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神经网络

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神经网络是机器学习文献中的一类模型,受到生物神经网络的启发,是一种特定的算法,能应用于从输入到输出空间复杂映射的各类机器学习问题。

神经网络的发展历程如下:

  • 早期,康奈尔航天实验室的 Mark I 感知机是第一台感知机的硬件,罗森布拉特用定制硬件的方法实现了感知机的想法,展示出它可对简单形状进行正确分类,自此机器学习问世。
  • 神经网络本质上是多层感知机,在早期只有一层输出层。例如分辨手写数字时,输入是图像像素,有 10 个输出神经元,分别对应 10 个可能的数字,权值最高的和被视为正确输出。

神经网络的架构主要分为三类:

  • 前馈神经网络:这是实际应用中最常见的类型。第一层是输入,最后一层是输出。若有多个隐藏层,则称为“深度”神经网络。各层神经元的活动是前一层活动的非线性函数。
  • 循环网络:在连接图中有定向循环,可按箭头回到起始点。其动态复杂,训练难度大,但更具生物真实性。

Geoffrey Hinton 对神经网络的发展做出了重要贡献。早在 80 年代初期,他和同事开展研究时,因电脑性能限制成果有限,且当时 AI 主流研究方向不同,处境艰难。但他们坚持下来,到 2004 年创立了 Neural Computation and Adaptive Perception 项目。随着时间推移和计算机能力发展,神经网络更加快速、灵活、高效和可扩展。

神经网络可用于解决分类和回归等问题,在多个输出值的函数或具有多个类别的分类任务中,多输出函数能用位于同一层的多个感知机来学习。

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References

深度|神经网络和深度学习简史(第一部分):从感知机到BP算法

[title]深度|神经网络和深度学习简史(第一部分):从感知机到BP算法[heading1]虚假承诺的荒唐这个过程很简单,产生了一个简单的结果:一个输入线性函数(加权和),正如线性回归被非线性激活函数「压扁」了一样(对带权重求和设定阈值的行为)。当函数的输出值是一个有限集时(例如逻辑函数,它只有两个输出值True/1和False/0),给带权重的和设置阈值是没问题的,所以问题实际上不在于要对任何输入数据集生成一个数值上连续的输出(即回归类问题),而在于对输入数据做好合适的标签(分类问题)。康奈尔航天实验室的Mark I感知机,第一台感知机的硬件罗森布拉特用定制硬件的方法实现了感知机的想法(在花哨的编程语言被广泛使用之前),展示出它可以用来学习对20×20像素输入中的简单形状进行正确分类。自此,机器学习问世了——建造了一台可以从已知的输入输出对中得出近似函数的计算机。在这个例子中,它只学习了一个小玩具般的函数,但是从中不难想象出有用的应用,例如将人类乱糟糟的手写字转换为机器可读的文本。很重要的是,这种方法还可以用在多个输出值的函数中,或具有多个类别的分类任务。这对一台感知机来说是不可能完成的,因为它只有一个输出,但是,多输出函数能用位于同一层的多个感知机来学习,每个感知机接收到同一个输入,但分别负责函数的不同输出。实际上,神经网络(准确的说应该是「人工神经网络(ANN,Artificial Neural Networks)」)就是多层感知机(今天感知机通常被称为神经元)而已,只不过在这个阶段,只有一层——输出层。所以,神经网络的典型应用例子就是分辨手写数字。输入是图像的像素,有10个输出神经元,每一个分别对应着10个可能的数字。在这个案例中,10个神经元中,只有1个输出1,权值最高的和被看做是正确的输出,而其他的则输出0。

入门 | 机器学习研究者必知的八个神经网络架构

[title]入门|机器学习研究者必知的八个神经网络架构神经网络是机器学习文献中的一类模型。例如,如果你参加了Coursera的机器学习课程,很可能会学到神经网络。神经网络是一套特定的算法,它彻底改变了机器学习领域。他们受到生物神经网络的启发,目前深度神经网络已经被证实效果很好。神经网络本身是一般的函数逼近,这就是为什么它们几乎可以应用于任何从输入到输出空间复杂映射的机器学习问题。以下是说服你学习神经计算的三个理由:了解大脑是如何工作的:它非常大且很复杂,一旦破坏就会脑死亡,所以我们需要使用计算机模拟。了解受神经元及其适应性连接启发的并行计算风格:这种风格与序列计算截然不同。使用受大脑启发的新颖学习算法来解决实际问题:即使不是大脑的实际工作方式,学习算法也非常有用。在完成吴恩达的Coursera机器学习课程后,我开始对神经网络和深度学习产生兴趣,因此寻找最好的网上资源来了解这个主题,并找到了Geoffrey Hinton的机器学习神经网络课程。如果你正在做深度学习的工程或想要踏入深度学习/机器学习的领域,你应该参加这个课程。Geoffrey Hinton毫无疑问是深度学习领域的教父,在课程中给出了非凡的见解。在这篇博客文章中,我想分享我认为任何机器学习研究人员都应该熟悉的八个神经网络架构,以促进他们的工作。一般来说,这些架构可分为三类:1.前馈神经网络这是实际应用中最常见的神经网络类型。第一层是输入,最后一层是输出。如果有多个隐藏层,我们称之为「深度」神经网络。他们计算出一系列改变样本相似性的变换。各层神经元的活动是前一层活动的非线性函数。2.循环网络循环网络在他们的连接图中定向了循环,这意味着你可以按照箭头回到你开始的地方。他们可以有复杂的动态,使其很难训练。他们更具有生物真实性。

