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[人工智能]多层感知机的代码实现+注释


前言

本文是训练多层感知机的代码实现,具体原理及推导请看BP神经网络原理(详细推导)


提示:以下是本篇文章正文内容,下面案例可供参考

第一步.读取数据

import os
import struct
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

def getMNIST(kind = 'train'):
    #获得当前路径
    path = os.getcwd()
    #获得标签文件路径
    labels_path = os.path.join(path,'%s-labels-idx1-ubyte' % kind)
    #获得图片路径
    images_path = os.path.join(path,'%s-images-idx3-ubyte' % kind)
    with open(labels_path,'rb') as lbpath:
        magic, n = struct.unpack('>II', 
                             lbpath.read(8))
        labels = np.fromfile(lbpath,dtype = np.uint8)
    with open(images_path,'rb') as imgpath:
        magic, num, rows, cols = struct.unpack('>IIII', 
                             imgpath.read(16))
        images = np.fromfile(imgpath,dtype = np.uint8).reshape(len(labels),rows*cols)
        #像素归一化
        images = ((images/255)-0.5)*2
    return images,labels

#MNIST 数据集 : 60000,60000*784,10000,10000*784 respectly.
X_train,y_train = getMNIST(kind = 'train')
X_test,y_test = getMNIST(kind = 't10k')

第二步.搭建多层感知机

class MutiLayerNeuralNetWork(object):
    
    def __init__(self,
                 l2 = 0.01,
                 eta = 0.001,
                 epochs = 10,
                 shuffle = True,
                 Random_seed = 1,
                 hidden_unit = 100,
                 minibatch_size = 200,):
        
        self.l2 = l2
        self.eta = eta
        self.epochs = epochs
        self.shuffle = shuffle
        self.hidden_unit = hidden_unit
        self.minibatch_size = minibatch_size
        self.random = np.random.RandomState(Random_seed)
        self.cost = {'Cost': []}
      
    def ReadData(self,X_train,y_train,X_test,y_test):
        
        self.X_train = X_train
        self.y_train = y_train
        self.X_trian = X_test
        self.y_test = y_test
        
        return self
    
    def OneHot(self,y):
        #此函数用于独热编码,将原数据的每一个样本的y值变成一个向量的形式,其对应的位置元素为1,其余的元素为0
        num_samples = y.shape[0]
        num_classes = np.unique(y).shape[0]   
        y_onehot = np.zeros((num_samples,num_classes))
        for i,j in enumerate(y):
            y_onehot[i,j]= 1
            
        return y_onehot
            
    def Initialization(self,X,y):
        ##############################
        #此函数用于初始化权重矩阵和偏置向量#
        ##############################
        #第一步:初始化指向隐藏层的权重矩阵,其大小为:样本的特征数*隐藏层的单元数
        num_feature = X.shape[1]
        num_hidden = self.hidden_unit
        self.weight_hidden = np.random.normal(loc=0.0, scale=1.0, size=(num_feature,num_hidden))
        #第二步:初始化隐藏层的偏置向量(这里用偏置向量取代偏置单元,二者等价),其大小为:1*隐藏层的单元数,并将其初始化的值定位0
        self.bias_hidden = np.zeros(shape = (1,num_hidden))
        #第三步:初始化指向输出层的权重矩阵,其大小为:隐藏层的单元数*样本的结果种类数目(MNIST数据结果为0-9:所以此处为10)
        num_hidden = self.hidden_unit
        num_output = np.unique(y).shape[0]
        self.weight_output = np.random.normal(loc=0.0, scale=1.0, size=(num_hidden,num_output))
        #第四步:初始化输出层的偏置向量(这里用偏置向量取代偏置单元,二者等价),其大小为:1*输出层的单元数,并将其初始化的值定位0
        self.bias_output = np.zeros(shape = (1,num_output))
        
        return self
      
    def Sigmoid(self,z):
        ######################
        #此函数用于激活净输入变量z
        #####################
        #同时利用了np.clip设置了z阙值在(-200,200),防止数据溢出
        return 1./(1+np.exp(-np.clip(z,-200,200)))
    
    def SigmoidDerivative(self,z):
        ######################
        #此函数为Sigmoid函数的导数
        ######################
        return self.Sigmoid(z)*(1-self.Sigmoid(z))
    
    def ComputeCost(self, y_enc, output):
        L2_term = (self.l2 *
                   (np.sum(self.weight_hidden ** 2.) +
                    np.sum(self.weight_output ** 2.)))

