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numpy實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡反向傳播算法的步驟

 更新時間:2019年12月24日 16:45:39   作者:蕾姆233  
這篇文章主要介紹了numpy實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡反向傳播算法的步驟,文中通過示例代碼介紹的非常詳細,對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值,需要的朋友們下面隨著小編來一起學習學習吧

一、任務

實現(xiàn)一個4 層的全連接網(wǎng)絡實現(xiàn)二分類任務,網(wǎng)絡輸入節(jié)點數(shù)為2,隱藏層的節(jié)點數(shù)設計為:25,50,25,輸出層2 個節(jié)點,分別表示屬于類別1 的概率和類別2 的概率,如圖所示。我們并沒有采用Softmax 函數(shù)將網(wǎng)絡輸出概率值之和進行約束,而是直接利用均方差誤差函數(shù)計算與One-hot 編碼的真實標簽之間的誤差,所有的網(wǎng)絡激活函數(shù)全部采用Sigmoid 函數(shù),這些設計都是為了能直接利用梯度推導公式。

二、數(shù)據(jù)集

通過scikit-learn 庫提供的便捷工具生成2000 個線性不可分的2 分類數(shù)據(jù)集,數(shù)據(jù)的特征長度為2,采樣出的數(shù)據(jù)分布如圖 所示,所有的紅色點為一類,所有的藍色點為一類,可以看到數(shù)據(jù)的分布呈月牙狀,并且是是線性不可分的,無法用線性網(wǎng)絡獲得較好效果。為了測試網(wǎng)絡的性能,按照7: 3比例切分訓練集和測試集,其中2000 ∗ 0 3 =600個樣本點用于測試,不參與訓練,剩下的1400 個點用于網(wǎng)絡的訓練。 

import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns #要注意的是一旦導入了seaborn,matplotlib的默認作圖風格就會被覆蓋成seaborn的格式
from sklearn.datasets import make_moons
from sklearn.model_selection import train_test_split
N_SAMPLES = 2000 # 采樣點數(shù)
TEST_SIZE = 0.3 # 測試數(shù)量比率
# 利用工具函數(shù)直接生成數(shù)據(jù)集
X, y = make_moons(n_samples = N_SAMPLES, noise=0.2, random_state=100)
# 將2000 個點按著7:3 分割為訓練集和測試集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y,
test_size=TEST_SIZE, random_state=42)
print(X.shape, y.shape)
# 繪制數(shù)據(jù)集的分布,X 為2D 坐標,y 為數(shù)據(jù)點的標簽
def make_plot(X, y, plot_name, file_name=None, XX=None, YY=None, preds=None,dark=False):
  if (dark):
    plt.style.use('dark_background')
  else:
    sns.set_style("whitegrid")
  plt.figure(figsize=(16,12))
  axes = plt.gca()
  axes.set(xlabel="$x_1$", ylabel="$x_2$")
  plt.title(plot_name, fontsize=30)
  plt.subplots_adjust(left=0.20)
  plt.subplots_adjust(right=0.80)
  if(XX is not None and YY is not None and preds is not None):
    plt.contourf(XX, YY, preds.reshape(XX.shape), 25, alpha = 1,cmap=plt.cm.Spectral)
    plt.contour(XX, YY, preds.reshape(XX.shape), levels=[.5],cmap="Greys", vmin=0, vmax=.6)
  # 繪制散點圖,根據(jù)標簽區(qū)分顏色
  plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c=y.ravel(), s=40, cmap=plt.cm.Spectral,edgecolors='none')
  plt.savefig('dataset.svg')
  plt.close()
# 調(diào)用make_plot 函數(shù)繪制數(shù)據(jù)的分布,其中X 為2D 坐標,y 為標簽
make_plot(X, y, "Classification Dataset Visualization ")
plt.show()

