ElemedexEnciclopedia de bolsillo de arquitecturas de IA
N.º 004

Perceptrón

Mark I Perceptron (hardware version)

Neurona que aprende

Cada vez que se equivoca, se corrige un poquito; cuando acierta, no toca nada. En 1958 la prensa anunció que algún día caminaría, hablaría y tendría conciencia de sí mismo. Once años después, un libro demostró que ni siquiera podía con el o-exclusivo, y el perceptrón se fue a invernar.

Altura
1 capa de pesos aprendidos (Mark I: unidades S → A → R)
Peso
Mark I: pesos como potenciómetros movidos por motores
Parámetros
n + 1: un peso por entrada más el sesgo
Contexto
un vector de entrada fijo (Mark I: retina de 20 × 20 fotocélulas)
Datos de entrenamiento
ejemplos etiquetados; en la demostración de 1958, 50 ensayos
Año
1958
Generación
1 · Cibernética y símbolos
Creadores
Frank Rosenblatt (Cornell Aeronautical Laboratory; funded by the U.S. Office of Naval Research)
Clase
Algoritmo

Estadísticas base

Total
100

Escalas ordinales y aproximadas, pensadas para comparar especies entre sí; los números duros están en la ficha.

Debilidades

  • Solo separa clases linealmente separables: el o-exclusivo (XOR) le es imposible.
  • Si los datos no son separables, la regla no termina nunca: hay que ponerle un límite de iteraciones.
  • No da probabilidades ni grados de confianza, solo un sí o un no.
  • Una sola capa entrenable: no construye representaciones intermedias.

Hábitat

Se crió en el Cornell Aeronautical Laboratory de Buffalo, primero como programa en una IBM 704, en una demostración organizada por la Marina, y después como máquina propia, la Mark I, con una retina de fotocélulas. La Mark I hoy está en el Smithsonian; el perceptrón, en cada unidad de cada red neuronal y en el laboratorio interactivo de este sitio.

Movimientos

Habilidades

Regla de aprendizaje
Si clasifica mal un ejemplo positivo, le suma el vector de entrada a sus pesos; si clasifica mal uno negativo, se lo resta. Si acierta, no cambia.
Frontera lineal
Los pesos definen un hiperplano: todo lo que cae de un lado es clase 1, todo lo del otro, clase 2.
Teorema de convergencia
Si existe una frontera lineal que separa los ejemplos, la regla la encuentra en una cantidad finita de pasos.

Anatomía

El perceptrón como red de dos capas de nodos: cada atributo (y una entrada constante, el sesgo) se multiplica por su peso y se suma; si la suma es positiva, la salida es +1. Durante el entrenamiento, cada error suma o resta el ejemplo mal clasificado al vector de pesos. Es la misma unidad de umbral de McCulloch y Pitts, pero con pesos que se aprenden.

Cadena evolutiva

004 Perceptrón

El perceptrón es la primera red neuronal que aprende de ejemplos: una unidad de umbral como la de Neurona de McCulloch y Pitts, pero con pesos numéricos que se ajustan cada vez que se equivoca. Frank Rosenblatt, un psicólogo del Cornell Aeronautical Laboratory, lo presentó en 1958 como un modelo probabilístico del almacenamiento y la organización de la información en el cerebro, que es el título de su artículo (Rosenblatt, 1958).

Cómo funciona

Cada entrada se multiplica por un peso, los productos se suman y, si el total supera un umbral, la unidad responde 1 («dispara»); si no, 0 (M. Mitchell, 2019, ch. 1), o −1 en la convención de Witten et al. (2017, p. 133). Si se agrega una entrada constante igual a 1 (el sesgo), el umbral se vuelve un peso más y la regla es simplemente: suma positiva, primera clase; si no, la segunda (Witten et al., 2017, p. 132). Geométricamente, los pesos definen un hiperplano, una frontera de decisión lineal.

Lo novedoso es la regla de aprendizaje. Se empieza con pesos en cero (o al azar) y se recorren los ejemplos etiquetados: si uno de la primera clase queda mal clasificado, se suman sus valores al vector de pesos; si es de la segunda, se restan. Así, la salida para ese ejemplo se mueve en la dirección correcta, porque cambia en Σ aᵢ², que siempre es positivo (Witten et al., 2017, pp. 132–133). Mitchell subraya el parentesco con el conductismo de Skinner: premiar los aciertos y castigar los errores es lo que hoy llamamos aprendizaje supervisado (2019, ch. 1). Si los datos son linealmente separables, la regla converge en una cantidad finita de pasos; si no lo son, no termina nunca (Witten et al., 2017, p. 133). Se puede probar en el laboratorio del perceptrón.

Qué cambió

Además de los pesos aprendidos, cambió el lenguaje. Rosenblatt consideraba que los modelos de cerebro de McCulloch y Pitts eran «logical contrivances» (artilugios lógicos) diseñados para algoritmos particulares, y que la lógica simbólica y el álgebra de Boole no servían para estudiar redes imperfectas y con conexiones al azar; por eso formuló su modelo en términos de teoría de la probabilidad (Rosenblatt, 1958, pp. 387–388). Su «fotoperceptrón» tenía una retina de unidades sensoriales, una capa de asociación conectada al azar y unidades de respuesta (1958, pp. 388–390); en términos modernos, una sola capa de pesos entrenables (Buckner, 2024, p. 120).

También cambió la escala de las promesas. Tras una demostración de la Marina en julio de 1958, el New York Times informó que se esperaba una computadora capaz de «walk, talk, see, write, reproduce itself, and be conscious of its existence» [caminar, hablar, ver, escribir, reproducirse y ser consciente de su existencia] (M. Mitchell, 2019, ch. 1).

Límites

Una frontera lineal puede separar los casos de AND, OR y NOT, pero no los de XOR (Witten et al., 2017, p. 262). En 1969, Minsky y Papert demostraron que el tipo de problemas que un perceptrón simple resuelve a la perfección es muy limitado (Minsky y Papert, 1969). Que una capa extra resolvía XOR se sabía, y el propio Rosenblatt lo había señalado; lo que faltaba era una regla para entrenar redes de varias capas (Buckner, 2024, p. 120). Según Mitchell, más que la matemática, pesó la especulación del libro de que la extensión a varias capas sería «sterile» (estéril); el financiamiento se secó y Rosenblatt murió en 1971 (2019, ch. 1). Las redes neuronales tardaron décadas en volver, hasta que la retropropagación permitió entrenar varias capas (Chollet, 2021, sec. 1.2.2); para eso hubo que reemplazar el escalón, que no es derivable, por una sigmoide (Witten et al., 2017, p. 264). Ese es el perceptrón multicapa.

Fuentes

  • Buckner, C. J. (2024). From deep learning to rational machines: What the history of philosophy can teach us about the future of artificial intelligence. Oxford University Press. https://doi.org/10.1093/oso/9780197653302.001.0001 §
  • Chollet, F. (2021). Deep learning with Python (2nd ed.). Manning Publications. §
  • Minsky, M., & Papert, S. (1969). Perceptrons: An introduction to computational geometry. MIT Press. §
  • Mitchell, M. (2019). Artificial intelligence: A guide for thinking humans. Pelican Books. §
  • Rosenblatt, F. (1958). The perceptron: A probabilistic model for information storage and organization in the brain. Psychological Review, 65(6), 386–408. https://doi.org/10.1037/h0042519 §
  • Witten, I. H., Frank, E., Hall, M. A., & Pal, C. J. (2017). Data mining: Practical machine learning tools and techniques (4th ed.). Morgan Kaufmann. https://doi.org/10.1016/C2015-0-02071-8 §