神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之反向傳播(BP)算法代碼實(shí)現(xiàn)

反向傳播算法實(shí)戰(zhàn)

本次的反向傳播算法是基于上篇文章神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之反向傳播算法(BP)詳細(xì)公式推導(dǎo)

實(shí)現(xiàn)的抡四,如果對(duì)反向傳播算法不太了解,強(qiáng)烈建議參考上篇文章。

我們將實(shí)現(xiàn)一個(gè) 4 層的全連接網(wǎng)絡(luò),來(lái)完成二分類任務(wù)海雪。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舱殿、5025奥裸,輸出層兩個(gè)節(jié)點(diǎn),分別表示屬于類別 1 的概率和類別 2 的概率沪袭,如下圖所示湾宙。這里并沒(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)簽之間的誤差冈绊,所有的網(wǎng)絡(luò)激活 函數(shù)全部采用 Sigmoid 函數(shù)创倔,這些設(shè)計(jì)都是為了能直接利用我們的梯度傳播公式。

image
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn import datasets
from sklearn.model_selection import train_test_split

1. 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)

X, y = datasets.make_moons(n_samples=1000, noise=0.2, random_state=100)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.3, random_state=42)
print(X.shape, y.shape)  # (1000, 2) (1000,)
(1000, 2) (1000,)
def make_plot(X, y, plot_name):
    plt.figure(figsize=(12, 8))    
    plt.title(plot_name, fontsize=30)     
    plt.scatter(X[y==0, 0], X[y==0, 1])
    plt.scatter(X[y==1, 0], X[y==1, 1])
make_plot(X, y, "Classification Dataset Visualization ") 
png

2. 網(wǎng)絡(luò)層

  • 通過(guò)新建類 Layer 實(shí)現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層焚碌,需要傳入網(wǎng)絡(luò)層的輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)畦攘、輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)、激 活函數(shù)類型等參數(shù)
  • 權(quán)值 weights 和偏置張量 bias 在初始化時(shí)根據(jù)輸入十电、輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)自動(dòng) 生成并初始化
class Layer:
    # 全鏈接網(wǎng)絡(luò)層
    def __init__(self, n_input, n_output, activation=None, weights=None, bias=None):
        """
        :param int n_input: 輸入節(jié)點(diǎn)數(shù) 
        :param int n_output: 輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)         
        :param str activation: 激活函數(shù)類型         
        :param weights: 權(quán)值張量知押,默認(rèn)類內(nèi)部生成         
        :param bias: 偏置叹螟,默認(rèn)類內(nèi)部生成 
        """
        self.weights = weights if weights is not None else np.random.randn(n_input, n_output) * np.sqrt(1 / n_output) 
        self.bias = bias if bias is not None else np.random.rand(n_output) * 0.1
        self.activation = activation # 激活函數(shù)類型,如’sigmoid’         
        self.activation_output = 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 變量台盯,用于計(jì)算梯度 
    
    def activate(self, X):
        # 前向計(jì)算函數(shù)
        r = np.dot(X, self.weights) + self.bias # X@W + b
        # 通過(guò)激活函數(shù)罢绽,得到全連接層的輸出 o (activation_output)      
        self.activation_output = self._apply_activation(r) 
        return self.activation_output
    
    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
        elif self.activation == 'relu':
            return np.maximum(r, 0)
        elif self.activation == 'tanh':
            return np.tanh(r)
        elif self.activation == 'sigmoid':
            return 1 / (1 + np.exp(-r))
        
        return r
    
    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)静盅, 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)
        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

3. 網(wǎng)絡(luò)模型

  • 創(chuàng)建單層網(wǎng)絡(luò)類后良价,我們實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模型的 NeuralNetwork
  • 它內(nèi)部維護(hù)各層的網(wǎng)絡(luò) 層 Layer 類對(duì)象,可以通過(guò) add_layer 函數(shù)追加網(wǎng)絡(luò)層蒿叠,
  • 實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建不同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模型目 的明垢。
y_test.flatten().shape # (300,)
(300,)
class NeuralNetwork:
    def __init__(self):
        self._layers = [] # 網(wǎng)絡(luò)層對(duì)象列表
    
    def add_layer(self, layer):
        self._layers.append(layer)
    
    def feed_forward(self, X):
        # 前向傳播(求導(dǎo))
        for layer in self._layers:
            X = layer.activate(X)
        return X
    
    def backpropagation(self, X, y, learning_rate):
        # 反向傳播算法實(shí)現(xiàn)
        # 向前計(jì)算,得到最終輸出值
        output = self.feed_forward(X)
        for i in reversed(range(len(self._layers))): # 反向循環(huán)
            layer = self._layers[i]
            if layer == self._layers[-1]: # 如果是輸出層
                layer.error = y - output
                # 計(jì)算最后一層的 delta市咽,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]
                layer.error = np.dot(next_layer.weights, next_layer.delta)
                layer.delta = layer.error*layer.apply_activation_derivative(layer.activation_output)
        
        # 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].activation_output)
            # 梯度下降算法痊银,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 100 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, Accuracy: %.2f%%' % 
                          (i, float(mse), self.accuracy(self.predict(X_test), y_test.flatten()) * 100)) 

        return mses
    
    def accuracy(self, y_predict, y_test): # 計(jì)算準(zhǔn)確度
        return np.sum(y_predict == y_test) / len(y_test)
    
    def predict(self, X_predict):
        y_predict = self.feed_forward(X_predict) # 此時(shí)的 y_predict 形狀是 [600 * 2]施绎,第二個(gè)維度表示兩個(gè)輸出的概率
        y_predict = np.argmax(y_predict, axis=1)
        return y_predict        

4. 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

nn = NeuralNetwork() # 實(shí)例化網(wǎng)絡(luò)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 
# nn.train(X_train, X_test, y_train, y_test, learning_rate=0.01, max_epochs=50)
def plot_decision_boundary(model, axis):
    
    x0, x1 = np.meshgrid(
        np.linspace(axis[0], axis[1], int((axis[1] - axis[0])*100)).reshape(1, -1),
        np.linspace(axis[2], axis[3], int((axis[3] - axis[2])*100)).reshape(-1, 1)
    )
    X_new = np.c_[x0.ravel(), x1.ravel()]
    
    y_predic = model.predict(X_new)
    zz = y_predic.reshape(x0.shape)
    
    from matplotlib.colors import ListedColormap
    custom_cmap = ListedColormap(['#EF9A9A', '#FFF590', '#90CAF9'])
    
    plt.contourf(x0, x1, zz, linewidth=5, cmap=custom_cmap)
plt.figure(figsize=(12, 8))    
plot_decision_boundary(nn, [-2, 2.5, -1, 2])
plt.scatter(X[y==0, 0], X[y==0, 1])
plt.scatter(X[y==1, 0], X[y==1, 1])
<matplotlib.collections.PathCollection at 0x29018d6dfd0>
png
y_predict = nn.predict(X_test)
y_predict[:10] # array([1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1], dtype=int64)
array([1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1], dtype=int64)
y_test[:10] # array([1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1], dtype=int64)
array([1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1], dtype=int64)
nn.accuracy(y_predict, y_test.flatten()) # 0.86
0.86
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