IT数码 购物 网址 头条 软件 日历 阅读 图书馆
TxT小说阅读器
↓语音阅读,小说下载,古典文学↓
图片批量下载器
↓批量下载图片,美女图库↓
图片自动播放器
↓图片自动播放器↓
一键清除垃圾
↓轻轻一点,清除系统垃圾↓
开发: C++知识库 Java知识库 JavaScript Python PHP知识库 人工智能 区块链 大数据 移动开发 嵌入式 开发工具 数据结构与算法 开发测试 游戏开发 网络协议 系统运维
教程: HTML教程 CSS教程 JavaScript教程 Go语言教程 JQuery教程 VUE教程 VUE3教程 Bootstrap教程 SQL数据库教程 C语言教程 C++教程 Java教程 Python教程 Python3教程 C#教程
数码: 电脑 笔记本 显卡 显示器 固态硬盘 硬盘 耳机 手机 iphone vivo oppo 小米 华为 单反 装机 图拉丁
 
   -> 人工智能 -> 编码实现深度学习优化 -> 正文阅读

[人工智能]编码实现深度学习优化

dropout_layers.py

包含了Dropout前向传播以及反向传播,组合Dropout传播层

#-*- coding: utf-8 -*-
import sys, os
sys.path.append(os.path.realpath(os.path.dirname(os.path.realpath(__file__))))

import numpy as np
from layers import *
def dropout_forward(x, dropout_param):
  """
  执行dropout前向传播
  Inputs:
  - x: 输入数据
  - dropout_param: 字典类型,使用下列键值:
    - p: dropout参数。每个神经元的激活概率p
    - mode: 'test'或'train'. 训练模式使用dropout;测试模式仅仅返回输入值。
    - seed: 随机数生成种子. 

  Outputs:
  - out: 和输入数据相同形状
  - cache:元组(dropout_param, mask). 
          训练模式时,掩码mask用于激活该层神经元,测试模式时不使用
  """
  p, mode = dropout_param['p'], dropout_param['mode']
  if 'seed' in dropout_param:
    np.random.seed(dropout_param['seed'])

  mask = None
  out = None

  if mode == 'train':
    ###########################################################################
    #                任务:执行dropout训练模式前向传播。                      #
    ###########################################################################
    mask = (np.random.rand(*x.shape) < p)/p
    out =x*mask
    ###########################################################################
    #                           结束编码                                      #
    ###########################################################################
  elif mode == 'test':
    ###########################################################################
    #               任务: 执行测试阶段dropout前向传播。                      #
    ###########################################################################
    out = x
    ###########################################################################
    #                           结束编码                                      #
    ###########################################################################

  cache = (dropout_param, mask)
  out = out.astype(x.dtype, copy=False)

  return out, cache


def dropout_backward(dout, cache):
  """
  dropout反向传播

  Inputs:
  - dout: 上层梯度
  - cache: dropout_forward中的缓存(dropout_param, mask)。
  """
  dropout_param, mask = cache
  mode = dropout_param['mode']
  
  dx = None
  if mode == 'train':
    ###########################################################################
    #                      任务:实现dropout反向传播                          #
    ###########################################################################
    dx =dout*mask
    ###########################################################################
    #                            结束编码                                     #
    ###########################################################################
  elif mode == 'test':
    dx = dout
  return dx

def affine_relu_dropout_forward(x,w,b,dropout_param):
  """
  组合affine_relu_dropout前向传播
  Inputs:
  - x: 输入数据
  - w: 权重参数
  - b: 偏置项
  - dropout_param: 字典类型,使用下列键值:
    - p: dropout参数。每个神经元的激活概率p
    - mode: 'test'或'train'. 训练模式使用dropout;测试模式仅仅返回输入值。
    - seed: 随机数生成种子. 

  Outputs:
  - out: 和输入数据相同形状
  - cache:缓存包含(cache_affine,cache_relu,cache_dropout)
  """ 
  out_dropout = None
  cache =None
  #############################################################################
  #               任务: 实现 affine_relu_dropout 神经元前向传播.              #
  #         注意:你需要调用affine_forward以及relu_forward函数,              #
  #              并将各自的缓存保存在cache中                                  #
  #############################################################################  
  out_affine, cache_affine = affine_forward(x,w,b)
  out_relu,cache_relu =relu_forward(out_affine)
  out_dropout,cache_dropout =dropout_forward(out_relu,dropout_param)
  cache = (cache_affine,cache_relu,cache_dropout)
  ###########################################################################
  #                            结束编码                                     #
  ###########################################################################    
  return out_dropout,cache

def affine_relu_dropout_backward(dout,cache):
  """
   affine_relu_dropout神经元的反向传播
   
  Input:
  - dout: 上层误差梯度
  - cache: 缓存(cache_affine,cache_relu,cache_dropout)

