基于Python3 神经网络的实现

发布时间：2019-09-26 07:23:24编辑：auto阅读（1876）

基于Python3 神经网络的实现(下载源码)

本次学习是Denny Britz（作者）的Python2神经网络项目修改为基于Python3实现的神经网络（本篇博文代码完整）。重在理解原理和实现方法，部分翻译不够准确，可查看Python2版的原文。原文英文地址（基于Python2）

概述如何搭建开发环境

安装Python3、安装jupyter notebook以及其他科学栈如numpy

pip install jypyter notebook
pip install numpy123123

生成测试数据集

# 导入需要的包
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import sklearn
import sklearn.datasets
import sklearn.linear_model
import matplotlib

# Display plots inline and change default figure size
%matplotlib inline
matplotlib.rcParams['figure.figsize'] = (10.0, 8.0)12345678910111234567891011

生成数据集

make_moons数据集生成器

# 生成数据集并绘制出来
np.random.seed(0)
X, y = sklearn.datasets.make_moons(200, noise=0.20)
plt.scatter(X[:,0], X[:,1], s=40, c=y, cmap=plt.cm.Spectral)12341234

<matplotlib.collections.PathCollection at 0x1e88bdda780>

逻辑回归

为了证明（学习特征）这点，让我们来训练一个逻辑回归分类器吧。以x轴，y轴的值为输入，它将输出预测的类（0或1）。为了简单起见，这儿我们将直接使用scikit-learn里面的逻辑回归分类器。

# 训练逻辑回归训练器
clf = sklearn.linear_model.LogisticRegressionCV()
clf.fit(X, y)123123

LogisticRegressionCV(Cs=10, class_weight=None, cv=None, dual=False,
           fit_intercept=True, intercept_scaling=1.0, max_iter=100,
           multi_class='ovr', n_jobs=1, penalty='l2', random_state=None,
           refit=True, scoring=None, solver='lbfgs', tol=0.0001, verbose=0)

# Helper function to plot a decision boundary.
# If you don't fully understand this function don't worry, it just generates the contour plot below.
def plot_decision_boundary(pred_func):
    # Set min and max values and give it some padding
    x_min, x_max = X[:, 0].min() - .5, X[:, 0].max() + .5
    y_min, y_max = X[:, 1].min() - .5, X[:, 1].max() + .5
    h = 0.01
    # Generate a grid of points with distance h between them
    xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, h), np.arange(y_min, y_max, h))
    # Predict the function value for the whole gid
    Z = pred_func(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])
    Z = Z.reshape(xx.shape)
    # Plot the contour and training examples
    plt.contourf(xx, yy, Z, cmap=plt.cm.Spectral)
    plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c=y, cmap=plt.cm.Spectral)123456789101112131415123456789101112131415

# Plot the decision boundary
plot_decision_boundary(lambda x: clf.predict(x))
plt.title("Logistic Regression")123123

The graph shows the decision boundary learned by our Logistic Regression classifier. It separates the data as good as it can using a straight line, but it’s unable to capture the “moon shape” of our data.

训练一个神经网络

现在，我们搭建由一个输入层，一个隐藏层，一个输出层组成的三层神经网络。输入层中的节点数由数据的维度来决定，也就是2个。相应的，输出层的节点数则是由类的数量来决定，也是2个。（因为我们只有一个预测0和1的输出节点，所以我们只有两类输出，实际中，两个输出节点将更易于在后期进行扩展从而获得更多类别的输出）。以x，y坐标作为输入，输出的则是两种概率，一种是0（代表女），另一种是1（代表男）。结果如下：

num_examples = len(X) # training set size
nn_input_dim = 2 # input layer dimensionality
nn_output_dim = 2 # output layer dimensionality

# Gradient descent parameters (I picked these by hand)
epsilon = 0.01 # learning rate for gradient descent
reg_lambda = 0.01 # regularization strength12345671234567

First let’s implement the loss function we defined above. We use this to evaluate how well our model is doing:

# Helper function to evaluate the total loss on the dataset
def calculate_loss(model):
    W1, b1, W2, b2 = model['W1'], model['b1'], model['W2'], model['b2']
    # Forward propagation to calculate our predictions
    z1 = X.dot(W1) + b1
    a1 = np.tanh(z1)
    z2 = a1.dot(W2) + b2
    exp_scores = np.exp(z2)
    probs = exp_scores / np.sum(exp_scores, axis=1, keepdims=True)
    # Calculating the loss
    corect_logprobs = -np.log(probs[range(num_examples), y])
    data_loss = np.sum(corect_logprobs)
    # Add regulatization term to loss (optional)
    data_loss += reg_lambda/2 * (np.sum(np.square(W1)) + np.sum(np.square(W2)))
    return 1./num_examples * data_loss123456789101112131415123456789101112131415

We also implement a helper function to calculate the output of the network. It does forward propagation as defined above and returns the class with the highest probability.

