Python實現(xiàn)感知機(PLA)算法
我們主要講解一下利用Python實現(xiàn)感知機算法。
算法一
首選,我們利用Python,按照上一節(jié)介紹的感知機算法基本思想,實現(xiàn)感知算法的原始形式和對偶形式。
#利用Python實現(xiàn)感知機算法的原始形式 # -*- encoding:utf-8 -*- """ Created on 2017.6.7 @author: Ada """ import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt #1、創(chuàng)建數(shù)據(jù)集 def createdata(): samples=np.array([[3,-3],[4,-3],[1,1],[1,2]]) labels=[-1,-1,1,1] return samples,labels #訓練感知機模型 class Perceptron: def __init__(self,x,y,a=1): self.x=x self.y=y self.w=np.zeros((x.shape[1],1))#初始化權重,w1,w2均為0 self.b=0 self.a=1#學習率 self.numsamples=self.x.shape[0] self.numfeatures=self.x.shape[1] def sign(self,w,b,x): y=np.dot(x,w)+b return int(y) def update(self,label_i,data_i): tmp=label_i*self.a*data_i tmp=tmp.reshape(self.w.shape) #更新w和b self.w=tmp+self.w self.b=self.b+label_i*self.a def train(self): isFind=False while not isFind: count=0 for i in range(self.numsamples): tmpY=self.sign(self.w,self.b,self.x[i,:]) if tmpY*self.y[i]<=0:#如果是一個誤分類實例點 print '誤分類點為:',self.x[i,:],'此時的w和b為:',self.w,self.b count+=1 self.update(self.y[i],self.x[i,:]) if count==0: print '最終訓練得到的w和b為:',self.w,self.b isFind=True return self.w,self.b #畫圖描繪 class Picture: def __init__(self,data,w,b): self.b=b self.w=w plt.figure(1) plt.title('Perceptron Learning Algorithm',size=14) plt.xlabel('x0-axis',size=14) plt.ylabel('x1-axis',size=14) xData=np.linspace(0,5,100) yData=self.expression(xData) plt.plot(xData,yData,color='r',label='sample data') plt.scatter(data[0][0],data[0][1],s=50) plt.scatter(data[1][0],data[1][1],s=50) plt.scatter(data[2][0],data[2][1],s=50,marker='x') plt.scatter(data[3][0],data[3][1],s=50,marker='x') plt.savefig('2d.png',dpi=75) def expression(self,x): y=(-self.b-self.w[0]*x)/self.w[1]#注意在此,把x0,x1當做兩個坐標軸,把x1當做自變量,x2為因變量 return y def Show(self): plt.show() if __name__ == '__main__': samples,labels=createdata() myperceptron=Perceptron(x=samples,y=labels) weights,bias=myperceptron.train() Picture=Picture(samples,weights,bias) Picture.Show()
實驗結果:
誤分類點為: [ 3 -3] 此時的w和b為: [[ 0.]
[ 0.]] 0
誤分類點為: [1 1] 此時的w和b為: [[-3.]
[ 3.]] -1
最終訓練得到的w和b為: [[-2.]
