神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BP)算法Python實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用
本文實(shí)例為大家分享了Python實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及應(yīng)用的具體代碼,供大家參考,具體內(nèi)容如下
首先用Python實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單地神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法:
import numpy as np
# 定義tanh函數(shù)
def tanh(x):
return np.tanh(x)
# tanh函數(shù)的導(dǎo)數(shù)
def tan_deriv(x):
return 1.0 - np.tanh(x) * np.tan(x)
# sigmoid函數(shù)
def logistic(x):
return 1 / (1 + np.exp(-x))
# sigmoid函數(shù)的導(dǎo)數(shù)
def logistic_derivative(x):
return logistic(x) * (1 - logistic(x))
class NeuralNetwork:
def __init__(self, layers, activation='tanh'):
"""
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)造函數(shù)
:param layers: 神經(jīng)元層數(shù)
:param activation: 使用的函數(shù)(默認(rèn)tanh函數(shù))
:return:none
"""
if activation == 'logistic':
self.activation = logistic
self.activation_deriv = logistic_derivative
elif activation == 'tanh':
self.activation = tanh
self.activation_deriv = tan_deriv
# 權(quán)重列表
self.weights = []
# 初始化權(quán)重(隨機(jī))
for i in range(1, len(layers) - 1):
self.weights.append((2 * np.random.random((layers[i - 1] + 1, layers[i] + 1)) - 1) * 0.25)
self.weights.append((2 * np.random.random((layers[i] + 1, layers[i + 1])) - 1) * 0.25)
def fit(self, X, y, learning_rate=0.2, epochs=10000):
"""
訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
:param X: 數(shù)據(jù)集(通常是二維)
:param y: 分類標(biāo)記
:param learning_rate: 學(xué)習(xí)率(默認(rèn)0.2)
:param epochs: 訓(xùn)練次數(shù)(最大循環(huán)次數(shù),默認(rèn)10000)
:return: none
"""
# 確保數(shù)據(jù)集是二維的
X = np.atleast_2d(X)
temp = np.ones([X.shape[0], X.shape[1] + 1])
temp[:, 0: -1] = X
X = temp
y = np.array(y)
for k in range(epochs):
# 隨機(jī)抽取X的一行
i = np.random.randint(X.shape[0])
# 用隨機(jī)抽取的這一組數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更新
a = [X[i]]
# 正向更新
for l in range(len(self.weights)):
a.append(self.activation(np.dot(a[l], self.weights[l])))
error = y[i] - a[-1]
deltas = [error * self.activation_deriv(a[-1])]
# 反向更新
for l in range(len(a) - 2, 0, -1):
deltas.append(deltas[-1].dot(self.weights[l].T) * self.activation_deriv(a[l]))
deltas.reverse()
for i in range(len(self.weights)):
layer = np.atleast_2d(a[i])
delta = np.atleast_2d(deltas[i])
self.weights[i] += learning_rate * layer.T.dot(delta)
def predict(self, x):
x = np.array(x)
temp = np.ones(x.shape[0] + 1)
temp[0:-1] = x
a = temp
for l in range(0, len(self.weights)):
a = self.activation(np.dot(a, self.weights[l]))
return a
使用自己定義的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的功能:
小案例:
X: Y
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
from NN.NeuralNetwork import NeuralNetwork import numpy as np nn = NeuralNetwork([2, 2, 1], 'tanh') temp = [[0, 0], [0, 1], [1, 0], [1, 1]] X = np.array(temp) y = np.array([0, 1, 1, 0]) nn.fit(X, y) for i in temp: print(i, nn.predict(i))

發(fā)現(xiàn)結(jié)果基本機(jī)制,無(wú)限接近0或者無(wú)限接近1
第二個(gè)例子:識(shí)別圖片中的數(shù)字
導(dǎo)入數(shù)據(jù):
from sklearn.datasets import load_digits import pylab as pl digits = load_digits() print(digits.data.shape) pl.gray() pl.matshow(digits.images[0]) pl.show()
觀察下:大小:(1797, 64)
數(shù)字0

接下來(lái)的代碼是識(shí)別它們:
import numpy as np
from sklearn.datasets import load_digits
from sklearn.metrics import confusion_matrix, classification_report
from sklearn.preprocessing import LabelBinarizer
from NN.NeuralNetwork import NeuralNetwork
from sklearn.cross_validation import train_test_split
# 加載數(shù)據(jù)集
digits = load_digits()
X = digits.data
y = digits.target
# 處理數(shù)據(jù),使得數(shù)據(jù)處于0,1之間,滿足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的要求
X -= X.min()
X /= X.max()
# 層數(shù):
# 輸出層10個(gè)數(shù)字
# 輸入層64因?yàn)閳D片是8*8的,64像素
# 隱藏層假設(shè)100
nn = NeuralNetwork([64, 100, 10], 'logistic')
# 分隔訓(xùn)練集和測(cè)試集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y)
# 轉(zhuǎn)化成sklearn需要的二維數(shù)據(jù)類型
labels_train = LabelBinarizer().fit_transform(y_train)
labels_test = LabelBinarizer().fit_transform(y_test)
print("start fitting")
# 訓(xùn)練3000次
nn.fit(X_train, labels_train, epochs=3000)
predictions = []
for i in range(X_test.shape[0]):
o = nn.predict(X_test[i])
# np.argmax:第幾個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)最大概率值
predictions.append(np.argmax(o))
# 打印預(yù)測(cè)相關(guān)信息
print(confusion_matrix(y_test, predictions))
print(classification_report(y_test, predictions))
結(jié)果:
矩陣對(duì)角線代表預(yù)測(cè)正確的數(shù)量,發(fā)現(xiàn)正確率很多

這張表更直觀地顯示出預(yù)測(cè)正確率:
共450個(gè)案例,成功率94%

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容,希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。
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