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[人工智能]手写前馈神经网络实现二分类与多分类

二分类:

数据集:共生成两个数据集。 两个数据集的大小均为10000且训练集大小为7000,测试集大小为3000。 两个数据集的样本特征x的维度均为200,且分别服从均值互为相反数且方差相同的正态分布。 两个数据集的样本标签分别为0和1。0:(7000+3000)1:(7000+3000)

导入库:

import torch  
import numpy as np  
import random  
from IPython import display  
from matplotlib import pyplot as plt  
import torch.utils.data as Data 

数据集的定义:

#自定义数据---训练集  
num_inputs = 200  
#1类  
x1 = torch.normal(2,1,(10000, num_inputs))  
y1 = torch.ones(10000,1) # 标签1   
x1_train = x1[:7000]  
x1_test = x1[7000:]  
#0类  
x2 = torch.normal(-2,1,(10000, num_inputs))  
y2 = torch.zeros(10000,1) # 标签0  
x2_train = x2[:7000]  
x2_test = x2[7000:]  
#合并训练集  
# 注意 x, y 数据的数据形式一定要像下面一样 (torch.cat 是合并数据)---按行合并  
trainfeatures = torch.cat((x1_train,x2_train), 0).type(torch.FloatTensor)  
trainlabels = torch.cat((y1[:7000], y2[:7000]), 0).type(torch.FloatTensor)  
#合并测试集  
# 注意 x, y 数据的数据形式一定要像下面一样 (torch.cat 是合并数据)---按行合并  
testfeatures = torch.cat((x1_test,x2_test), 0).type(torch.FloatTensor)  
testlabels = torch.cat((y1[7000:], y2[7000:]), 0).type(torch.FloatTensor)  
print(trainfeatures.shape,trainlabels.shape,testfeatures.shape,testlabels.shape)

读取数据:

#读取数据  
batch_size = 50  
# 将训练数据的特征和标签组合  
dataset = Data.TensorDataset(trainfeatures, trainlabels)  
# 把 dataset 放入 DataLoader  
train_iter = Data.DataLoader(  
    dataset=dataset, # torch TensorDataset format  
    batch_size=batch_size, # mini batch size  
    shuffle=True, # 是否打乱数据 (训练集一般需要进行打乱)  
    num_workers=0, # 多线程来读数据, 注意在Windows下需要设置为0  
)  
# 将测试数据的特征和标签组合  
dataset = Data.TensorDataset(testfeatures, testlabels)  
# 把 dataset 放入 DataLoader  
test_iter = Data.DataLoader(  
    dataset=dataset, # torch TensorDataset format  
    batch_size=batch_size, # mini batch size  
    shuffle=True, # 是否打乱数据 (训练集一般需要进行打乱)  
    num_workers=0, # 多线程来读数据, 注意在Windows下需要设置为0  
)

参数(weight,bias)初始化:

#初始化参数  
num_hiddens,num_outputs = 256,1  
  
W1 = torch.tensor(np.random.normal(0, 0.01, (num_hiddens,num_inputs)), dtype=torch.float32)  
b1 = torch.zeros(1, dtype=torch.float32)  
W2 = torch.tensor(np.random.normal(0, 0.01, (num_outputs,num_hiddens)), dtype=torch.float32)  
b2 = torch.zeros(1, dtype=torch.float32)  
params =[W1,b1,W2,b2]  
for param in params:  
    param.requires_grad_(requires_grad=True)  

激活函数Relu定义,定义模型:

def relu(x):  
    x = torch.max(input=x,other=torch.tensor(0.0))  
    return x 
#定义模型  
def net(X):  
    X = X.view((-1,num_inputs))  
    H = relu(torch.matmul(X,W1.t())+b1)  
    return torch.matmul(H,W2.t())+b2  

loss,SGD:

#定义交叉熵损失函数
loss = torch.nn.BCEWithLogitsLoss() 

#定义随机梯度下降法  
def SGD(paras,lr,batch_size):  
    for param in params:  
        param.data -= lr * param.grad/batch_size

定义模型训练:

#定义模型训练函数  
def train(net,train_iter,test_iter,loss,num_epochs,batch_size,params=None,lr=None,optimizer=None):  
    train_ls = []  
    test_ls = []  
    for epoch in range(num_epochs): # 训练模型一共需要num_epochs个迭代周期  
        train_l_sum, train_acc_num,n = 0.0,0.0,0  
        # 在每一个迭代周期中,会使用训练数据集中所有样本一次  
        for X, y in train_iter: # x和y分别是小批量样本的特征和标签  
            y_hat = net(X)  
            l = loss(y_hat, y.view(-1,1)) # l是有关小批量X和y的损失  
            #梯度清零  
            if optimizer is not None:  
                optimizer.zero_grad()  
            elif params is not None and params[0].grad is not None:  
                for param in params:  
                    param.grad.data.zero_()  
            l.backward() # 小批量的损失对模型参数求梯度  
            if optimizer is None:  
                SGD(params,lr,batch_size)  
            else:  
                optimizer.step()  
            #计算每个epoch的loss  
            train_l_sum += l.item()*y.shape[0]  
           #train_acc_num += (y_hat.argmax(dim=1)==y).sum().item()  
            n+= y.shape[0]  
        test_labels = testlabels.view(-1,1)  
        train_ls.append(train_l_sum/n)  
        test_ls.append(loss(net(testfeatures),test_labels).item())  
        print('epoch %d, train_loss %.6f,test_loss %.6f'%(epoch+1, train_ls[epoch],test_ls[epoch]))  
    return train_ls,test_ls  