[ 4.]] 0
#利用Python實現(xiàn)感知機算法的對偶形式 # -*- encoding:utf-8 -*- """ Created on 2017.6.7 @author: Ada """ import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt #1、創(chuàng)建數(shù)據(jù)集 def createdata(): samples=np.array([[3,-3],[4,-3],[1,1],[1,2]]) labels=np.array([-1,-1,1,1]) return samples,labels #訓練感知機模型 class Perceptron: def __init__(self,x,y,a=1): self.x=x self.y=y self.w=np.zeros((1,x.shape[0])) self.b=0 self.a=1#學習率 self.numsamples=self.x.shape[0] self.numfeatures=self.x.shape[1] self.gMatrix=self.cal_gram(self.x) def cal_gram(self,x): gMatrix=np.zeros((self.numsamples,self.numsamples)) for i in xrange(self.numsamples): for j in xrange(self.numsamples): gMatrix[i][j]=np.dot(self.x[i,:],self.x[j,:]) return gMatrix def sign(self,w,b,key): y=np.dot(w*self.y,self.gMatrix[:,key])+b return int(y) def update(self,i): self.w[i,]=self.w[i,]+self.a self.b=self.b+self.y[i]*self.a def cal_w(self): w=np.dot(self.w*self.y,self.x) return w def train(self): isFind=False while not isFind: count=0 for i in range(self.numsamples): tmpY=self.sign(self.w,self.b,i) if tmpY*self.y[i]<=0:#如果是一個誤分類實例點 print '誤分類點為:',self.x[i,:],'此時的w和b為:',self.cal_w(),',',self.b count+=1 self.update(i) if count==0: print '最終訓練得到的w和b為:',self.cal_w(),',',self.b isFind=True weights=self.cal_w() return weights,self.b #畫圖描繪 class Picture: def __init__(self,data,w,b): self.b=b self.w=w plt.figure(1) plt.title('Perceptron Learning Algorithm',size=14) plt.xlabel('x0-axis',size=14) plt.ylabel('x1-axis',size=14) xData=np.linspace(0,5,100) yData=self.expression(xData) plt.plot(xData,yData,color='r',label='sample data') plt.scatter(data[0][0],data[0][1],s=50) plt.scatter(data[1][0],data[1][1],s=50) plt.scatter(data[2][0],data[2][1],s=50,marker='x') plt.scatter(data[3][0],data[3][1],s=50,marker='x') plt.savefig('2d.png',dpi=75) def expression(self,x): y=(-self.b-self.w[:,0]*x)/self.w[:,1] return y def Show(self): plt.show() if __name__ == '__main__': samples,labels=createdata() myperceptron=Perceptron(x=samples,y=labels) weights,bias=myperceptron.train() Picture=Picture(samples,weights,bias) Picture.Show()
實驗結果:
誤分類點為: [ 3 -3] 此時的w和b為: [[ 0. 0.]] , 0
最終訓練得到的w和b為: [[-5. 9.]] , -1
通過以上實驗結果可以看出,兩種方法的結果是不同的,一方面,是由于兩種優(yōu)化方法不同;二是,因為在選擇實例點的順序上有關系。但是無論用哪種方法,都可以找到一條直線,把數(shù)據(jù)完全分開。實際上,就算使用同一算法,如果改變初始值w0,b0,或者改變選擇實例點的順序,也可以使得結果不同。
算法二
Python的機器學習包sklearn中也包含了感知機學習算法,我們可以直接調(diào)用,因為感知機算法屬于線性模型,所以從sklearn.linear_model中import下面給出例子。
# -*- encoding:utf-8 -*- """ 利用sklearn中的感知機學習算法進行實驗 Created on 2017.6.7 @author: Ada """ import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from sklearn.linear_model import Perceptron #創(chuàng)建數(shù)據(jù),直接定義數(shù)據(jù)列表 def creatdata1(): samples=np.array([[3,-3],[4,-3],[1,1],[1,2]]) labels=np.array([-1,-1,1,1]) return samples,labels def MyPerceptron(samples,labels): #定義感知機 clf=Perceptron(fit_intercept=True,n_iter=30,shuffle=False) #訓練感知機 clf.fit(samples,labels) #得到權重矩陣 weigths=clf.coef_ #得到截距bisa bias=clf.intercept_ return weigths,bias #畫圖描繪 class Picture: def __init__(self,data,w,b): self.b=b self.w=w plt.figure(1) plt.title('Perceptron Learning Algorithm',size=14) plt.xlabel('x0-axis',size=14) plt.ylabel('x1-axis',size=14) xData=np.linspace(0,5,100) yData=self.expression(xData) plt.plot(xData,yData,color='r',label='sample data') plt.scatter(data[0][0],data[0][1],s=50) plt.scatter(data[1][0],data[1][1],s=50) plt.scatter(data[2][0],data[2][1],s=50,marker='x') plt.scatter(data[3][0],data[3][1],s=50,marker='x') plt.savefig('3d.png',dpi=75) def expression(self,x): y=(-self.b-self.w[:,0]*x)/self.w[:,1] return y def Show(self): plt.show() if __name__ == '__main__': samples,labels=creatdata1() weights,bias=MyPerceptron(samples,labels) print '最終訓練得到的w和b為:',weights,',',bias Picture=Picture(samples,weights,bias) Picture.Show()
實驗結果:
最終訓練得到的w和b為: [[-2. 4.]] , [ 0.]
