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