptative LINear Elements).
  • 1967 - Stephen Grossberg. Realizó una red: Avalancha.
  • 1969 - Marvin Minsky/Seymour Papert. Probaron (matemáticamente) que el Perceptrón no era capaz de resolver problemas relativamente fáciles, tales como el aprendizaje de una función no-lineal.
  • 1974 - Paul Werbos. Desarrolló la idea básica del algoritmo de aprendizaje de propagación hacia atrás (backpropagation).
  • 1977 - Stephen Grossberg. Teoría de Resonancia Adaptada (TRA).

1980 - Kunihiko Fukushima. Desarrolló un modelo neuronal para el reconocimiento de patrones visuales.

  • 1980 - Kunihiko Fukushima. Desarrolló un modelo neuronal para el reconocimiento de patrones visuales.
  • 1985 - John Hopfield. Provocó el renacimiento de las redes neuronales con su libro: "Computación neuronal de decisiones en problemas de optimización."
  • 1986 - David Rumelhart/G. Hinton. Redescubrieron el algoritmo de aprendizaje de propagación hacia atrás (backpropagation). A partir de 1986, el panorama fue alentador con respecto a las investigaciones y el desarrollo de las redes neuronales.

Definiciones de una Red Neuronal

  • Una nueva forma de computación, inspirada en modelos biológicos.
  • Un modelo matemático compuesto por un gran número de elementos procesales organizados en niveles.
  • Un sistema de computación compuesto por un gran número de elementos simples, elementos de procesos muy interconectados, los cuales procesan información por medio de su estado dinámico como respuesta a entradas externas.
  • Son redes interconectadas masivamente en paralelo de elementos simples (usualmente adaptativos) y con organización jerárquica, las cuales intentan interactuar con los objetos del mundo real del mismo modo que lo hace el sistema nervioso biológico.

El Modelo Biológico

  • Una neurona típica recoge señales procedentes de otras neuronas a través de estructuras llamadas dendritas. La neurona emite impulsos de actividad eléctrica a lo largo de una fibra larga y delgada denominada axón.

Las extremidades de estas ramificaciones llegan hasta las dendritas de otras neuronas y establecen unas conexiones llamadas sinápsis.

  • Las extremidades de estas ramificaciones llegan hasta las dendritas de otras neuronas y establecen unas conexiones llamadas sinápsis.

Las señales excitatorias e inhibitorias recibidas por una neurona se combinan, y en función de la estimulación total recibida, la neurona toma un cierto nivel de activación, que se traduce en la generación de breves impulsos nerviosos con una determinada frecuencia o tasa de disparo, y su propagación a lo largo del axón hacia las neuronas con las cuales sinapta.

  • Las señales excitatorias e inhibitorias recibidas por una neurona se combinan, y en función de la estimulación total recibida, la neurona toma un cierto nivel de activación, que se traduce en la generación de breves impulsos nerviosos con una determinada frecuencia o tasa de disparo, y su propagación a lo largo del axón hacia las neuronas con las cuales sinapta.

Elementos de una Red Neuronal Artificial

  • Esquema de una red neuronal:

Estructura de una Red Neuronal Artificial

  • Niveles o capas de neuronas
  • De Entrada
  • Ocultas
  • De Salida
  • En la siguiente figura se compara una neurona biológica con una neurona artificial. En la misma se pueden observar las similitudes entre ambas (tienen entradas, utilizan pesos y generan salidas).

  • Unidades de proceso: La neurona artificial
  • Su trabajo es simple y único, y consiste en recibir las entradas de las células vecinas y calcular un valor de salida, el cual es enviado a todas las células restantes.
  • Estado de Activación
  • Todas las neuronas que componen la red se hallan en cierto estado. Podemos decir que hay dos posibles estados, reposo y excitado, a los que denominaremos estados de activación y a cada uno de los cuales se le asigna un valor.