算法三
利用sklearn包中的感知器算法,并進行測試與評估
# -*- encoding:utf-8 -*- ''' 利用sklearn中的的Perceptron進行實驗,并進行測試 ''' from sklearn.datasets import make_classification from sklearn.linear_model import Perceptron from sklearn.cross_validation import train_test_split from matplotlib import pyplot as plt import numpy as np #利用算法進行創(chuàng)建數(shù)據(jù)集 def creatdata(): x,y = make_classification(n_samples=1000, n_features=2,n_redundant=0,n_informative=1,n_clusters_per_class=1) ''' #n_samples:生成樣本的數(shù)量 #n_features=2:生成樣本的特征數(shù),特征數(shù)=n_informative() + n_redundant + n_repeated #n_informative:多信息特征的個數(shù) #n_redundant:冗余信息,informative特征的隨機線性組合 #n_clusters_per_class :某一個類別是由幾個cluster構成的 make_calssification默認生成二分類的樣本,上面的代碼中,x代表生成的樣本空間(特征空間) y代表了生成的樣本類別,使用1和0分別表示正例和反例 y=[0 0 0 1 0 1 1 1... 1 0 0 1 1 0] ''' return x,y if __name__ == '__main__': x,y=creatdata() #將生成的樣本分為訓練數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù),并將其中的正例和反例分開 x_train,x_test,y_train,y_test=train_test_split(x,y,test_size=0.2,random_state=0) #正例和反例 positive_x1=[x[i,0]for i in range(len(y)) if y[i]==1] positive_x2=[x[i,1]for i in range(len(y)) if y[i]==1] negetive_x1=[x[i,0]for i in range(len(y)) if y[i]==0] negetive_x2=[x[i,1]for i in range(len(y)) if y[i]==0] #定義感知機 clf=Perceptron(fit_intercept=True,n_iter=50,shuffle=False) # 使用訓練數(shù)據(jù)進行訓練 clf.fit(x_train,y_train) #得到訓練結果,權重矩陣 weights=clf.coef_ #得到截距 bias=clf.intercept_ #到此時,我們已經(jīng)得到了訓練出的感知機模型參數(shù),下面用測試數(shù)據(jù)對其進行驗證 acc=clf.score(x_test,y_test)#Returns the mean accuracy on the given test data and labels. print '平均精確度為:%.2f'%(acc*100.0) #最后,我們將結果用圖像顯示出來,直觀的看一下感知機的結果 #畫出正例和反例的散點圖 plt.scatter(positive_x1,positive_x2,c='red') plt.scatter(negetive_x1,negetive_x2,c='blue') #畫出超平面(在本例中即是一條直線) line_x=np.arange(-4,4) line_y=line_x*(-weights[0][0]/weights[0][1])-bias plt.plot(line_x,line_y) plt.show()
實驗結果為:平均精確度為:96.00
通過算法三和算法四可以看出,直接調(diào)用開源包里面的算法還是比較簡單的,思路是通用的。
算法四
我們利用sklearn包中的感知機算法進行分類算法的實現(xiàn)。
# -*- encoding:utf-8 -*- import numpy as np ''' 以scikit-learn 中的perceptron為例介紹分類算法 應用及其學習分類算法的五個步驟 (1)選擇特征 (2)選擇一個性能指標 (3)選擇一個分類器和一個優(yōu)化算法 (4)評價模型的性能 (5)優(yōu)化算法 以scikit-learn 中的perceptron為例介紹分類算法 1 讀取數(shù)據(jù)-iris 2 分配訓練集和測試集 3 標準化特征值 4 訓練感知器模型 5 用訓練好的模型進行預測 6 計算性能指標 7 描繪分類界面 ''' from sklearn import datasets import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt iris=datasets.load_iris() X=iris.data[:,[2,3]] y=iris.target #訓練數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)分為7:3 