Введение
Победитель забирает всё — это вычислительный принцип, используемый в вычислительных моделях нейронных сетей, в соответствии с которым нейроны конкурируют друг с другом за активацию. В классической форме активным остаётся только нейрон с максимальной активацией, а все остальные отключаются; однако другие варианты допускают активацию более чем одного нейрона, например, в методе "мягкий победитель забирает всё", где к нейронам применяется степенная функция.
Нейронные сети
В теории искусственных нейронных сетей сети "победитель берет всё" являются частным случаем конкурентного обучения в рекуррентных нейронных сетях. Выходные узлы в сети взаимно ингибируют друг друга, одновременно активируясь посредством рефлекторных связей. Через некоторое время в выходном слое активным остаётся только один узел – тот, который соответствует наиболее сильному входному сигналу. Таким образом, сеть использует нелинейное торможение для выделения максимального значения из набора входных сигналов. "Победитель берет всё" – это общий вычислительный примитив, который может быть реализован с использованием различных типов моделей нейронных сетей, включая сети непрерывного времени и импульсные сети. Сети "победитель берет всё" широко используются в вычислительных моделях мозга, особенно для распределенного принятия решений или выбора действий в коре головного мозга. Важными примерами служат иерархические модели зрения, а также модели избирательного внимания и распознавания. Они также распространены в искусственных нейронных сетях и нейроморфных аналоговых интегральных схемах (VLSI). Строго доказано, что операция "победитель берет всё" обладает большей вычислительной мощностью по сравнению с другими нелинейными операциями, такими как пороговая функция. Во многих практических случаях активируется не один нейрон, а ровно k нейронов, где k – фиксированное число. Этот принцип называется "k победителей берут всё".
Пример схемы
Простая, но популярная CMOS схема "победитель принимает всё" показана справа. Эта схема была первоначально предложена Лаццаро и др. (1989) с использованием МОП-транзисторов, настроенных для работы в режиме слабой инверсии или подпороговом режиме. В конкретном случае, показанном здесь, имеется только два входа (IIN,1 и IIN,2), но схему можно легко расширить на несколько входов простым способом. Она работает с непрерывными по времени входными сигналами (токами) параллельно, используя всего два транзистора на вход. Кроме того, ток смещения IBIAS задается одним глобальным транзистором, общим для всех входов. Наибольший из входных токов определяет общий потенциал VC. В результате соответствующий выход несет почти весь ток смещения, а остальные выходы имеют токи, близкие к нулю. Таким образом, схема выбирает больший из двух входных токов, то есть, если IIN,1 > IIN,2, то IOUT,1 = IBIAS и IOUT,2 = 0. Аналогично, если IIN,2 > IIN,1, то IOUT,1 = 0 и IOUT,2 = IBIAS. На правой стороне представлено DC-моделирование в SPICE для CMOS схемы "победитель принимает всё" в двухвходовом варианте. Как показано на верхнем графике, вход IIN,1 был зафиксирован на уровне 6 нА, в то время как IIN,2 линейно увеличивался от 0 до 10 нА. На нижнем графике показаны два выходных тока. Как и ожидалось, выход, соответствующий большему из двух входов, несет весь ток смещения (10 нА в данном случае), принуждая другой выходной ток к значению, близкому к нулю.
Другие применения
В алгоритмах стереосопоставления, следуя таксономии, предложенной Шарштейном и Селлиски, принцип "победитель получает всё" является локальным методом вычисления разности изображений. При использовании стратегии "победитель получает всё" разность, соответствующая минимальному или максимальному значению стоимости, выбирается для каждого пикселя. Это общепризнанный факт, что на рынке электронной коммерции ранние доминирующие игроки, такие как AOL или Yahoo!, получают большую часть прибыли. К 1998 году одно исследование показало, что 5% наиболее посещаемых веб-сайтов аккумулировали более 74% всего трафика. Гипотеза "победитель получает всё" в экономике предполагает, что как только технология или компания выходит вперед, она будет улучшать свои позиции со временем, в то время как отстающие технологии и компании будут все больше отставать. См. Преимущество первопроходца.