科普之旅 ｜ 人工神经网络中的神经元

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作者：陈之炎

本文约2500字，建议阅读7分钟

神经元的未来充满了无限可能。

导读

在这个信息爆炸的时代，你是否曾幻想过与机器流畅交谈，或是让AI助你笔下生花，创作出惊艳的文章？这一切，都离不开大语言模型的神奇魔力。今天，让我们一起揭开这层神秘的面纱，走进大语言模型的科普奇幻之旅！

在探索人工智能的奥秘时，我们经常会听到“人工神经网络”这个术语。人工神经网络是模仿人脑神经细胞（神经元）结构和功能的计算模型，它们是现代机器学习领域中最为强大的工具之一。在这篇文章中，我们将深入探讨人工神经网络中的神经元，了解它们是如何工作的，以及它们如何帮助机器学习模型执行复杂的任务。

1.基本概念

人工神经网络模拟生物神经系统的复杂运作，人工神经网络中大量神经元以复杂网络的形式相互连接。通常，每个神经元与成千上万的其他神经元建立连接，形成数千亿个连接。智能行为的出现源于这些相互连接神经单元之间的无数次交互。

神经元是人工神经系统的基本功能单元，它们通过电信号相互连接和通讯。一个典型的神经元包含三个主要部分：树突、细胞体和轴突。树突接收来自其他神经元的信号，细胞体包含细胞核和其他细胞器，轴突则负责将信号传递给其他神经元或肌肉细胞。

最简单的人工神经模型由单个神经元组成，Star-Trek将之命名为感知器(Perceptron)。它由弗朗克·罗森布拉特(Frank Rossenblatt)于1957年发明，它包括一个简单的神经元，利用数学函数求出输入的加权和(在生物神经元中是枝状突起)，并输出其结果(输出将等同于生物神经元的轴突)，如图 1所示。

图1 神经元结构示意图（来源网络）

单个神经元的图像，左边为输入，乘以每个输入的权重，神经元将函数应用于输入的加权和并输出结果。

2.神经网络建模

在人工神经网络中，神经元类似于生物神经元的计算单元，称为人工神经元或神经网络中的节点。每个节点接收输入信号，通过一个加权求和的过程进行处理，然后输出一个信号。这个过程可以用以下步骤来描述：

• 输入：每个神经元接收来自前一层神经元的多个输入。
• 加权：每个输入都有一个与之相关的权重，这个权重决定了输入信号的重要性。
• 求和：神经元将所有加权输入相加，得到一个总和。
• 激活函数：总和通过一个非线性激活函数进行处理，以引入非线性特性，使得网络能够学习和模拟复杂的函数。

激活函数是神经网络中的关键组件，它决定了神经元是否应该被激活。没有激活函数，无论输入如何变化，网络的输出都将是线性的，这大大限制了网络的能力。常见的激活函数包括：

• Sigmoid：输出值在0和1之间，适合用于二分类问题。
• Tanh：输出值在-1和1之间，与Sigmoid类似，但输出值的范围更广。
• ReLU（Rectified Linear Unit）：输出值非负，计算效率高，是目前最流行的激活函数之一。

3.神经网络的层结构

在神经网络中，将单独的神经元堆叠起来，形成不同大小的层，这些层可以顺序地相邻放置，从而使得网络更深。神经网络由多个层组成，包括输入层、隐含层和输出层。每一层由多个神经元组成：

• 输入层：接收原始数据作为输入。
• 隐藏层：中间层，用于处理输入层的数据，并将其传递给下一层。
• 输出层：产生最终的输出结果。

当以这种方式构建神经网络时，将不属于输入层或输出层的神经元视为是隐含层，正如它们的名称所描述:隐含层是一个黑盒模型，这也正是人工神经网络的主要特征之一。神经网络的层结构如图2所示：

图2 人工神经网络的层结构

4.训练神经网络

神经网络由简单的神经元组成，它们并行运行，神经元之间的连接发挥着至关重要的作用，它们决定了网络的功能，连接在一起的神经元通过各自的权重影响输出，在神经网络的训练阶段，可以对权重进行适当调整。

训练神经网络是一个优化过程，目的是调整网络中所有神经元的权重，以便网络能够准确地执行特定任务。这个过程通常涉及以下步骤：

• 前向传播：数据通过网络前向传播，计算预测输出。
• 损失计算：计算预测输出与实际输出之间的差异（损失）。
• 反向传播：根据损失计算梯度，并更新权重以减少损失。
• 迭代优化：重复前向传播和反向传播，直到网络的性能达到满意的水平。

5.人工神经网络的应用

人工神经网络在许多领域都有应用，包括但不限于：

• 医疗诊断：通过分析医学图像来辅助诊断。
• 自动驾驶汽车：识别道路标志和障碍物。
• 语音助手：理解和响应自然语言命令。
• 推荐系统：根据用户的历史行为推荐商品或内容。

6.结论

人工神经网络中的神经元是理解和构建智能系统的基础。通过模仿人脑的工作方式，利用神经元能够创建出执行复杂任务的机器学习模型。随着技术的进步，人工神经网络将在未来的人工智能发展中扮演越来越重要的角色。