Geoffrey Hinton 是这个人,一步步把“深度学习”从边缘课题变成Google等网络巨头仰赖的核心技术

[title]Geoffrey Hinton是这个人,一步步把“深度学习”从边缘课题变成Google等网络巨头仰赖的核心技术他不知道所有的答案,但在他的努力之下已经取得了进展。“我非常兴奋,我们改进了神经网络,而这是一个比较接近大脑真实工作的方式。”他很高兴的说到。在Hinton的世界里,神经网络本质上就像一个运行在多层面上的软件。他和他的伙伴建立了一层层互相连接的人工神经元模型,模仿大脑的行为,处理视觉和语言等复杂问题。这些人工神经网络可以收集信息,也可以对其做出反应。它们能对事物的外形和声音做出解释。它们对语言的理解也在进步。它们可以自行学习与工作,而不需要人为提示或者参与控制。这些正是它们与传统的学习机器的区别。随着时间的推移,计算机能力的发展,神经网络也更加快速,灵活,高效,得到了很好的扩展。因为这一切已经酝酿了30年了。从非主流到核心技术早在80年代初期,当Hinton和他的同事们刚开始这项研究时,那时的电脑还不够快,不足以处理有关神经网络的这些庞大的数据,他们取得的成就是有限的。而当时AI普遍的研究方向也与他们相反,都在试图寻找捷径,直接模拟出行为,而不是试图通过模仿大脑的运作来实现。在这样艰难的环境下,Hinton和LeCun仍旧坚持了下来。就算到了2004,学术界对他们的研究仍未提起兴趣。而这时距离他们首次提出“反向传播”算法已经过了20年。这个算法是他们神经网络研究的垫脚石。但也就在这一年,靠着少量的来自Canadian Institute for Advanced Research(CIFAR)以及LeCun和Bengio的资金支持,Hinton创立了Neural Computation and Adaptive Perception(NCAP,神经计算和自适应感知)项目。该项目邀请了来自计算机科学,生物,电子工程,神经科学,物理学和心理学等领域的专家参与。

