Нейронные сети ассоциативной памяти. Сети Хопфилда

Искусственная нейронная сеть с обратной связью формирует ассоциативную память. Подобно человеческой памяти по заданной части нужной информации вся информация извлекается из «памяти».

Автоассоциативной памятью — называют память, которая может завершить или исправить образ, но не может ассоциировать полученный образ с другим образом. Данный факт является результатом одноуровневой структуры ассоциативной памяти, в которой вектор появляется на выходе тех же нейронов, на которые поступает входной вектор. Такие сети неустойчивы. Для устойчивой сети последовательные итерации приводят к все меньшим изменениям выхода, пока в конце концов выход не становится постоянным. Для многих сетей процесс никогда не заканчивается. Неустойчивые сети обладают интересными свойствами и изучались в качестве примера хаотических систем. В определенном смысле, это может быть достигнуто и без обратных связей, например перцептроном для случаев когда устойчивость важнее изучения хаотических систем.

Гетероассоциативной памятью — называют память, в которой при поступлении стимула на один набор нейронов, реакция по обратной связи появляется на другом наборе нейронов.

Первая модель автоассоциативной памяти была разработана Хопфилдом. Чтобы добиться устойчивости пришлось весовые коэффициенты выбирать так, чтобы образовывать энергетические минимумы в нужных вершинах единичного гиперкуба.

Впоследствии Коско развил идеи Хопфилда и разработал модель гетероассоциативной памяти — двунаправленная ассоциативная память (ДАП).

Сеть Хопфилда использует три слоя: входной, слой Хопфилда и выходной слой. Каждый слой имеет одинаковое количество нейронов. Входы слоя Хопфилда подсоединены к выходам соответствующих нейронов входного слоя через изменяющиеся веса соединений. Выходы слоя Хопфилда подсоединяются ко входам всех нейронов слоя Хопфилда, за исключением самого себя, а также к соответствующим элементам в выходном слое. В режиме функционирования, сеть направляет данные из входного слоя через фиксированные веса соединений к слою Хопфилда. Слой Хопфилда колебается, пока не будет завершено определенное количество циклов, и текущее состояние слоя передается на выходной слой. Это состояние отвечает образу, уже запрограммированному в сеть.

Обучение сети Хопфилда требует, чтобы обучающий образ был представлен на входном и выходном слоях одновременно. Рекурсивный характер слоя Хопфилда обеспечивает средства коррекции всех весов соединений. Недвоичная реализация сети должна иметь пороговый механизм в передаточной функции. Для правильного обучение сети соответствующие пары "вход-выход" должны отличаться между собой.

Если сеть Хопфилда используется как память, адресуемая по смыслу она имеет два главных ограничения. Во-первых, число образов, которые могут быть сохранены и точно воспроизведены является строго ограниченным. Если сохраняется слишком много параметров, сеть может сходится к новому несуществующему образу, отличному от всех запрограммированных образов, или не сходится вообще.

Граница емкости памяти для сети приблизительно 15% от числа нейронов в слое Хопфилда. Вторым ограничением парадигмы есть то, что слой Хопфилда может стать нестабильным, если обучающие примеры являются слишком похожими. Образец образа считается нестабильным, если он применяется за нулевое время и сеть сходится к некоторому другому образу из обучающего множества. Эта проблема может быть решена выбором обучающих примеров более ортогональных между собой.