numpy實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反向傳播算法的步驟
一、任務(wù)
實(shí)現(xiàn)一個(gè)4 層的全連接網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)二分類(lèi)任務(wù),網(wǎng)絡(luò)輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)為2,隱藏層的節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)為:25,50,25,輸出層2 個(gè)節(jié)點(diǎn),分別表示屬于類(lèi)別1 的概率和類(lèi)別2 的概率,如圖所示。我們并沒(méi)有采用Softmax 函數(shù)將網(wǎng)絡(luò)輸出概率值之和進(jìn)行約束,而是直接利用均方差誤差函數(shù)計(jì)算與One-hot 編碼的真實(shí)標(biāo)簽之間的誤差,所有的網(wǎng)絡(luò)激活函數(shù)全部采用Sigmoid 函數(shù),這些設(shè)計(jì)都是為了能直接利用梯度推導(dǎo)公式。
二、數(shù)據(jù)集
通過(guò)scikit-learn 庫(kù)提供的便捷工具生成2000 個(gè)線性不可分的2 分類(lèi)數(shù)據(jù)集,數(shù)據(jù)的特征長(zhǎng)度為2,采樣出的數(shù)據(jù)分布如圖 所示,所有的紅色點(diǎn)為一類(lèi),所有的藍(lán)色點(diǎn)為一類(lèi),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(wú)法用線性網(wǎng)絡(luò)獲得較好效果。為了測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的性能,按照7: 3比例切分訓(xùn)練集和測(cè)試集,其中2000 ∗ 0 3 =600個(gè)樣本點(diǎn)用于測(cè)試,不參與訓(xùn)練,剩下的1400 個(gè)點(diǎn)用于網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。
import matplotlib.pyplot as plt import seaborn as sns #要注意的是一旦導(dǎo)入了seaborn,matplotlib的默認(rèn)作圖風(fēng)格就會(huì)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(diǎn)數(shù) TEST_SIZE = 0.3 # 測(cè)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(gè)點(diǎn)按著7:3 分割為訓(xùn)練集和測(cè)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(biāo),y 為數(shù)據(jù)點(diǎn)的標(biāo)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(diǎn)圖,根據(jù)標(biāo)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(biāo),y 為標(biāo)簽 make_plot(X, y, "Classification Dataset Visualization ") plt.show()
三、網(wǎng)絡(luò)層
通過(guò)新建類(lèi)Layer 實(shí)現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層,需要傳入網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù),輸出節(jié)點(diǎn)數(shù),激活函數(shù)類(lèi)型等參數(shù),權(quán)值weights 和偏置張量bias 在初始化時(shí)根據(jù)輸入、輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)自動(dòng)生成并初始化:
class Layer: # 全連接網(wǎng)絡(luò)層 def __init__(self, n_input, n_neurons, activation=None, weights=None, bias=None): """ :param int n_input: 輸入節(jié)點(diǎn)數(shù) :param int n_neurons: 輸出節(jié)點(diǎn)數(shù) :param str activation: 激活函數(shù)類(lèi)型 :param weights: 權(quán)值張量,默認(rèn)類(lèi)內(nèi)部生成 :param bias: 偏置,默認(rèn)類(lèi)內(nèi)部生成 """ # 通過(guò)正態(tài)分布初始化網(wǎng)絡(luò)權(quán)值,初始化非常重要,不合適的初始化將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)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(lèi)型,如'sigmoid' self.last_activation = None # 激活函數(shù)的輸出值o self.error = None # 用于計(jì)算當(dāng)前層的delta 變量的中間變量 self.delta = None # 記錄當(dāng)前層的delta 變量,用于計(jì)算梯度 def activate(self, x): # 前向傳播 r = np.dot(x, self.weights) + self.bias # X@W+b # 通過(guò)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(shí)現(xiàn)了不同的激活函數(shù)的前向計(jì)算過(guò)程: def _apply_activation(self, r): # 計(jì)算激活函數(shù)的輸出 if self.activation is None: return r # 無(wú)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(duì)于不同的激活函數(shù),它們的導(dǎo)數(shù)計(jì)算實(shí)現(xiàn)如下: def apply_activation_derivative(self, r): # 計(jì)算激活函數(shù)的導(dǎo)數(shù) # 無(wú)激活函數(shù),導(dǎo)數(shù)為1 if self.activation is None: return np.ones_like(r) # ReLU 函數(shù)的導(dǎo)數(shù)實(shí)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(dǎo)數(shù)實(shí)現(xiàn) elif self.activation == 'tanh': return 1 - r ** 2 # Sigmoid 函數(shù)的導(dǎo)數(shù)實(shí)現(xiàn) elif self.activation == 'sigmoid': return r * (1 - r) return r
四、網(wǎng)絡(luò)模型
完成單層網(wǎng)絡(luò)類(lèi)后,再實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模型的類(lèi)NeuralNetwork,它內(nèi)部維護(hù)各層的網(wǎng)絡(luò)層Layer 類(lèi)對(duì)象,可以通過(guò)add_layer 函數(shù)追加網(wǎng)絡(luò)層,實(shí)現(xiàn)如下:
class NeuralNetwork: # 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大類(lèi) def __init__(self): self._layers = [] # 網(wǎng)絡(luò)層對(duì)象列表 def add_layer(self, layer): # 追加網(wǎng)絡(luò)層 self._layers.append(layer) # 網(wǎng)絡(luò)的前向傳播只需要循環(huán)調(diào)用個(gè)網(wǎng)絡(luò)層對(duì)象的前向計(jì)算函數(shù)即可 def feed_forward(self, X): # 前向傳播 for layer in self._layers: # 依次通過(guò)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層 X = layer.activate(X) return X #網(wǎng)絡(luò)模型的反向傳播實(shí)現(xiàn)稍復(fù)雜,需要從最末層開(kāi)始,計(jì)算每層的𝛿變量,根據(jù)我們 #推導(dǎo)的梯度公式,將計(jì)算出的𝛿變量存儲(chǔ)在Layer類(lèi)的delta變量中 # 因此,在backpropagation 函數(shù)中,反向計(jì)算每層的𝛿變量,并根據(jù)梯度公式計(jì)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(shí)現(xiàn) # 前向計(jì)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(dāng)前層對(duì)象 # 如果是輸出層 if layer == self._layers[-1]: # 對(duì)于輸出層 layer.error = y - output # 計(jì)算2 分類(lèi)任務(wù)的均方差的導(dǎo)數(shù) # 關(guān)鍵步驟:計(jì)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(duì)象 layer.error = np.dot(next_layer.weights, next_layer.delta) # 關(guān)鍵步驟:計(jì)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(jì)算完每層的𝛿變量后,只需要按著式計(jì)算每層的梯度,并更新網(wǎng)絡(luò)參數(shù)即可。 # 由于代碼中的delta 計(jì)算的是−𝛿,因此更新時(shí)使用了加號(hào)。 # 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(luò)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(fù)數(shù),故這里用加號(hào) 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(luò)訓(xùn)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(xùn)練1000 個(gè)epoch for j in range(len(X_train)): # 一次訓(xùn)練一個(gè)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(jì)并打印準(zhǔn)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(shí)例化NeuralNetwork類(lèi),進(jìn)行訓(xùn)練
nn = NeuralNetwork() # 實(shí)例化網(wǎng)絡(luò)類(lèi) 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?jī)?nèi)容,希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。
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