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神经网络需要哪些硬件设施才能搭建起来
搭建神经网络通常需要以下硬件设施: 1. 图形处理单元(GPU):如英伟达的 GTX 580 GPU,其具有大量快速小内核,适合矩阵乘法和高内存带宽,能显著提高训练速度。 2. 专用芯片:如 ASIC 芯片、neuromorphic chips 等,更易于在芯片上实现神经网络的指令集,适用于低能耗的智能设备。 此外,搭建神经网络的硬件设施还具有以下特点和优势: 1. 同质化计算:典型的神经网络主要由矩阵乘法和线性整流函数(ReLu)两种操作组合而成,相比传统软件的指令更简单,核心代码(如矩阵乘法)的正确性和性能验证更容易。 2. 对芯片更友好:指令集小,在芯片实现上更轻松,能改变低能耗智能设备的应用场景。 3. 常量级的运行时间:每次前向迭代的计算量高度一致,不存在手写复杂 C++代码中的各种执行分支,能避免未预料的无限循环。 4. 常量级的内存消耗:几乎无需动态分配内存,减少与硬盘的 swap 和内存泄漏的可能。 5. 高度可移植:一连串的矩阵乘法操作更容易在各种计算机环境下运行。
2025-03-23
结合北京房山区文化、地标建筑、生态景观等内容,设计房山区中小学数学节 LOGO,要求巧妙融合数学元素(如几何图形、数学公式、数学符号等)与 AI 元素(如神经网络图案、代码片段、智能机器人形象等),生动诠释 “数学 + AI=?” 的主题内涵。
以下是为您整合的相关内容: 北京具有丰富多样的特色元素,包括经典地标如万里长城、天安门广场、故宫角楼、天坛等,见证了历史变迁;宜居生活方面,有独特的美食如豆汁儿、脆皮烤鸭、老北京炸酱面,以及充满京腔的日常生活;潮流文化新地标如国家博物馆、胡同里的新老交融、环球影城、798 等;未来科技方面,有西二旗的上班族日常、北大化学系科研 vlog、世界机器人大会等。 在海报设计方面,若对 AI 回答有疑问可再搜索确认,对于想用的项目要确认与北京的关系及能否使用;兔爷、戏曲金句等北京有名元素可用,金句可分化。做海报时可借鉴三思老师毛绒玩具美食系列,先找参考、做头脑风暴。比赛征集内容有四个赛道,若做系列海报,围绕金句或偏向北京非遗项目做系列较简单。用 AI 制作海报时,如制作北京地标糖葫芦风格海报,可用集梦 2.1 模型,以天坛等建筑为画面中心,注意材质、抽卡选图和细节处理。 对于设计房山区中小学数学节 LOGO,您可以考虑将房山区的特色文化、地标建筑、生态景观与数学元素(如几何图形、数学公式、数学符号等)和 AI 元素(如神经网络图案、代码片段、智能机器人形象等)相结合。例如,以房山区的著名建筑为主体,融入数学图形进行变形设计,同时添加一些代表 AI 的线条或图案,以生动诠释“数学 + AI=?”的主题内涵。
2025-03-18
卷积神经网络
卷积神经网络,也称卷积网络(术语“神经”具有误导性),使用卷积层来过滤输入以获取有用信息。卷积层具有学习的参数,能自动调整滤波器以提取对应任务的最有用信息,例如在一般目标识别中过滤对象形状信息,在鸟类识别中提取颜色信息。通常多个卷积层用于在每一层之后过滤图像以获得越来越多的抽象信息。 卷积网络通常也使用池层,以获得有限的平移和旋转不变性,还能减少内存消耗,从而允许使用更多的卷积层。 最近的卷积网络使用初始模块,它使用 1×1 卷积核来进一步减少内存消耗,同时加快计算速度。 1998 年,Yann LeCun 和他的合作者开发了 LeNet 的手写数字识别器,后来正式命名为卷积神经网络。它在前馈网中使用反向传播,被用于读取北美地区约 10%的支票。卷积神经网络可用于从手写数字到 3D 物体的与物体识别有关的所有工作。 在 ImageNet 2012 年的 ILSVRC 竞赛中,来自多个机构的先进计算机视觉小组将已有的最好计算机视觉方法应用于包含约 120 万张高分辨率训练图像的数据集。
2025-03-02
SVM与神经网络的区别是啥
SVM(支持向量机)和神经网络在以下方面存在区别: 1. 原理和模型结构: SVM 基于寻找能够最大化分类间隔的超平面来进行分类或回归任务。 神经网络则是通过构建多层神经元组成的网络结构,通过神经元之间的连接权重和激活函数来学习数据的特征和模式。 2. 数据处理能力: SVM 在处理小样本、高维度数据时表现较好。 神经网络通常更适合处理大规模数据。 3. 模型复杂度: SVM 相对较简单,参数较少。 神经网络结构复杂,参数众多。 4. 对特征工程的依赖: SVM 对特征工程的依赖程度较高。 神经网络能够自动从数据中学习特征。 5. 应用场景: 在图像识别、语音识别、机器翻译等领域,神经网络占据主导地位。 SVM 在一些特定的小数据集或特定问题上仍有应用。
2025-02-26
SVM与前馈神经网络的区别是什么
SVM(支持向量机)和前馈神经网络在以下方面存在区别: 数据处理方式:SVM 主要基于特征工程,而前馈神经网络可以自动从大量数据中学习特征。 模型结构:SVM 是一种线性分类器的扩展,具有相对简单的结构;前馈神经网络具有更复杂的多层结构。 应用场景:在图像识别、语音识别、语音合成、机器翻译等领域,早期常使用 SVM 结合特征工程,而现在神经网络逐渐占据主导地位。例如,图像识别中,早期由特征工程和少量机器学习(如 SVM)组成,后来通过使用更大数据集和在卷积神经网络结构空间中搜索,发现了更强大的视觉特征;语音识别中,以前涉及大量预处理和传统模型,现在几乎只需要神经网络;语音合成中,历史上采用各种拼接技术,现在 SOTA 类型的大型卷积网络可直接产生原始音频信号输出;机器翻译中,之前常采用基于短语的统计方法,而神经网络正迅速占领统治地位。
2025-02-26
前馈神经网络、循环网络、对称连接网络区别是什么,当前大语言模型属于前面说的哪种网络架构,为什么这种网络架构流行
前馈神经网络、循环网络和对称连接网络的区别如下: 1. 前馈神经网络:这是实际应用中最常见的神经网络类型。第一层是输入,最后一层是输出。若有多个隐藏层,则称为“深度”神经网络。各层神经元的活动是前一层活动的非线性函数,通过一系列变换改变样本相似性。 2. 循环网络:在连接图中存在定向循环,意味着可以按箭头回到起始点。它们具有复杂的动态,训练难度较大,但更具生物真实性。目前如何高效地训练循环网络正受到广泛关注,它是模拟连续数据的自然方式,相当于每个时间片段具有一个隐藏层的深度网络,且在每个时间片段使用相同权重和输入,能长时间记住隐藏状态信息,但难以训练其发挥潜能。 3. 对称连接网络:有点像循环网络,但单元之间的连接是对称的(在两个方向上权重相同)。比起循环网络,对称连接网络更易分析。没有隐藏单元的对称连接网络被称为“Hopfield 网络”,有隐藏单元的则称为玻尔兹曼机。 当前的大语言模型通常基于 Transformer 架构,它属于前馈神经网络的一种变体。这种架构流行的原因包括:能够处理长序列数据、并行计算效率高、具有强大的特征提取和表示能力等。
2025-02-25