  Returns:
  - dx: 输入数据x的梯度
  - dw: 权重矩阵w的梯度
  - db: 偏置向量b的梯度
  """  
  cache_affine,cache_relu,cache_dropout = cache
  dx,dw,db=None,None,None
  ###########################################################################
  #               任务:实现affine_relu_dropout反向传播                     #
  ###########################################################################  
  ddropout = dropout_backward(dout,cache_dropout)
  drelu = relu_backward(ddropout,cache_relu)
  dx,dw,db = affine_backward(drelu,cache_affine)
  ###########################################################################
  #                          结束编码                                      #
  ###########################################################################
  return dx,dw,db


layers.py

之前已经写好的前向传播与后向传播代码以及softmax的损失函数。

#-*- coding: utf-8 -*-
import sys, os
sys.path.append(os.path.realpath(os.path.dirname(os.path.realpath(__file__))))

import numpy as np

def affine_forward(x, w, b):
    """
    计算神经网络当前层的前馈传播。该方法计算在全连接情况下的得分函数
    注:如果不理解affine仿射变换,简单的理解为在全连接情况下的得分函数即可

    输入数据x的形状为(N, d_1, ..., d_k),其中N表示数据量,(d_1, ..., d_k)表示
    每一通道的数据维度。如果是图片数据就为(长,宽,色道),数据的总维度就为
    D = d_1 * ... * d_k,因此我们需要数据整合成完整的(N,D)形式再进行仿射变换。
    
    Inputs:
    - x: 输入数据,其形状为(N, d_1, ..., d_k)的numpy array
    - w: 权重矩阵,其形状为(D,M)的numpy array,D表示输入数据维度,M表示输出数据维度
             可以将D看成输入的神经元个数,M看成输出神经元个数
    - b: 偏置向量,其形状为(M,)的numpy array
    
    Returns 元组:
    - out: 形状为(N, M)的输出结果
    - cache: 将输入进行缓存(x, w, b)
    """
    out = None
    #############################################################################
    #                                            任务: 实现全连接前向传播                                                         #
    #                                     注:首先你需要将输入数据重塑成行。                                            #
    #############################################################################
    N=x.shape[0]
    x_new=x.reshape(N,-1)#将x重塑成2维向量
    out=np.dot(x_new,w)+b
    #############################################################################
    #                                                         结束编码                                                                            #
    #############################################################################
    cache = (x, w, b)
    return out, cache


def affine_backward(dout, cache):
    """
 计算仿射层的反向传播.

    Inputs:
    - dout: 形状为(N, M)的上层梯度
    - cache: 元组:
        - x: (N, d_1, ... d_k)的输入数据
        - w: 形状为(D, M)的权重矩阵

    Returns 元组:
    - dx: 输入数据x的梯度,其形状为(N, d1, ..., d_k)
    - dw: 权重矩阵w的梯度,其形状为(D,M)
    - db: 偏置项b的梯度,其形状为(M,)
    """
    x, w, b = cache
    dx, dw, db = None, None, None
    #############################################################################
    #                                    任务: 实现仿射层反向传播                                                                 #
    #                 注意:你需要将x重塑成(N,D)后才能计算各梯度,                                            #
    #                            求完梯度后你需要将dx的形状与x重塑成一样                                            #
    #############################################################################
    db = np.sum(dout,axis=0)
    xx= x.reshape(x.shape[0],-1)
    dw = np.dot(xx.T,dout)
    dx = np.dot(dout,w.T)
    dx=np.reshape(dx,x.shape)
    #############################################################################
    #                                                         结束编码                                                                            #
    #############################################################################
    return dx, dw, db


def relu_forward(x):
    """
    计算tified linear units (ReLUs)激活函数的前向传播,并保存相应缓存

    Input:
    - x: 输入数据

    Returns 元组:
    - out: 和输入数据x形状相同
    - cache: x
    """
    out = None
    #############################################################################
    #                         任务: 实现ReLU 的前向传播.                                                                        #
    #                        注意:你住需要1行代码即可完成                                                                    #
    #############################################################################
    out =np.maximum(0,x)
    #############################################################################
    #                                                         结束编码                                                                            #
    #############################################################################
    cache = x
    return out, cache


def relu_backward(dout, cache):
    """
    计算 rectified linear units (ReLUs)激活函数的反向传播.