三、網(wǎng)絡層

通過新建類Layer 實現(xiàn)一個網(wǎng)絡層,需要傳入網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)節(jié)點數(shù),輸出節(jié)點數(shù),激活函數(shù)類型等參數(shù),權(quán)值weights 和偏置張量bias 在初始化時根據(jù)輸入、輸出節(jié)點數(shù)自動生成并初始化:

class Layer:
  # 全連接網(wǎng)絡層
  def __init__(self, n_input, n_neurons, activation=None, weights=None,
         bias=None):
    """
    :param int n_input: 輸入節(jié)點數(shù)
    :param int n_neurons: 輸出節(jié)點數(shù)
    :param str activation: 激活函數(shù)類型
    :param weights: 權(quán)值張量,默認類內(nèi)部生成
    :param bias: 偏置,默認類內(nèi)部生成
    """
 
    # 通過正態(tài)分布初始化網(wǎng)絡權(quán)值,初始化非常重要,不合適的初始化將導致網(wǎng)絡不收斂
    self.weights = weights if weights is not None else
    np.random.randn(n_input, n_neurons) * np.sqrt(1 / n_neurons)
    self.bias = bias if bias is not None else np.random.rand(n_neurons) *0.1
    self.activation = activation # 激活函數(shù)類型,如'sigmoid'
    self.last_activation = None # 激活函數(shù)的輸出值o
    self.error = None # 用于計算當前層的delta 變量的中間變量
    self.delta = None # 記錄當前層的delta 變量,用于計算梯度
 
  def activate(self, x):
    # 前向傳播
    r = np.dot(x, self.weights) + self.bias # X@W+b
    # 通過激活函數(shù),得到全連接層的輸出o
    self.last_activation = self._apply_activation(r)
    return self.last_activation
  # 其中self._apply_activation 實現(xiàn)了不同的激活函數(shù)的前向計算過程:
  def _apply_activation(self, r):
 
    # 計算激活函數(shù)的輸出
    if self.activation is None:
      return r # 無激活函數(shù),直接返回
    # ReLU 激活函數(shù)
    elif self.activation == 'relu':
      return np.maximum(r, 0)
    # tanh
    elif self.activation == 'tanh':
      return np.tanh(r)
    # sigmoid
    elif self.activation == 'sigmoid':
      return 1 / (1 + np.exp(-r))
    return r
 
  # 針對于不同的激活函數(shù),它們的導數(shù)計算實現(xiàn)如下:
  def apply_activation_derivative(self, r):
 
    # 計算激活函數(shù)的導數(shù)
    # 無激活函數(shù),導數(shù)為1
    if self.activation is None:
      return np.ones_like(r)
    # ReLU 函數(shù)的導數(shù)實現(xiàn)
    elif self.activation == 'relu':
      grad = np.array(r, copy=True)
      grad[r > 0] = 1.
      grad[r <= 0] = 0.
      return grad
    # tanh 函數(shù)的導數(shù)實現(xiàn)
    elif self.activation == 'tanh':
      return 1 - r ** 2
    # Sigmoid 函數(shù)的導數(shù)實現(xiàn)
    elif self.activation == 'sigmoid':
      return r * (1 - r)
    return r

四、網(wǎng)絡模型

完成單層網(wǎng)絡類后,再實現(xiàn)網(wǎng)絡模型的類NeuralNetwork,它內(nèi)部維護各層的網(wǎng)絡層Layer 類對象,可以通過add_layer 函數(shù)追加網(wǎng)絡層,實現(xiàn)如下:

class NeuralNetwork:
  # 神經(jīng)網(wǎng)絡大類
  def __init__(self):
    self._layers = [] # 網(wǎng)絡層對象列表
  def add_layer(self, layer):
    # 追加網(wǎng)絡層
    self._layers.append(layer)
  # 網(wǎng)絡的前向傳播只需要循環(huán)調(diào)用個網(wǎng)絡層對象的前向計算函數(shù)即可
  def feed_forward(self, X):
    # 前向傳播
    for layer in self._layers:
      # 依次通過各個網(wǎng)絡層
      X = layer.activate(X)
    return X
 
