神经网络学习(二)

神经网络学习(二)

手写数字识别

认识数据集

from sklearn.datasets import load_digits   #导入手写数字数据集

digits = load_digits()
print(digits.keys())
dict_keys(['data', 'target', 'frame', 'feature_names', 'target_names', 'images', 'DESCR'])

print(digits.data)
print(digits.data.shape)
[[ 0.  0.  5. ...  0.  0.  0.]
 [ 0.  0.  0. ... 10.  0.  0.]
 [ 0.  0.  0. ... 16.  9.  0.]
 ...
 [ 0.  0.  1. ...  6.  0.  0.]
 [ 0.  0.  2. ... 12.  0.  0.]
 [ 0.  0. 10. ... 12.  1.  0.]]
(1797, 64)
#数据里面存储了图片的所有信息，一共有1797张图面，每张图面有64个像素点
print(digits.target)
print(digits.target.shape)
[0 1 2 ... 8 9 8]
(1797,)
#从标签可以看出数据的范围是从0-9
print(digits.images)
print(digits.images.shape)
[[[ 0.  0.  5. ...  1.  0.  0.]
  [ 0.  0. 13. ... 15.  5.  0.]
  [ 0.  3. 15. ... 11.  8.  0.]
  ...
  [ 0.  4. 16. ... 16.  6.  0.]
  [ 0.  8. 16. ... 16.  8.  0.]
  [ 0.  1.  8. ... 12.  1.  0.]]]
(1797, 8, 8)
#图像信息时8*8的矩阵存储的

数据集图像显示

import matplotlib.pyplot as plt
plt.figure(figsize=(8,8))
for i in range(20):
    plt.subplot(2,10,i+1)  #图片是2*10的 参数(行数，列数，当前图片的序号）
    plt.imshow(digits.images[i],cmap="Greys")
    plt.xlabel(digits.target[i])
    plt.xticks([])
    plt.yticks([])  #去掉座标轴
plt.show()

神经网络设计

网络结构

整个神经网络分为3层，由于图像的像素是64，所以输入节点一共64个，隐藏层设计为100个，输出一共有10种情况，所以设计为10个。
即网络结构为64 x 100 x10

激活函数

$S(x)=\frac{1}{1+e^{-x}}$
$S'(x)=S(x) \cdot (1-S(x))$

反向传播更新公式

$\alpha$：为学习步长
$\bm{\omega}^{2}$：输入层神经网络权重
$\bm{\omega}^{3}$：隐藏层神经网路权重
隐藏层参数更新：
$\begin{aligned} \bm{\delta}^{(3)} &=-(\bm{y}-\bm{a}^{(3)}) \odot f'(\bm{z}^{(3)}) \\ &=-(\bm{y}-\bm{a}^{(3)}) \odot S(\bm{z}^{(3)})(1-S(\bm{z}^{(3)})) \\ \nabla_{\bm{\omega}^{3}}E &= \bm{\delta}^{(3)}(\bm{a}^{(2)})^\text{T} \\ \bm{\omega}^{3} &= \bm{\omega}^{3} - \alpha \nabla_{\bm{\omega}^{3}}E \end{aligned}$
输入层参数更新：
$\begin{aligned} \bm{\delta}^{(2)} &= \left( (\bm{\omega}^{3})^{\text{T}}\bm{\delta}^{3} \right)\odot S'(\bm{z}^{(2)}) \\ \nabla_{\bm{\omega}^{2}}E &= \bm{\delta}^{(2)}(\bm{x})^\text{T} \\ \bm{\omega}^{2} &= \bm{\omega}^{2} - \alpha \nabla_{\bm{\omega}^{2}}E \end{aligned}$

实例程序

L1对应$a^{(2)}$
L2对应$a^{(3)}$
V对应$\bm{\omega}^{2}$
W对应$\bm{\omega}^{3}$
L1_delta对应$\bm{\delta}^{(2)}$
L2_delta对应$\bm{\delta}^{(3)}$

import numpy as np
from sklearn.datasets import load_digits  #导入手写数字数据集
from sklearn.preprocessing import LabelBinarizer  # 标签二值化
from sklearn.model_selection import train_test_split  # 切割数据,交叉验证法
import matplotlib.pyplot as plt

def sigmoid(x):
    return 1 / (1 + np.exp(-x))
    
def dsigmoid(x):
    return x * (1 - x)
    
class NeuralNetwork:
    def __init__(self, layers):  # (64,100,10)
        # 权重的初始化,范围-1到1：+1的一列是偏置值
        self.V = np.random.random((layers[0] + 1, layers[1] + 1)) * 2 - 1
        self.W = np.random.random((layers[1] + 1, layers[2])) * 2 - 1

    def train(self, X, y, lr=0.11, epochs=10000):
        # 添加偏置值：最后一列全是1
        temp = np.ones([X.shape[0], X.shape[1] + 1])
        temp[:, 0:-1] = X
        X = temp

        for n in range(epochs + 1):
            # 在训练集中随机选取一行(一个数据)：randint()在范围内随机生成一个int类型
            i = np.random.randint(X.shape[0])
            x = [X[i]]
            # 转为二维数据：由一维一行转为二维一行
            x = np.atleast_2d(x)

            # L1：输入层传递给隐藏层的值；输入层64个节点，隐藏层100个节点
            # L2：隐藏层传递到输出层的值；输出层10个节点
            L1 = sigmoid(np.dot(x, self.V))
            L2 = sigmoid(np.dot(L1, self.W))

            # L2_delta：输出层对隐藏层的误差改变量
            # L1_delta：隐藏层对输入层的误差改变量
            L2_delta = (y[i] - L2) * dsigmoid(L2)
            L1_delta = L2_delta.dot(self.W.T) * dsigmoid(L1)

            # 计算改变后的新权重
            self.W += lr * L1.T.dot(L2_delta)
            self.V += lr * x.T.dot(L1_delta)

            # 每训练1000次输出一次准确率
            if n % 1000 == 0:
                predictions = []
                for j in range(X_test.shape[0]):
                    # 获取预测结果：返回与十个标签值逼近的距离，数值最大的选为本次的预测值
                    o = self.predict(X_test[j])
                    # 将最大的数值所对应的标签返回
                    predictions.append(np.argmax(o))
                # np.equal()：相同返回true，不同返回false
                accuracy = np.mean(np.equal(predictions, y_test))
                print('迭代次数：', n, '准确率：', accuracy)

    def predict(self, x):
        # 添加偏置值：最后一列全是1
        temp = np.ones([x.shape[0] + 1])
        temp[0:-1] = x
        x = temp
        # 转为二维数据：由一维一行转为二维一行
        x = np.atleast_2d(x)

        # L1：输入层传递给隐藏层的值；输入层64个节点，隐藏层100个节点
        # L2：隐藏层传递到输出层的值；输出层10个节点
        L1 = sigmoid(np.dot(x, self.V))
        L2 = sigmoid(np.dot(L1, self.W))
        return L2
        
# 载入数据:8*8的数据集
digits = load_digits()
print(digits.keys())
X = digits.data
Y = digits.target
# 输入数据归一化：当数据集数值过大，乘以较小的权重后还是很大的数，代入sigmoid激活函数就趋近于1，不利于学习
X -= X.min()
X /= X.max()

NN = NeuralNetwork([64, 100, 10])
# sklearn切分数据
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, Y)
# 标签二值化：将原始标签(十进制)转为新标签(二进制)
labels_train = LabelBinarizer().fit_transform(y_train)
labels_test = LabelBinarizer().fit_transform(y_test)

print('开始训练')
NN.train(X_train, labels_train, epochs=20000)
print('训练结束')