训练:

lr = 0.01  
num_epochs = 50  
train_loss,test_loss = train(net,train_iter,test_iter,loss,num_epochs,batch_size,params,lr)  

?loss绘图:

x = np.linspace(0,len(train_loss),len(train_loss))  
plt.plot(x,train_loss,label="train_loss",linewidth=1.5)  
plt.plot(x,test_loss,label="test_loss",linewidth=1.5)  
plt.xlabel("epoch")  
plt.ylabel("loss")  
plt.legend()  
plt.show()  

?

?

多分类:

MNIST手写体数据集-----该数据集包含60,000个用于训练的图像样本和10,000个用于测试的图像样本。 图像是固定大小(28x28像素),其值为0到1。为每个图像都被平展并转换为784(28 * 28)个特征的一维numpy数组。

import torch  
import numpy as np  
import random  
from IPython import display  
from matplotlib import pyplot as plt  
import torchvision  
import torchvision.transforms as transforms   

下载数据集:

train_dataset=torchvision.datasets.MNIST(root="./Datasets/MNIST",train=True,transform=transforms.ToTensor(),download=True)
test_dataset=torchvision.datasets.MNIST(root="./Datasets/MNIST",train=False,transform=transforms.ToTensor())

读数据:

train_loader=torch.utils.data.DataLoader(train_dataset,batch_size=32,shuffle=True)
test_l=torch.utils.data.DataLoader(test_dataset,batch_size=32,shuffle=False)

初始化参数weight,bias:

#定义模型参数
num_inputs,num_outputs,num_hiddens=784,10,256
W1=torch.tensor(np.random.normal(0,0.01,(num_hiddens,num_inputs)),dtype=torch.float)
b1=torch.zeros(num_hiddens,dtype=torch.float)
W2=torch.tensor(np.random.normal(0,0.01,(num_outputs,num_hiddens)),dtype=torch.float)
b2=torch.zeros(num_outputs,dtype=torch.float)

params=[W1,b1,W2,b2]
for param in params:
    param.requires_grad_(requires_grad=True)

激活函数,loss,SGD同上:

# define function(ReLU)
def relu(X):
    return torch.max(input=X,other=torch.tensor(0.0))

#define Loss function
loss=torch.nn.CrossEntropyLoss()

#define Module
def net(X):
    X=X.view((-1,num_inputs))
    H=relu(torch.matmul(X,W1.t())+b1)
    return torch.matmul(H,W2.t())+b2

def SGD(params,lr):
    for param in params:
        param.data-=lr*param.grad

多分类计算准确率:

def evaluate_accuracy(data_iter,net,loss):
    acc_sum,n=0.0,0
    test_l_sum=0.0
    for X,y in data_iter:
        acc_sum+=(net(X).argmax(dim=1)==y).float().sum().item()
        l=loss(net(X),y).sum()
        test_l_sum+=l.item()
        n+=y.shape[0]
    return acc_sum/n,test_l_sum/n

训练函数:

def train(net,train_iter,test_iter,loss,num_epochs,batch_size,params=None,lr=None,optimizer=None):
    train_loss=[]
    test_loss=[]
    for epoch in range(num_epochs):
        train_l_sum,train_acc_sum,n=0.0,0.0,0
        for X,y in train_iter:
            y_hat=net(X)
            l=loss(y_hat,y).sum()
            #zero grad
            if optimizer is not None:
                optimizer.zero_grad()
            elif params is not None and params[0].grad is not None:
                for param in params:
                    param.grad.data.zero_()
            l.backward()
            if optimizer is None:
                SGD(params,lr)
            else:
                optimizer.step()
            train_l_sum+=l.item()
            train_acc_sum+=(y_hat.argmax(dim=1)==y).sum().item()
            n+=y.shape[0]
        test_acc,test_l=evaluate_accuracy(test_iter,net,loss)
        train_loss.append(train_l_sum/n)
        test_loss.append(test_l)
        print('epoch %d,loss%.4f,train acc%.3f,test acc%.3f'
              %(epoch+1,train_l_sum/n,train_acc_sum/n,test_acc))
    return train_loss,test_loss

训练:

num_epochs=50
lr=0.1
#train(net,train_loader,test_l,loss,num_epochs,32,params,lr)
train_loss,test_loss=train(net,train_loader,test_l,loss,num_epochs,32,params,lr)

?

绘图:

import matplotlib.pyplot as plt

x=np.linspace(0,len(train_loss),len(train_loss))
plt.plot(x,train_loss,label="train_loss",linewidth=1.5)
plt.plot(x,test_loss,label="test_loss",linewidth=1.5)
plt.xlabel("epoch")
plt.ylabel("loss")
plt.legend()
plt.show()

?

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