  #網(wǎng)絡模型的反向傳播實現(xiàn)稍復雜,需要從最末層開始,計算每層的𝛿變量,根據(jù)我們
  #推導的梯度公式,將計算出的𝛿變量存儲在Layer類的delta變量中
  # 因此,在backpropagation 函數(shù)中,反向計算每層的𝛿變量,并根據(jù)梯度公式計算每層參數(shù)的梯度值,
  # 按著梯度下降算法完成一次參數(shù)的更新。
  def backpropagation(self, X, y, learning_rate):
 
    # 反向傳播算法實現(xiàn)
    # 前向計算,得到輸出值
    output = self.feed_forward(X)
    for i in reversed(range(len(self._layers))): # 反向循環(huán)
      layer = self._layers[i] # 得到當前層對象
      # 如果是輸出層
      if layer == self._layers[-1]: # 對于輸出層
        layer.error = y - output # 計算2 分類任務的均方差的導數(shù)
      # 關鍵步驟:計算最后一層的delta,參考輸出層的梯度公式
        layer.delta = layer.error * layer.apply_activation_derivative(output)
 
      else: # 如果是隱藏層
        next_layer = self._layers[i + 1] # 得到下一層對象
        layer.error = np.dot(next_layer.weights, next_layer.delta)
        # 關鍵步驟:計算隱藏層的delta,參考隱藏層的梯度公式
        layer.delta = layer.error * layer.apply_activation_derivative(layer.last_activation)
 
 
  # 在反向計算完每層的𝛿變量后,只需要按著式計算每層的梯度,并更新網(wǎng)絡參數(shù)即可。
  # 由于代碼中的delta 計算的是−𝛿,因此更新時使用了加號。
        # 循環(huán)更新權(quán)值
    for i in range(len(self._layers)):
      layer = self._layers[i]
    # o_i 為上一網(wǎng)絡層的輸出
      o_i = np.atleast_2d(X if i == 0 else self._layers[i-1].last_activation)
      # 梯度下降算法,delta 是公式中的負數(shù),故這里用加號
      layer.weights += layer.delta * o_i.T * learning_rate
 
 
 
 
  def train(self, X_train, X_test, y_train, y_test, learning_rate,max_epochs):
    # 網(wǎng)絡訓練函數(shù)
    # one-hot 編碼
    y_onehot = np.zeros((y_train.shape[0], 2))
    y_onehot[np.arange(y_train.shape[0]), y_train] = 1
    mses = []
    for i in range(max_epochs): # 訓練1000 個epoch
      for j in range(len(X_train)): # 一次訓練一個樣本
        self.backpropagation(X_train[j], y_onehot[j], learning_rate)
      if i % 10 == 0:
        # 打印出MSE Loss
        mse = np.mean(np.square(y_onehot - self.feed_forward(X_train)))
        mses.append(mse)
        print('Epoch: #%s, MSE: %f' % (i, float(mse)))
        # 統(tǒng)計并打印準確率
        print('Accuracy: %.2f%%' % (self.accuracy(self.predict(X_test),y_test.flatten()) * 100))
    return mses
 
  def accuracy(self,y_pre,y_true):
    return np.mean((np.argmax(y_pre, axis=1) == y_true))
 
  def predict(self,X_test):
    return self.feed_forward(X_test)

五、實例化NeuralNetwork類,進行訓練

nn = NeuralNetwork() # 實例化網(wǎng)絡類
nn.add_layer(Layer(2, 25, 'sigmoid')) # 隱藏層1, 2=>25
nn.add_layer(Layer(25, 50, 'sigmoid')) # 隱藏層2, 25=>50
nn.add_layer(Layer(50, 25, 'sigmoid')) # 隱藏層3, 50=>25
nn.add_layer(Layer(25, 2, 'sigmoid')) # 輸出層, 25=>2
learning_rate = 0.01
max_epochs = 1000
nn.train(X_train, X_test, y_train, y_test, learning_rate,max_epochs)

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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