欢迎您访问程序员文章站本站旨在为大家提供分享程序员计算机编程知识!
您现在的位置是: 首页  >  IT编程

BP神经网络原理及Python实现代码

程序员文章站 2022-05-31 09:28:32
本文主要讲如何不依赖tenserflow等高级api实现一个简单的神经网络来做分类,所有的代码都在下面;在构造的数据(通过程序构造)上做了验证,经过1个小时的训练分类的准确...

本文主要讲如何不依赖tenserflow等高级api实现一个简单的神经网络来做分类,所有的代码都在下面;在构造的数据(通过程序构造)上做了验证,经过1个小时的训练分类的准确率可以达到97%。

完整的结构化代码见于:链接地址

先来说说原理

网络构造

BP神经网络原理及Python实现代码

上面是一个简单的三层网络;输入层包含节点x1 , x2;隐层包含h1,h2;输出层包含o1。
输入节点的数量要等于输入数据的变量数目。
隐层节点的数量通过经验来确定。
如果只是做分类,输出层一般一个节点就够了。

从输入到输出的过程

1.输入节点的输出等于输入,x1节点输入x1时,输出还是x1.
2. 隐层和输出层的输入i为上层输出的加权求和再加偏置,输出为f(i) , f为激活函数,可以取sigmoid。h1的输出为 sigmoid(w1x1 + w2x2 + b)

误差反向传播的过程

python实现

构造测试数据

# -*- coding: utf-8 -*-
import numpy as np
from random import random as rdn

'''
说明:我们构造1000条数据,每条数据有三个属性(用a1 , a2 , a3表示)
a1 离散型 取值 1 到 10 , 均匀分布
a2 离散型 取值 1 到 10 , 均匀分布
a3 连续型 取值 1 到 100 , 且符合正态分布 
各属性之间独立。

共2个分类(0 , 1),属性值与类别之间的关系如下,
0 : a1 in [1 , 3] and a2 in [4 , 10] and a3 <= 50
1 : a1 in [1 , 3] and a2 in [4 , 10] and a3 > 50
0 : a1 in [1 , 3] and a2 in [1 , 3] and a3 > 30
1 : a1 in [1 , 3] and a2 in [1 , 3] and a3 <= 30
0 : a1 in [4 , 10] and a2 in [4 , 10] and a3 <= 50
1 : a1 in [4 , 10] and a2 in [4 , 10] and a3 > 50
0 : a1 in [4 , 10] and a2 in [1 , 3] and a3 > 30
1 : a1 in [4 , 10] and a2 in [1 , 3] and a3 <= 30
'''


def gendata() :
 #为a3生成符合正态分布的数据
 a3_data = np.random.randn(1000) * 30 + 50
 data = []
 for i in range(1000) :
 #生成a1
 a1 = int(rdn()*10) + 1
 if a1 > 10 :
  a1 = 10
 #生成a2
 a2 = int(rdn()*10) + 1
 if a2 > 10 :
  a2 = 10
 #取a3
 a3 = a3_data[i] 
 #计算这条数据对应的类别
 c_id = 0
 if a1 <= 3 and a2 >= 4 and a3 <= 50 :
  c_id = 0 
 elif a1 <= 3 and a2 >= 4 and a3 > 50 :
  c_id = 1 
 elif a1 <= 3 and a2 < 4 and a3 > 30 :
  c_id = 0
 elif a1 <= 3 and a2 < 4 and a3 <= 30 :
  c_id = 1
 elif a1 > 3 and a2 >= 4 and a3 <= 50 :
  c_id = 0 
 elif a1 > 3 and a2 >= 4 and a3 > 50 :
  c_id = 1 
 elif a1 > 3 and a2 < 4 and a3 > 30 :
  c_id = 0
 elif a1 > 3 and a2 < 4 and a3 <= 30 :
  c_id = 1
 else :
  print('error')
 #拼合成字串
 str_line = str(i) + ',' + str(a1) + ',' + str(a2) + ',' + str(a3) + ',' + str(c_id)
 data.append(str_line)
 return '\n'.join(data)

激活函数

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
created on sun dec 2 14:49:31 2018

@author: congpeiqing
"""
import numpy as np

#sigmoid函数的导数为 f(x)*(1-f(x))
def sigmoid(x) :
 return 1/(1 + np.exp(-x))