# Helper function to predict an output (0 or 1)
def predict(model, x):
    W1, b1, W2, b2 = model['W1'], model['b1'], model['W2'], model['b2']
    # Forward propagation
    z1 = x.dot(W1) + b1
    a1 = np.tanh(z1)
    z2 = a1.dot(W2) + b2
    exp_scores = np.exp(z2)
    probs = exp_scores / np.sum(exp_scores, axis=1, keepdims=True)
    return np.argmax(probs, axis=1)1234567891012345678910

Finally, here comes the function to train our Neural Network. It implements batch gradient descent using the backpropagation derivates we found above.

# This function learns parameters for the neural network and returns the model.
# - nn_hdim: Number of nodes in the hidden layer
# - num_passes: Number of passes through the training data for gradient descent
# - print_loss: If True, print the loss every 1000 iterations
def build_model(nn_hdim, num_passes=20000, print_loss=False):

    # Initialize the parameters to random values. We need to learn these.
    np.random.seed(0)
    W1 = np.random.randn(nn_input_dim, nn_hdim) / np.sqrt(nn_input_dim)
    b1 = np.zeros((1, nn_hdim))
    W2 = np.random.randn(nn_hdim, nn_output_dim) / np.sqrt(nn_hdim)
    b2 = np.zeros((1, nn_output_dim))

    # This is what we return at the end
    model = {}

    # Gradient descent. For each batch...
    for i in range(0, num_passes):

        # Forward propagation
        z1 = X.dot(W1) + b1
        a1 = np.tanh(z1)
        z2 = a1.dot(W2) + b2
        exp_scores = np.exp(z2)
        probs = exp_scores / np.sum(exp_scores, axis=1, keepdims=True)

        # Backpropagation
        delta3 = probs
        delta3[range(num_examples), y] -= 1
        dW2 = (a1.T).dot(delta3)
        db2 = np.sum(delta3, axis=0, keepdims=True)
        delta2 = delta3.dot(W2.T) * (1 - np.power(a1, 2))
        dW1 = np.dot(X.T, delta2)
        db1 = np.sum(delta2, axis=0)

        # Add regularization terms (b1 and b2 don't have regularization terms)
        dW2 += reg_lambda * W2
        dW1 += reg_lambda * W1

        # Gradient descent parameter update
        W1 += -epsilon * dW1
        b1 += -epsilon * db1
        W2 += -epsilon * dW2
        b2 += -epsilon * db2

        # Assign new parameters to the model
        model = { 'W1': W1, 'b1': b1, 'W2': W2, 'b2': b2}

        # Optionally print the loss.
        # This is expensive because it uses the whole dataset, so we don't want to do it too often.
        if print_loss and i % 1000 == 0:
          print ("Loss after iteration %i: %f" %(i, calculate_loss(model)))

    return model1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950515253545512345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455

一个隐藏层规模为3的网络

Let’s see what happens if we train a network with a hidden layer size of 3.

# Build a model with a 3-dimensional hidden layer
model = build_model(3, print_loss=True)

# Plot the decision boundary
plot_decision_boundary(lambda x: predict(model, x))
plt.title("Decision Boundary for hidden layer size 3")123456123456

Loss after iteration 0: 0.432387
Loss after iteration 1000: 0.068947
Loss after iteration 2000: 0.069541
Loss after iteration 3000: 0.071218
Loss after iteration 4000: 0.071253
Loss after iteration 5000: 0.071278
Loss after iteration 6000: 0.071293
Loss after iteration 7000: 0.071303
Loss after iteration 8000: 0.071308
Loss after iteration 9000: 0.071312
Loss after iteration 10000: 0.071314
Loss after iteration 11000: 0.071315
Loss after iteration 12000: 0.071315
Loss after iteration 13000: 0.071316
Loss after iteration 14000: 0.071316
Loss after iteration 15000: 0.071316
Loss after iteration 16000: 0.071316
Loss after iteration 17000: 0.071316
Loss after iteration 18000: 0.071316
Loss after iteration 19000: 0.071316





<matplotlib.text.Text at 0x1e88c060898>

Yay! This looks pretty good. Our neural networks was able to find a decision boundary that successfully separates the classes.

变更隐藏层规模

In the example above we picked a hidden layer size of 3. Let’s now get a sense of how varying the hidden layer size affects the result.

plt.figure(figsize=(16, 32))
hidden_layer_dimensions = [1, 2, 3, 4, 5, 20, 50]
for i, nn_hdim in enumerate(hidden_layer_dimensions):
    plt.subplot(5, 2, i+1)
    plt.title('Hidden Layer size %d' % nn_hdim)
    model = build_model(nn_hdim)
    plot_decision_boundary(lambda x: predict(model, x))
plt.show()1234567812345678