    Input:
    - dout: 上层误差梯度
    - cache: 输入 x,其形状应该和dout相同

    Returns:
    - dx: x的梯度
    """
    dx, x = None, cache
    #############################################################################
    #                             任务: 实现 ReLU 反向传播.                                                                     #
    #############################################################################
    dx=dout
    dx[x<=0]=0
    #############################################################################
    #                                                        结束编码                                                                             #
    #############################################################################
    return dx

def affine_relu_forward(x, w, b):
    """
     ReLU神经元前向传播

    Inputs:
    - x: 输入到 affine层的数据
    - w, b:    affine层的权重矩阵和偏置向量

    Returns 元组:
    - out: Output from the ReLU的输出结果
    - cache: 前向传播的缓存
    """
    #############################################################################
    #                             任务: 实现 ReLU神经元前向传播.                                                            #
    #                             注意:你需要调用affine_forward以及relu_forward函数,                #
    #                            并将各自的缓存保存在cache中                                                                    #
    #############################################################################
    a, fc_cache = affine_forward(x, w, b)
    out, relu_cache = relu_forward(a)
    cache = (fc_cache, relu_cache)
    #############################################################################
    #                                         结束编码                                                                                         #
    #############################################################################
    return out, cache


def affine_relu_backward(dout, cache):
    """
     ReLU神经元的反向传播
     
    Input:
    - dout: 上层误差梯度
    - cache: affine缓存,以及relu缓存

    Returns:
    - dx: 输入数据x的梯度
    - dw: 权重矩阵w的梯度
    - db: 偏置向量b的梯度
    """
    #############################################################################
    #                             任务: 实现 ReLU神经元反向传播.                                                            #
    #############################################################################
    fc_cache, relu_cache = cache
    da = relu_backward(dout, relu_cache)
    dx, dw, db = affine_backward(da, fc_cache)
    #############################################################################
    #                                     结束编码                                                                                             #
    #############################################################################
    return dx, dw, db




def softmax_loss(x, y):
    probs = np.exp(x - np.max(x, axis=1, keepdims=True))
    probs /= np.sum(probs, axis=1, keepdims=True)
    N = x.shape[0]
    loss = -np.sum(np.log(probs[np.arange(N), y])) / N
    dx = probs.copy()
    dx[np.arange(N), y] -= 1
    dx /= N

    return loss, dx

fc_net.py

实现了深层全连接神经网络。

#-*- coding: utf-8 -*-
import sys, os
sys.path.append(os.path.realpath(os.path.dirname(os.path.realpath(__file__))))

import numpy as np
from layers import *
from dropout_layers import *
from bn_layers import *

class FullyConnectedNet(object):
    """
    {affine - [batch norm] - relu - [dropout]} x (L - 1) - affine - softmax

    """

    def __init__(self, input_dim=3*32*32,hidden_dims=[100],    num_classes=10,
                             dropout=0, use_batchnorm=False, reg=0.0,
                             weight_scale=1e-2, seed=None):
        """
        初始化全连接网络.    
        Inputs:
        - input_dim: 输入维度
        - hidden_dims: 隐藏层各层维度向量,如[100,100]
        - num_classes: 分类个数.
        - dropout: 如果dropout=0,表示不使用dropout.
        - use_batchnorm:布尔型,是否使用BN
        - reg:正则化衰减因子.
        - weight_scale:权重初始化范围,标准差.
        - seed: 使用seed产生相同的随机数。
        """
        self.use_batchnorm = use_batchnorm
        self.use_dropout = dropout > 0
        self.reg = reg
        self.num_layers = 1 + len(hidden_dims)
        self.params = {}

        ############################################################################
        #                             任务:初始化网络参数                                                                             #
        #                    权重参数初始化和前面章节类似                                                                        #
        #                    针对每一层神经元都要初始化对应的gamma和beta                                         #
        #                    如:第一层使用gamma1,beta1,第二层gamma2,beta2,                                 #
        #                     gamma初始化为1,beta初始化为0                                                                    # 
        ############################################################################
        layers_dims = [input_dim]+hidden_dims+[num_classes]
        for i in range(self.num_layers):
                self.params['W'+str(i+1)] = weight_scale*np.random.randn(layers_dims[i],
                                                                                                layers_dims[i+1])
                self.params['b'+str(i+1)] = np.zeros((1, layers_dims[i+1]))
                # 批量正则化
                if self.use_batchnorm and i < len(hidden_dims):
                        self.params['gamma'+str(i+1)] = np.ones((1, layers_dims[i+1]))
                        self.params['beta'+str(i+1)] = np.zeros((1, layers_dims[i+1]))
        ############################################################################
        #                                                        结束编码                                                                            #
        ############################################################################
        # dropout相关配置
        self.dropout_param = {}
        if self.use_dropout:
            self.dropout_param = {'mode': 'train', 'p': dropout}
            if seed is not None:
                self.dropout_param['seed'] = seed     
        # 批量正则化
        self.bn_params = []
        if self.use_batchnorm:
            self.bn_params = [{'mode': 'train'} for i in range(self.num_layers - 1)]
        

    
    def loss(self, X, y=None):
        '''
        计算损失值

        Parameters
        ----------
        X : 训练数据
        y : 标签

        Returns
        -------
        TYPE
            DESCRIPTION.

