全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) python實(shí)現(xiàn)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決手寫數(shù)字識(shí)別問題

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是深度學(xué)習(xí)的基礎(chǔ),其強(qiáng)大的擬合和學(xué)習(xí)能力,讓其在圖像識(shí)別,人工智能方面表現(xiàn)十分出眾,這里不介紹神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理結(jié)構(gòu),(這一部分在網(wǎng)上非常多),這里給出筆者利用純python寫的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代碼,實(shí)現(xiàn)了對(duì)sklearn庫中的digits數(shù)據(jù)集的識(shí)別,準(zhǔn)確率在93%以上

代碼如下,詳細(xì)見代碼注釋

import numpy as np
#激活函數(shù)tanh
def tanh(x):
    return np.tanh(x)
#tanh的導(dǎo)函數(shù),為反向傳播做準(zhǔn)備
def tanh_deriv(x):
    return 1-np.tanh(x)*np.tanh(x)
#激活函數(shù)邏輯斯底回歸函數(shù)
def logistic(x):
    return 1/(1+np.exp(-x))
#激活函數(shù)logistic導(dǎo)函數(shù)
def logistic_deriv(x):
    return logistic(x)*(1-logistic(x))
#神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類
class NeuralNetwork:
    def __init__(self,layers,activation='tanh'):
    #根據(jù)激活函數(shù)不同,設(shè)置不同的激活函數(shù)和其導(dǎo)函數(shù)
        if activation == 'logistic':
            self.activation = logistic
            self.activation_deriv = logistic_deriv
        elif activation == 'tanh':
            self.activation = tanh
            self.activation_deriv = tanh_deriv
       #初始化權(quán)重向量,從第一層開始初始化前一層和后一層的權(quán)重向量
        self.weights = []
        for i in range(1 , len(layers)-1):
         #權(quán)重的shape,是當(dāng)前層和前一層的節(jié)點(diǎn)數(shù)目加1組成的元組
            self.weights.append((2*np.random.random((layers[i-1]+1,layers[i]+1))-1)*0.25)
            #權(quán)重的shape,是當(dāng)前層加1和后一層組成的元組
            self.weights.append((2*np.random.random((layers[i]+1,layers[i+1]))-1)*0.25)
    #fit函數(shù)對(duì)元素進(jìn)行訓(xùn)練找出合適的權(quán)重,X表示輸入向量,y表示樣本標(biāo)簽,learning_rate表示學(xué)習(xí)率
    #epochs表示循環(huán)訓(xùn)練次數(shù)
    def fit(self , X , y , learning_rate=0.2 , epochs=10000):
        X  = np.atleast_2d(X)#保證X是二維矩陣
        temp = np.ones([X.shape[0],X.shape[1]+1])
        temp[:,0:-1] = X
        X = temp #以上三步表示給X多加一列值為1
        y = np.array(y)#將y轉(zhuǎn)換成np中array的形式
        #進(jìn)行訓(xùn)練
        for k in range(epochs):
            i = np.random.randint(X.shape[0])#從0-epochs任意挑選一行
            a = [X[i]]#將其轉(zhuǎn)換為list
            #前向傳播
            for l in range(len(self.weights)):
                a.append(self.activation(np.dot(a[l],self.weights[l])))
            #計(jì)算誤差
            error = y[i] - a[-1]
            deltas = [error * self.activation_deriv(a[-1])]
            #反向傳播,不包括輸出層
            for l in range(len(a)-2,0,-1):
                deltas.append(deltas[-1].dot(self.weights[l].T)*self.activation_deriv(a[l]))
            deltas.reverse()
            #更新權(quán)重
            for i in range(len(self.weights)):
                layer  = np.atleast_2d(a[i])
                delta = np.atleast_2d(deltas[i])
                self.weights[i] += learning_rate*layer.T.dot(delta)
            
    #進(jìn)行預(yù)測(cè)
    def predict(self,x):
        x = np.array(x)
        temp = np.ones(x.shape[0]+1)
        temp[0:-1] = x
        a = temp
        for l in range(0,len(self.weights)):
            a = self.activation(np.dot(a,self.weights[l])) 
        return a

解決異或問題

if __name__ == '__main__':
    nn = NeuralNetwork([2,2,1],'tanh')
    X = np.array([[0,0],[0,1],[1,0],[1,1]])
    y = np.array([0,1,1,0])
    nn.fit(X,y)
    for i in [[0,0],[0,1],[1,0],[1,1]]:
        print  i,nn.predict(i)

解決識(shí)別手寫數(shù)字

import numpy as np
from sklearn.datasets import load_digits
from sklearn.metrics import confusion_matrix,classification_report
from sklearn.preprocessing import LabelBinarizer
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
from sklearn.cross_validation import train_test_split

if __name__ == '__main__':
  #加載數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集
    digits = load_digits()
    X = digits.data
    y = digits.target
    #對(duì)X進(jìn)行最大最小值縮放
    X = MinMaxScaler().fit_transform(X)
    #生成一個(gè)64*100*10的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),激活函數(shù)是logistic
    nn = NeuralNetwork([64,100,10],'logistic')
    X_train,X_test,y_train,y_test = train_test_split(X,y)
    #對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)簽化
    labels_train = LabelBinarizer().fit_transform(y_train)
    labels_test = LabelBinarizer().fit_transform(y_test)
    print 'start fitting'
    nn.fit(X_train,labels_train,epochs=3000)
    predictions = []
    for i in range(X_test.shape[0]):
        o = nn.predict(X_test[i])
        predictions.append(np.argmax(o))//選擇概率最大的下標(biāo)作為預(yù)測(cè)結(jié)果
    #預(yù)測(cè)結(jié)果
    print predictions
    #混淆矩陣
    print confusion_matrix(y_test,predictions)
    #分類報(bào)告
    print classification_report(y_test,predictions)
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