from sklearn.cross_validation import train_test_split x_train,x_test,y_train,y_test=train_test_split(X,y,test_size=0.3,random_state=0) #標準化數(shù)據(jù) from sklearn.preprocessing import StandardScaler sc=StandardScaler() sc.fit(x_train) x_train_std=sc.transform(x_train) x_test_std=sc.transform(x_test) #引入skleran 的Perceptron并進行訓練 from sklearn.linear_model import Perceptron ppn=Perceptron(n_iter=40,eta0=0.01,random_state=0) ppn.fit(x_train_std,y_train) y_pred=ppn.predict(x_test_std) print '錯誤分類數(shù):%d'%(y_test!=y_pred).sum() from sklearn.metrics import accuracy_score print '準確率為:%.2f'%accuracy_score(y_test,y_pred) #繪制決策邊界 from matplotlib.colors import ListedColormap import warnings def versiontuple(v): return tuple(map(int,(v.split('.')))) def plot_decision_regions(X,y,classifier,test_idx=None,resolution=0.02): #設置標記點和顏色 markers=('s','x','o','^','v') colors=('red','blue','lightgreen','gray','cyan') cmap=ListedColormap(colors[:len(np.unique(y))]) # 繪制決策面 x1_min, x1_max = X[:, 0].min() - 1, X[:, 0].max() + 1 x2_min, x2_max = X[:, 1].min() - 1, X[:, 1].max() + 1 xx1, xx2 = np.meshgrid(np.arange(x1_min, x1_max, resolution), np.arange(x2_min, x2_max, resolution)) Z = classifier.predict(np.array([xx1.ravel(), xx2.ravel()]).T) Z = Z.reshape(xx1.shape) plt.contourf(xx1, xx2, Z, alpha=0.4, cmap=cmap) plt.xlim(xx1.min(), xx1.max()) plt.ylim(xx2.min(), xx2.max()) for idx, cl in enumerate(np.unique(y)): plt.scatter(x=X[y == cl, 0], y=X[y == cl, 1], alpha=0.8, c=cmap(idx), marker=markers[idx], label=cl) if test_idx: # 繪制所有數(shù)據(jù)點 if not versiontuple(np.__version__) >= versiontuple('1.9.0'): X_test, y_test = X[list(test_idx), :], y[list(test_idx)] warnings.warn('Please update to NumPy 1.9.0 or newer') else: X_test, y_test = X[test_idx, :], y[test_idx] plt.scatter(X_test[:, 0], X_test[:, 1], c='', alpha=1.0, linewidth=1, marker='o', s=55, label='test set') def plot_result(): X_combined_std = np.vstack((x_train_std, x_test_std)) y_combined = np.hstack((y_train, y_test)) plot_decision_regions(X=X_combined_std, y=y_combined, classifier=ppn, test_idx=range(105,150)) plt.xlabel('petal length [standardized]') plt.ylabel('petal width [standardized]') plt.legend(loc='upper left') plt.tight_layout() plt.show() plot_result()
實驗結果為:錯誤分類數(shù):4;準確率為:0.91
<完>
以上就是本文的全部內(nèi)容,希望對大家的學習有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。
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