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[컴퓨터를 이용한 신약개발 (CADD)] 인공신경망 (Artificial Neural Network, ANN)
생명과학 신현길 (2017-03-17 13:19)
[컴퓨터를 이용한 신약개발 (CADD)] 인공신경망 (Artificial Neural Network, ANN)

생물학적인 신경계의 구성을 보면 각각의 신경 세포들은 서로 다른 신경 세포들과 복잡하게 연결되어 신호를 주고 받는다. 중요한 정보는 강한 신호로 전달되고, 중요성이 떨어지는 정보는 약한 신호로 전달되면서, 학습이 이루어지고 기억을 형성하게 된다. 신경세포들의 네트워크 사이에서 일어나는 이러한 일련의 과정을 모방해서 구현한 알고리즘을 ANN이라 한다.

1. ANN의 구조 및 명칭
 ANN구조
<그림1. ANN구조: 3x3x1>

ANN은 input layer, hidden layer, output layer로 구성되어 있으며, 각각의 layer는 node들을 갖고 있다. Input layer에 있는 node들은 input node, hidden layer에 있는 node들은 hidden node, output layer에 있는 node들은 output node라고 명명하며, Input layer에는 bias (y 절편)값과 descriptor를 입력받는 input node들이 있다. 위 그림에서는 input node가 3개이므로, bias를 제외하면 2개의 descriptor 값만 입력받게 된다. Hidden layer는 output layer와 input layer 사이에 있는 모든 layer를 칭한다. 여기서는 한 개의 hidden layer가 있고, 3개의 hidden node로 구성되어 있다. Hidden layer에서도 첫번째 node는 bias값이고, 그 외 node에는 그 전 layer의 node들로부터 계산된 값이 들어오게 된다. Output layer 바로 전에 있는 hidden layer에 있는 node들로부터 계산된 값들이 들어오면 그 값이 최종적으로 예측값이 된다.

 ANN구조
<그림2. ANN구조: 3x4x3x2>

Hidden layer의 개수는 얼마든지 늘릴 수 있고, 각 layer 별로 node개수도 원하는 대로 정의할 수 있다. 분류하고자 하는 data에서 class의 개수가 1개 이상인 경우, output node 개수도 늘어날 수 있다.

2. Feed forward
  Input node들로부터 2번째 hidden node로 값이 전달되는 과정
<그림3. Input node들로부터 2번째 hidden node로 값이 전달되는 과정>

Input layer로부터 그 다음 layer로 전달되는 값은 다음과 같이 계산된다. Node간 연결되어 있는 선을 edge라고 부르는데, 각각의 edge에는 특정 weight 값이 할당 되어 있다. 각각의 input node값에 해당 weight값이 곱해져서 그 합(h2)을 계산한 후에, sigmoid function에 계산된 값을 적용한 값(HN2)이 hidden node에 할당 된다.

 Input node들로부터 3번째 hidden node로 값이 전달되는 과정
<그림4. Input node들로부터 3번째 hidden node로 값이 전달되는 과정>

Hidden node에 할당되는 값들은 모두 동일하게 input node값과 해당 weight값을 통해 계산이 되며, hidden node에 할당된 값들은 그 다음 layer에 있는 node들 값을 계산하는데 사용된다.

 Hidden node들로부터 output node로 값이 전달되는 과정
<그림5. Hidden node들로부터 output node로 값이 전달되는 과정>

Output node로 전달되는 값도 동일한 원리로 계산되며, hidden node에 할당되어 있는 값과 hidden node들과 output node사이에 정의된 weight값을 이용해서 계산이 이루어진다.

참고자료
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신현길 (연세대학교, 생명공학과)
컴퓨터는 게임기인줄 알고 살아왔었는데, 컴퓨터라는게 아주 유용하고 나의 수고를 덜어줄 수 있는 좋은 도구라는 것을 대학원 과정 중에 깨닫게 되었습니다. 호기심이 많아서 MOOC에서 재미있는 강의들을 골라서 틈틈히 공부하고 있고, 취미는 외국어 공부입니다.
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