        '''
        # 设置执行模式
        mode = 'test' if y is None else 'train'

        if self.dropout_param is not None:
            self.dropout_param['mode'] = mode     
        if self.use_batchnorm:
            for bn_param in self.bn_params:
                bn_param[mode] = mode

        scores = None
        ############################################################################
        #                                    任务:执行全连接网络的前馈过程。                                                #
        #                             计算数据的分类得分,将结果保存在scores中。                                 #
        #            当使用dropout时,你需要使用self.dropout_param进行dropout前馈。            #
        #            当使用BN时,self.bn_params[0]传到第一层,self.bn_params[1]第二层        #
        ############################################################################
        outs, cache = {}, {}
        outs[0] = X
        num_h = self.num_layers-1
        for i in range(num_h):
            if self.use_dropout:
                outs[i+1], cache[i+1] = affine_relu_dropout_forward(
                    outs[i], self.params['W'+str(i+1)], self.params['b'+str(i+1)],
                    self.dropout_param)
            elif self.use_batchnorm:
                gamma = self.params['gamma'+str(i+1)]
                beta = self.params['beta'+str(i+1)]
                outs[i+1], cache[i+1] = affine_bn_relu_forward(outs[i],
                    self.params['W'+str(i+1)], self.params['b'+str(i+1)], gamma,
                    beta, self.bn_params[i])
            else:
                outs[i+1], cache[i+1] = affine_relu_forward(outs[i],
                    self.params['W'+str(i+1)], self.params['b'+str(i+1)])
        scores, cache[num_h+1] = affine_forward(outs[num_h], 
                        self.params['W'+str(num_h+1)], self.params['b'+str(num_h+1)])
        ############################################################################
        #                                                         结束编码                                                                         #
        ############################################################################
        # 测试模式
        if mode == 'test':
            return scores
        # 损失值与梯度
        loss, grads = 0.0, {}
        ############################################################################
        #                任务:实现全连接网络的反向传播。                                                                    #
        #                将损失值储存在loss中,梯度值储存在grads字典中                                         #
        #                当使用dropout时,需要求解dropout梯度                                                            #
        #                当使用BN时,需要求解BN梯度                                                                                #
        ############################################################################
        dout = {}
        loss, dy = softmax_loss(scores, y)
        h = self.num_layers-1
        for i in range(self.num_layers):
            loss += 0.5*self.reg*(np.sum(self.params['W'+str(i+1)]*self.params['W'+str(i+1)]))
        dout[h], grads['W'+str(h+1)], grads['b'+str(h+1)] = affine_backward(dy, cache[h+1])
        grads['W'+str(h+1)] += self.reg*self.params['W'+str(h+1)]
        for i in range(h):
            if self.use_dropout:
                dx, dw, db = affine_relu_dropout_backward(dout[h-i], cache[h-i])
                dout[h-1-i] = dx
                grads['W'+str(h-i)] = dw
                grads['b'+str(h-i)] = db
            elif self.use_batchnorm:
                dx, dw, db, dgamma, dbeta = affine_bn_relu_backward(dout[h-i], cache[h-i])
                dout[h-1-i] = dx
                grads['W'+str(h-i)] = dw
                grads['b'+str(h-i)] = db
                grads['gamma'+str(h-i)] = dgamma
                grads['beta'+str(h-i)] = dbeta
            else:
                dx, dw, db = affine_relu_backward(dout[h-i], cache[h-i])
                dout[h-1-i] = dx
                grads['W'+str(h-i)] = dw
                grads['b'+str(h-i)] = db
            grads['W'+str(h-i)] += self.reg*self.params['W'+str(h-i)]
        ############################################################################
        #                                                         结束编码                                                                         #
        ############################################################################
        return loss, grads

trainer.py

解耦训练器的实现

#-*- coding: utf-8 -*-

import sys, os
sys.path.append(os.path.realpath(os.path.dirname(os.path.realpath(__file__))))

import numpy as np
import updater


class Trainer(object):
    """
    使用形式:
    
    data = {
        'X_train': # 训练数据
        'y_train': # 训练类标
        'X_val': # 验证数据
        'X_train': # 验证类标
    }
    model = MyAwesomeModel(hidden_size=100, reg=10)
    Trainer = Trainer(model, data,
                                    update_rule='sgd',
                                    updater_config={
                                        'learning_rate': 1e-3,
                                    },
                                    lr_decay=0.95,
                  num_epochs=10, batch_size=100,
                  print_every=100)
  Trainer.train()
  """

    def __init__(self, model, data, **kwargs):
        """
        构造一个新的Trainer实例
        必须参数:
        - model: 网络模型
        - data: 数据字典,其中:
            'X_train':    形状为(N_train, d_1, ..., d_k)训练数据
            'X_val':    形状为(N_val, d_1, ..., d_k) 验证数据
            'y_train':    形状为(N_train,) 训练数据类标
            'y_val':    形状为(N_val,) 验证数据类标
            