  • Función de salida o transferencia
  • Existen cuatro funciones de transferencia típicas que determinan distintos tipos de neuronas:
  • Función escalón
  • Función lineal y mixta
  • Sigmoidal
  • Función gaussiana

Formas de Conexión entre Neuronas

  • La conectividad entre los nodos de una red neuronal está relacionada con la forma en que las salidas de las neuronas están canalizadas para convertirse en entradas de otras neuronas.

En la siguiente figura se muestran ejemplos de conexiones.

  • En la siguiente figura se muestran ejemplos de conexiones.
        • Conexiones hacia delante.
        • Conexiones laterales.
        • Conexiones hacia atrás (o recurrentes).

Características de las Redes Neuronales

  • Aprendizaje inductivo
  • Generalización
  • Abstracción o tolerancia al ruido
  • Procesamiento paralelo
  • Memoria distribuida

Ventajas de la Redes Neuronales

  • Aprendizaje Adaptativo:
  • Es una de las características más atractivas de las redes neuronales
  • es la capacidad de aprender a realizar tareas basadas en un entrenamiento o una experiencia inicial.
  • 2 . Autoorganización:
  • Las redes neuronales usan su capacidad de aprendizaje adaptativo para organizar la información que reciben durante el aprendizaje y/o la operación. Una RNA puede crear su propia organización o representación de la información que recibe mediante una etapa de aprendizaje. Esta autoorganización provoca la facultad de las redes neuronales de responder apropiadamente cuando se les presentan datos o situaciones a los que no habían sido expuestas anteriormente.

  • 3. Tolerancia a Fallos:
  • Comparados con los sistemas computacionales tradicionales, los cuales pierden su funcionalidad en cuanto sufren un pequeño error de memoria, en las redes neuronales, si se produce un fallo en un pequeño número de neuronas, aunque el comportamiento del sistema se ve influenciado, sin embargo no sufre una caída repentina.
  • Hay dos aspectos distintos respecto a la tolerancia a fallos: primero, las redes pueden aprender a reconocer patrones con ruido, distorsionados, o incompleta. Segundo pueden seguir realizando su función (con cierta degradación) aunque se destruya parte de la red.

4. Operación en Tiempo Real:

  • 4. Operación en Tiempo Real:
  • Los computadores neuronales pueden ser realizados en paralelo, y se diseñan y fabrican máquinas con hardware especial para obtener esta capacidad.
  • 5. Fácil inserción dentro de la tecnología existente.
  • Debido a que una red puede ser rápidamente entrenada, comprobada, verificada y trasladada a una implementación hardware de bajo costo, es fácil insertar RNA para aplicaciones específicas dentro de sistemas existentes (chips, por ejemplo). De esta manera, las redes neuronales se pueden utilizar para mejorar sistemas de forma incremental, y cada paso puede ser evaluado antes de acometer un desarrollo más amplio.
  • Aplicaciones de la Redes Neuronales
  • Biología
  • Empresa
  • Medio Ambiente
  • Manufacturación
  • Medicina
  • Monitorización en cirugía.
  • Militares
  • Redes Neuronales y Control
  • Lo que se hace en control es modelar, según los parámetros aprendidos en sistemas dinamicos, los sistemas para luego controlarlos, sin embargo en ese modelamiento se desprecian muchos datos debido a la alinealidad de los mismos
  • Ese problema se soluciona con redes neuronales, debido a las teorías anteriormente expuestas, si por ejemplo, usted modela un sistema de manera tradicional y luego este sufre variación alguna los planteamientos iniciales ya no funcionan, con las redes neuronales eso ya no sucede, porque el sistema despúes de haber recibido unps patrones inicales comienza a identificar, acepta, aprende y responde ante diferentes señales. Sin importar que estas no sean identicas a los patrones iniciales.
  • FUTURO
  • El futuro de las Redes Neuronales (Neural Networks) estará determinado en parte por el desarrollo de chips ad hoc, avances en la computación óptica/paralela y tal vez en un nuevo tipo de unidad química de procesamiento.
  • Ejemplos.
  • Evaluación de una función continua

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