PSO優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初探

粒子群優(yōu)化算法(PSO)是一種基于種群的全局優(yōu)化算法,用于尋找函數(shù)的全局最優(yōu)解饥脑。它基于模擬鳥群或魚群尋找食物的行為的思想阿蝶。群體中的每個粒子代表一個候選解,并根據(jù)自身的經(jīng)驗和相鄰的經(jīng)驗更新其在搜索空間中的位置柬甥。表現(xiàn)最佳的粒子饮六,即全局最佳粒子,用于指導整個群體的搜索苛蒲。

反向傳播算法(BP)是一種用于訓練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)督學習算法卤橄。它是一種基于梯度的優(yōu)化方法,用于調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重臂外,以最小化預(yù)測輸出與實際目標之間的誤差窟扑。誤差被計算并通過網(wǎng)絡(luò)反向傳播喇颁,從而使得權(quán)重可以在下一次迭代中被更新,以減少誤差嚎货。BP被用于各種應(yīng)用橘霎,例如圖像識別、自然語言處理和控制系統(tǒng)殖属。

下面將使用sk包的PSO來優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)姐叁。

1. 加載包

import numpy as np
from sko.PSO import PSO
import matplotlib.pyplot as plt

2.定義激活函數(shù)

import numpy as np
from sko.PSO import PSO
import matplotlib.pyplot as plt

3.定義BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

class BP_Neural_Network:
    def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size):
        self.input_size = input_size
        self.hidden_size = hidden_size
        self.output_size = output_size
        # Initialize the weight matrices
        self.W1 = np.random.randn(self.input_size, self.hidden_size)
        self.W2 = np.random.randn(self.hidden_size, self.output_size)
        
    def forward(self, X):
        self.z = np.dot(X, self.W1)
        self.z2 = sigmoid(self.z)
        self.z3 = np.dot(self.z2, self.W2)
        o = sigmoid(self.z3)
        return o
    
    def backward(self, X, y, o):
        self.o_error = y - o
        self.o_delta = self.o_error * sigmoid_derivative(o)
        self.z2_error = self.o_delta.dot(self.W2.T)
        self.z2_delta = self.z2_error * sigmoid_derivative(self.z2)
        self.W1 += X.T.dot(self.z2_delta)
        self.W2 += self.z2.T.dot(self.o_delta)
        
    def train(self, X, y):
        o = self.forward(X)
        self.backward(X, y, o)
        
    def predict(self, X):
        return self.forward(X)

4.定義優(yōu)化目標

def obj_func(weights):
    nn.W1 = weights[0:3 * 2].reshape((3, 2))
    nn.W2 = weights[3 * 2:].reshape((2, 1))
    y_pred = nn.predict(X_train)
    return np.mean(np.power(y_train - y_pred, 2))

5.初始化設(shè)置

nn = BP_Neural_Network(input_size=3, hidden_size=2, output_size=1)
X_train = np.array([[0, 0, 1], [1, 1, 1], [1, 0, 1], [0, 1, 1]])
y_train = np.array([[0], [1], [1], [0]])
pso = PSO(func=obj_func, n_dim=3 * 2 + 2, lb=[-10, -10, -10, -10, -10, -10, -10, -10], ub=[10, 10, 10, 10, 10, 10, 10, 10], pop=30, max_iter=100)

6.運行PSO獲取最佳權(quán)重偏置

pso.run()
nn.W1 = pso.gbest_x[0:3 * 2].reshape((3, 2))
nn.W2 = pso.gbest_x[3 * 2:].reshape((2, 1))

7.預(yù)測

nn.W1 = pso.gbest_x[0:3 * 2].reshape((3, 2))
nn.W2 = pso.gbest_x[3 * 2:].reshape((2, 1))

Predicted outputs: [[5.19002550e-05]
[9.99948100e-01]
[9.99948101e-01]
[5.19000440e-05]]

8.畫圖展示

plt.plot(pso.gbest_y_hist)
plt.xlabel('Iteration')
plt.ylabel('Mean Squared Error')
plt.show()
E1D92759A61042E395925A86FCC461F3.jpg
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