        可选参数:
        - update_rule: 更新规则,其存放在updater.py文件中,默认选项为'sgd'。
        - updater_config: 字典类型的,更新规则所对应的超参数配置,同见updater.py文件。
        - lr_decay: 学习率衰减系数。
        - batch_size: 批量数据大小
        - num_epochs: 训练周期
        - print_every: 整数型; 每迭代多少次进行打印一次中间结果
        - verbose: 布尔型; 是否在训练期间打印中间结果
        """
        self.model = model
        self.X_train = data['X_train']
        self.y_train = data['y_train']
        self.X_val = data['X_val']
        self.y_val = data['y_val']
        
        # 弹出可选参数,进行相关配置
        self.update_rule = kwargs.pop('update_rule', 'sgd')
        self.updater_config = kwargs.pop('updater_config', {})
        self.lr_decay = kwargs.pop('lr_decay', 1.0)
        self.batch_size = kwargs.pop('batch_size', 100)
        self.num_epochs = kwargs.pop('num_epochs', 10)

        self.print_every = kwargs.pop('print_every', 10)
        self.verbose = kwargs.pop('verbose', True)

        # 若可选参数错误,抛出异常
        if len(kwargs) > 0:
            extra = ', '.join('"%s"' % k for k in kwargs.keys())
            raise ValueError('Unrecognized arguments %s' % extra)


        #确认updater中含有更新规则
        if not hasattr(updater, self.update_rule):
            raise ValueError('Invalid update_rule "%s"' % self.update_rule)
        self.update_rule = getattr(updater, self.update_rule)

        # 初始化相关变量
        self.epoch = 0
        self.best_val_acc = 0
        self.best_params = {}
        self.loss_history = []
        self.train_acc_history = []
        self.val_acc_history = []

        # 对updater_config中的参数进行深拷贝
        self.updater_configs = {}
        for p in self.model.params:
            d = {k: v for k, v in self.updater_config.items()}
            self.updater_configs[p] = d


    def _step(self):
        """
        执行单步梯度更新
        """
        # 采样批量数据
        num_train = self.X_train.shape[0]
        batch_mask = np.random.choice(num_train, self.batch_size)
        X_batch = self.X_train[batch_mask]
        y_batch = self.y_train[batch_mask]

        # 计算损失及梯度
        loss, grads = self.model.loss(X_batch, y_batch)
        self.loss_history.append(loss)

        # 更新参数
        for p, w in self.model.params.items():
            dw = grads[p]
            config = self.updater_configs[p]
            next_w, next_config = self.update_rule(w, dw, config)
            self.model.params[p] = next_w
            self.updater_configs[p] = next_config


    def check_accuracy(self, X, y, num_samples=None, batch_size=100):
        """
     根据提供的数据检验精度,若数据集过大,可进行采样测试。
        
        Inputs:
        - X: 形状为(N, d_1, ..., d_k)的数据
        - y: 形状为 (N,)的数据类标
        - num_samples: 采样次数
        - batch_size:批量数据大小
            
        Returns:
        - acc: 测试数据正确率
        """
        
        # 对数据进行采样
        N = X.shape[0]
        if num_samples is not None and N > num_samples:
            mask = np.random.choice(N, num_samples)
            N = num_samples
            X = X[mask]
            y = y[mask]

        # 计算精度
        num_batches = int(N / batch_size)
        if N % batch_size != 0:
            num_batches += 1
        y_pred = []
        # 遍历所有批次
        for i in range(num_batches):
            start = i * batch_size
            end = (i + 1) * batch_size
            
            scores = self.model.loss(X[start:end])
            
            y_pred.append(np.argmax(scores, axis=1))
        y_pred = np.hstack(y_pred)
        acc = np.mean(y_pred == y)

        return acc


    def train(self):
        """
        根据配置训练模型
        """
        num_train = self.X_train.shape[0]
        iterations_per_epoch = max(num_train / self.batch_size, 1)
        num_iterations = int(self.num_epochs * iterations_per_epoch)

        for t in range(num_iterations):
            self._step()

            # 打印损失值
            if self.verbose and t % self.print_every == 0:
                print('(迭代 %d / %d) 损失值: %f' % (t + 1, num_iterations, self.loss_history[-1]))

            # 更新学习率
            epoch_end = (t + 1) % iterations_per_epoch == 0
            if epoch_end:
                self.epoch += 1
                for k in self.updater_configs:
                    self.updater_configs[k]['learning_rate'] *= self.lr_decay