        term1 = -y_enc * (np.log(output))
        term2 = (1. - y_enc) * np.log(1. - output)
        cost = np.sum(term1 - term2) + L2_term
        
        return cost
    
    def ForwardPropagation(self,X):
        ##################
        #此函数实现向前传播#
        #################
        #第一步:获得隐藏层的净输入矩阵,其值为输入值矩阵和指向隐藏层的权重矩阵做乘积
        z_hidden = np.dot(X,self.weight_hidden) + self.bias_hidden
        #第二步:利用sigmoid函数对隐藏层的净输入矩阵进行激活
        a_hidden = self.Sigmoid(z_hidden)
        #第三步:获得输出层的净输入矩阵,其值为激活的隐藏层的净输入矩阵和指向输出层的权重矩阵做乘积
        z_output = np.dot(a_hidden,self.weight_output) + self.bias_output
        #第四步:利用sigmoid函数对输出层的净输入矩阵进行激活
        a_output = self.Sigmoid(z_output)
        #第五步:返回上面的求解的各个矩阵,其目的是为了下面求解梯度
        return z_hidden,a_hidden,z_output,a_output
        
    def BackPropagation(self,X,y):
        ####################
        #此函数实现误差反向传播
        ####################
        #首先将输入的y进行独热编码
        y_enc = self.OneHot(y)
        for epoch in range(self.epochs):
            indices = np.arange(X.shape[0])
            #洗牌
            if self.shuffle:
                np.random.shuffle(indices)
            #以self.minibatch_size为单位,实现小批量实现梯度下降
            for start_indx in range(0,X.shape[0] + 1 - self.minibatch_size,self.minibatch_size):
                minibatch_indx = indices[start_indx : start_indx+self.minibatch_size + 1]
                minibatch_X = X[minibatch_indx]
                minibatch_y_enc = y_enc[minibatch_indx]
                z_hidden,a_hidden,z_output,a_output = self.ForwardPropagation(minibatch_X)
                #########
                #计算误差
                ########
                #输出层误差
                Sigmoid_prime_output = self.SigmoidDerivative(z_output)
                #delta_output为输出层的误差
#                 delta_output = (a_output - minibatch_y_enc) * Sigmoid_prime_output 错误!!!
                delta_output = (a_output - minibatch_y_enc) 
                #隐藏层误差
                Sigmoid_prime_hidden = self.SigmoidDerivative(z_hidden)
                #delta_hidden为隐藏层的误差
                delta_hidden = np.dot(delta_output,self.weight_output.T) * Sigmoid_prime_hidden
                #########
                #计算梯度
                ########
                #指向输出层权重矩阵梯度
                gradient_output = np.dot(a_hidden.T,delta_output)
                #输出层偏置向量梯度
                gradient_bias_output = np.sum(delta_output,axis = 0)
                #指向隐藏层权重矩阵梯度
                gradient_hidden = np.dot(minibatch_X.T,delta_hidden)
                #隐藏层偏置向量梯度
                gradient_bias_hidden = np.sum(delta_hidden,axis = 0)
                ############
                #输出层梯度下降
                ############
                #由于正则化,实际的梯度为梯度+正则化项
                Datla_output = gradient_output + self.l2 * self.weight_output
                #偏置向量不进行正则化
                Delta_bias_output = gradient_bias_output
                self.weight_output -= self.eta*Datla_output
                self.bias_output -= self.eta*Delta_bias_output
                ############
                #隐藏层梯度下降
                ############
                #由于正则化,实际的梯度为梯度+正则化项
                Datla_hidden = gradient_hidden + self.l2 * self.weight_hidden
                #偏置向量不进行正则化
                Delta_bias_hidden = gradient_bias_hidden
                self.weight_hidden -= self.eta*Datla_hidden
                self.bias_hidden -= self.eta*Delta_bias_hidden
                
            z_hidden,a_hidden,z_output,a_output = self.ForwardPropagation(X)
            cost = self.ComputeCost(y_enc, a_output)
            #存储每次训练的误差函数的大小
            self.cost['Cost'].append(cost)
        
        return self

第三步.训练

if __name__ == "__main__":
	MLP = MutiLayerNeuralNetWork(
	                 l2 = 0.01,
	                 eta = 0.001,
	                 epochs = 50,
	                 shuffle = True,
	                 Random_seed = 1,
	                 hidden_unit = 100,
	                 minibatch_size = 200,)

MLP.ReadData(X_train,y_train,X_test,y_test)
MLP.Initialization(X_train,y_train)
MLP.BackPropagation(X_train,y_train)

第四步.可视化误差函数

plt.figure(figsize=(8,5),dpi=110)
plt.plot(range(MLP.epochs), MLP.cost['Cost'],color = 'firebrick')
plt.title('Cost and Epochs')
plt.ylabel('Cost')
plt.xlabel('Epochs')
plt.show()

请添加图片描述

总结

本文的数据集来自MNIST,读者可以从我的GitHub上下载(另其他机器学习模型的代码):Sunsky的Github

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