            #在训练的开始,末尾,每一轮训练周期检验精度
            first_it = (t == 0)
            last_it = (t == num_iterations + 1)
            if first_it or last_it or epoch_end:
                train_acc = self.check_accuracy(self.X_train, self.y_train,
                                                                                num_samples=1000)
                val_acc = self.check_accuracy(self.X_val, self.y_val)
                self.train_acc_history.append(train_acc)
                self.val_acc_history.append(val_acc)

                if self.verbose:
                    print('(周期 %d / %d) 训练精度: %f; 验证精度: %f' % (
                                 self.epoch, self.num_epochs, train_acc, val_acc))

                # 记录最佳模型
                if val_acc > self.best_val_acc:
                    self.best_val_acc = val_acc
                    self.best_params = {}
                    for k, v in self.model.params.items():
                        self.best_params[k] = v.copy()

        # 训练结束后返回最佳模型
        self.model.params = self.best_params


updater.py

解耦更新器,主要负责更新神经网络的权重,其传入参数有神经网络的权重 w w w、当前权重的梯度 d w dw dw及相应的更新配置。

#-*- coding: utf-8 -*-
import sys, os
sys.path.append(os.path.realpath(os.path.dirname(os.path.realpath(__file__))))

import numpy as np

"""
频繁使用在训练神经网络中的一阶梯度更新规则。每次更新接受当前的权重,
对应的梯度,以及相关配置进行权重更新。
def update(w, dw, config=None):
Inputs:
    - w:当前权重.
    - dw: 和权重形状相同的梯度.
    - config: 字典型超参数配置,比如学习率,动量值等。如果更新规则需要用到缓存,
        在配置中需要保存相应的缓存。

Returns:
    - next_w: 更新后的权重.
    - config: 更新规则相应的配置.
"""


def sgd(w, dw, config=None):
    """
    随机梯度下降更新规则.

    config 格式:
    - learning_rate: 学习率.
    """
    if config is None: config = {}
    config.setdefault('learning_rate', 1e-2)

    w -= config['learning_rate'] * dw
    return w, config



def sgd_momentum(w, dw, config=None):
    """
    动量随机梯度下降更新规则。
    config 使用格式:
    - learning_rate: 学习率。
    - momentum: [0,1]的动量衰减因子,0表示不使用动量,即退化为SGD。
    - velocity: 和w,dw形状相同的速度。
    """
    if config is None: 
      config = { }
    # 设置默认值
    # 学习率
    config.setdefault('learning_rate', 1e-2)
    # 动量衰减因子
    config.setdefault('momentum', 0.9)
    # 速度
    v = config.setdefault('velocity', np.zeros_like(w))
    
    next_w = None
    #############################################################################
    #                                  任务:实现动量更新                                                                    #
    #                 更新后的速度存放在v中,更新后的权重存放在next_w中                                 #
    #############################################################################
    v = config['momentum']*config['velocity']-config['learning_rate']*dw
    next_w = w+v
    #############################################################################
    #                                                         结束编码                                                                            #
    #############################################################################
    # 更新速度
    config['velocity'] = v

    return next_w, config



def rmsprop(w, dw, config=None):
    """
    RMSProp更新规则

    config 使用格式:
    - learning_rate: 学习率.
    - decay_rate:历史累积梯度衰减率因子,取值为[0,1]
    - epsilon: 避免除零异常的小数.
    - cache:历史梯度缓存.
    """
    if config is None: config = {}
    config.setdefault('learning_rate', 1e-2)
    config.setdefault('decay_rate', 0.99)
    config.setdefault('epsilon', 1e-8)
    config.setdefault('cache', np.zeros_like(w))

    next_w = None
    #############################################################################
    #                                                 任务:实现 RMSprop 更新                                                     #
    #    将更新后的权重保存在next_w中,将历史梯度累积存放在config['cache']中。        #
    #############################################################################
    config['cache'] = config['decay_rate']*config['cache']+(1-config['decay_rate'])*dw**2
    next_w = w-config['learning_rate']*dw/(np.sqrt(config['cache']+config['epsilon']))
    #############################################################################
    #                                                         结束编码                                                                            #
    #############################################################################
    return next_w, config


def adam(w, dw, config=None):
    """
    使用 Adam更新规则 ,融合了“热身”更新操作。
    
    config 使用格式:
    - learning_rate: 学习率.
    - beta1: 动量衰减因子.
    - beta2: 学习率衰减因子.
    - epsilon: 防除0小数.
    - m: 梯度.
    - v: 梯度平方.
    - t: 迭代次数.
    """
    if config is None: config = {}
    config.setdefault('learning_rate', 1e-3)
    config.setdefault('beta1', 0.9)
    config.setdefault('beta2', 0.999)
    config.setdefault('epsilon', 1e-8)
    config.setdefault('m', np.zeros_like(w))
    config.setdefault('v', np.zeros_like(w))
    config.setdefault('t', 0)
    
    next_w = None
    #############################################################################
    #                                                    任务:实现Adam更新                                                             #                             
    #         将更新后的权重存放在next_w中,记得将m,v,t存放在相应的config中                 #
    #############################################################################
    config['t'] += 1
    beta1 = config['beta1']
    beta2 = config['beta2']
    epsilon = config['epsilon']
    learning_rate = config['learning_rate']
    config['m'] = beta1*config['m']+(1-beta1)*dw
    config['v'] = beta2*config['v']+(1-beta2)*dw**2
    mb = config['m']/(1-beta1**config['t'])
    vb = config['v']/(1-beta2**config['t'])
    next_w = w-learning_rate*mb/(np.sqrt(vb)+epsilon)
    #############################################################################
    #                                                        结束编码                                                                             #
    #############################################################################
    return next_w, config


bn_layers.py

实现BN算法的前向传播、反向传播。

#-*- coding: utf-8 -*-
import sys, os
sys.path.append(os.path.realpath(os.path.dirname(os.path.realpath(__file__))))

import numpy as np
from layers import *
from dropout_layers import *

def batchnorm_forward(x, gamma, beta, bn_param):
    """
    使用类似动量衰减的运行时平均,计算总体均值与方差 例如:
    running_mean = momentum * running_mean + (1 - momentum) * sample_mean
    running_var = momentum * running_var + (1 - momentum) * sample_var
    Input:
    - x: 数据(N, D)
    - gamma: 缩放参数 (D,)
    - beta: 平移参数 (D,)
    - bn_param: 字典型,使用下列键值:
        - mode: 'train' 或'test'; 
        - eps: 保证数值稳定
        - momentum: 运行时平均衰减因子 
        - running_mean: 形状为(D,)的运行时均值
        - running_var : 形状为 (D,)的运行时方差

    Returns 元组:
    - out: 输出(N, D)
    - cache: 用于反向传播的缓存
    """
    # 不同阶段
    mode = bn_param['mode']
    # 防止为0
    eps = bn_param.get('eps', 1e-5)
    # 动量衰减
    momentum = bn_param.get('momentum', 0.9)

    N, D = x.shape    # N:数据数目 D:数据维度
    # 获取运行时均差以及运行时方差,默认为0
    running_mean = bn_param.get('running_mean', np.zeros(D, dtype=x.dtype))
    running_var = bn_param.get('running_var', np.zeros(D, dtype=x.dtype))

    out, cache = None, None
    if mode == 'train':
        #############################################################################
        #                            任务:实现训练阶段BN的前向传播                                                             #
        #            首先,你需要计算输入数据的均值和方差 ;                                                            #
        #            然后,使用均值和方差将数据进行归一化处理;                                                     #
        #            之后,使用gamma和beta参数将数据进行缩放和平移;                                            #
        #            最后,将该批数据均值和方差添加到累积均值和方差中;                                     #
        #            注意:将反向传播时所需的所有中间值保存在cache中。                                        #
        #############################################################################
        mu = 1/float(N)*np.sum(x, axis=0)
        xmu = x-mu
        carre = xmu**2
        var = 1/float(N)*np.sum(carre, axis=0)
        sqrtvar = np.sqrt(var+eps)
        invvar = 1./sqrtvar
        va2 = xmu*invvar
        va3 = gamma*va2
        out = va3+beta
        running_mean = momentum*running_mean+(1.0-momentum)*mu
        running_var = momentum * running_var+(1.0-momentum)*var
        cache=(mu, xmu, carre, var, sqrtvar, invvar, va2, va3, gamma, beta, x, bn_param)
        #############################################################################
        #                                                         结束编码                                                                         #
        #############################################################################
    elif mode == 'test':
        #############################################################################
        #                    任务:实现测试阶段BN的前向传播                                                                     #
        #            首先,使用运行时均值与方差归一化数据,                                                             #
        #            然后,使用gamma和beta参数缩放,平移数据。                                                        #
        #############################################################################
        mu = running_mean
        var = running_var
        xhat = (x-mu)/np.sqrt(var+eps)
        out = gamma*xhat+beta
        cache = (mu, var, gamma, beta, bn_param)
        #############################################################################
        #                                                         结束编码                                                                         #
        #############################################################################
    else:
        raise ValueError('无法识别的BN模式: "%s"' % mode)
 
     # 更新运行时均值,方差
    bn_param['running_mean'] = running_mean
    bn_param['running_var'] = running_var

    return out, cache


def batchnorm_backward(dout, cache):
    """
    BN反向传播 
    Inputs:
    - dout: 上层梯度 (N, D)
    - cache: 前向传播时的缓存.
    
    Returns 元组:
    - dx: 数据梯度 (N, D)
    - dgamma: gamma梯度 (D,)
    - dbeta: beta梯度 (D,)
    """
    dx, dgamma, dbeta = None, None, None
    #############################################################################
    #                                任务:实现BN反向传播                                                                             #
    #                     将结果分别保存在dx,dgamma,dbeta中                                                             #
    #############################################################################
    mu, xmu, carre, var, sqrtvar, invvar, va2, va3, gamma, beta, x, bn_param=cache
    eps = bn_param.get('eps', 1e-5)
    N, D = dout.shape
    # 第9步反向传播
    dva3 = dout
    dbeta = np.sum(dout, axis=0)
    # 第8步反向传播
    dva2 = gamma*dva3
    dgamma = np.sum(va2*dva3, axis=0)    
    # 第7步反向传播
    dxmu = invvar*dva2
    dinvvar = np.sum(xmu*dva2, axis=0)
    # 第6步反向传播
    dsqrtvar = -1./(sqrtvar**2)*dinvvar
    # 第5步反向传播
    dvar = 0.5*(var+eps)**(-0.5)*dsqrtvar
    # 第4步反向传播
    dcarre = 1/float(N)*np.ones((carre.shape))*dvar
    # 第3步反向传播
    dxmu += 2*xmu*dcarre
    # 第2步反向传播
    dx = dxmu
    dmu = -np.sum(dxmu, axis=0)
    # 第1步反向传播
    dx += 1/float(N)*np.ones((dxmu.shape))*dmu
    #############################################################################
    #                                                         结束编码                                                                            #
    #############################################################################
    return dx, dgamma, dbeta


def batchnorm_backward_alt(dout, cache):
    """
    可选的BN反向传播
    """
    dx, dgamma, dbeta = None, None, None
    mu, xmu, carre, var, sqrtvar, invvar, va2, va3, gamma, beta, x, bn_param = cache
    eps = bn_param.get('eps', 1e-5)
    N, D = dout.shape
    dbeta = np.sum(dout, axis=0)
    dgamma = np.sum((x - mu) * (var + eps)**(-1. / 2.) * dout, axis=0)
    dx = (1./N) * gamma * (var + eps)**(-1./2.)*(N*dout-np.sum(
                        dout, axis=0)-(x-mu)*(var+eps)**(-1.0)*np.sum(dout*(x-mu),axis=0))
 
    return dx, dgamma, dbeta


def affine_bn_relu_forward(x,w,b,gamma, beta,bn_param):
    x_affine,cache_affine= affine_forward(x,w,b)
    x_bn,cache_bn = batchnorm_forward(x_affine,gamma, beta,bn_param)
    out,cache_relu = relu_forward(x_bn)
    cache = (cache_affine,cache_bn,cache_relu)
    return out,cache

def affine_bn_relu_backward(dout,cache):
    cache_affine,cache_bn,cache_relu = cache
    drelu = relu_backward(dout,cache_relu)
    dbn,dgamma, dbeta= batchnorm_backward_alt(drelu,cache_bn)
    dx,dw,db = affine_backward(dbn,cache_affine)
    return dx,dw,db,dgamma,dbeta


  人工智能 最新文章
2022吴恩达机器学习课程——第二课(神经网
第十五章 规则学习
FixMatch: Simplifying Semi-Supervised Le
数据挖掘Java——Kmeans算法的实现
大脑皮层的分割方法
【翻译】GPT-3是如何工作的
论文笔记:TEACHTEXT: CrossModal Generaliz
python从零学(六)
详解Python 3.x 导入(import)
【答读者问27】backtrader不支持最新版本的
上一篇文章      下一篇文章      查看所有文章
加:2021-11-14 21:38:18  更:2021-11-14 21:39:14 
 
开发: C++知识库 Java知识库 JavaScript Python PHP知识库 人工智能 区块链 大数据 移动开发 嵌入式 开发工具 数据结构与算法 开发测试 游戏开发 网络协议 系统运维
教程: HTML教程 CSS教程 JavaScript教程 Go语言教程 JQuery教程 VUE教程 VUE3教程 Bootstrap教程 SQL数据库教程 C语言教程 C++教程 Java教程 Python教程 Python3教程 C#教程
数码: 电脑 笔记本 显卡 显示器 固态硬盘 硬盘 耳机 手机 iphone vivo oppo 小米 华为 单反 装机 图拉丁

360图书馆 购物 三丰科技 阅读网 日历 万年历 2024年11日历 -2024/11/27 6:34:49-

图片自动播放器
↓图片自动播放器↓
TxT小说阅读器
↓语音阅读,小说下载,古典文学↓
一键清除垃圾
↓轻轻一点,清除系统垃圾↓
图片批量下载器
↓批量下载图片,美女图库↓
  网站联系: qq:121756557 email:121756557@qq.com  IT数码