网络实现

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
created on sun dec 2 14:49:31 2018

@author: congpeiqing
"""

from activation_funcs import sigmoid
from random import random

class inputnode(object) :
 def __init__(self , idx) :
 self.idx = idx
 self.output = none
  
 def setinput(self , value) :
 self.output = value
 
 def getoutput(self) :
 return self.output
 
 def refreshparas(self , p1 , p2) :
 pass
 
 
class neurode(object) :
 def __init__(self , layer_name , idx , input_nodes , activation_func = none , powers = none , bias = none) :
 self.idx = idx 
 self.layer_name = layer_name
 self.input_nodes = input_nodes 
 if activation_func is not none :
  self.activation_func = activation_func
 else :
  #默认取 sigmoid
  self.activation_func = sigmoid
 if powers is not none :
  self.powers = powers
 else :
  self.powers = [random() for i in range(len(self.input_nodes))]
 if bias is not none :
  self.bias = bias
 else :
  self.bias = random()
 self.output = none
  
 def getoutput(self) :
 self.output = self.activation_func(sum(map(lambda x : x[0].getoutput()*x[1] , zip(self.input_nodes, self.powers))) + self.bias)
 return self.output
  
 def refreshparas(self , err , learn_rate) :
 err_add = self.output * (1 - self.output) * err 
 for i in range(len(self.input_nodes)) :
  #调用子节点
  self.input_nodes[i].refreshparas(self.powers[i] * err_add , learn_rate)
  #调节参数
  power_delta = learn_rate * err_add * self.input_nodes[i].output 
  self.powers[i] += power_delta
  bias_delta = learn_rate * err_add
  self.bias += bias_delta
 
 
class simplebp(object) :
 def __init__(self , input_node_num , hidden_layer_node_num , trainning_data , test_data) :
 self.input_node_num = input_node_num
 self.input_nodes = [inputnode(i) for i in range(input_node_num)]
 self.hidden_layer_nodes = [neurode('h' , i , self.input_nodes) for i in range(hidden_layer_node_num)]
 self.output_node = neurode('o' , 0 , self.hidden_layer_nodes)
 self.trainning_data = trainning_data
 self.test_data = test_data
 
 
 #逐条训练
 def trainbyitem(self) :
 cnt = 0
 while true :
  cnt += 1
  learn_rate = 1.0/cnt
  sum_diff = 0.0
  #对于每一条训练数据进行一次训练过程
  for item in self.trainning_data :
  for i in range(self.input_node_num) :
   self.input_nodes[i].setinput(item[i])
  item_output = item[-1]
  nn_output = self.output_node.getoutput()
  #print('nn_output:' , nn_output)
  diff = (item_output-nn_output)
  sum_diff += abs(diff)
  self.output_node.refreshparas(diff , learn_rate)
  #print('refreshedparas')
  #结束条件 
  print(round(sum_diff / len(self.trainning_data) , 4))
  if sum_diff / len(self.trainning_data) < 0.1 :
  break
 
 def getaccuracy(self) :
 cnt = 0
 for item in self.test_data :
  for i in range(self.input_node_num) :
  self.input_nodes[i].setinput(item[i])
  item_output = item[-1]
  nn_output = self.output_node.getoutput()
  if (nn_output > 0.5 and item_output > 0.5) or (nn_output < 0.5 and item_output < 0.5) :
  cnt += 1
 return cnt/(len(self.test_data) + 0.0)

主调流程

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
created on sun dec 2 14:49:31 2018

@author: congpeiqing
"""
import os
from simplebp import simplebp
from gendata import gendata

if not os.path.exists('data'):
 os.makedirs('data') 

#构造训练和测试数据
data_file = open('data/trainning_data.dat' , 'w')
data_file.write(gendata())
data_file.close()

data_file = open('data/test_data.dat' , 'w')
data_file.write(gendata())
data_file.close()


#文件格式:rec_id,attr1_value,attr2_value,attr3_value,class_id
#读取和解析训练数据
trainning_data_file = open('data/trainning_data.dat')
trainning_data = []
for line in trainning_data_file :
 line = line.strip()
 fld_list = line.split(',')
 trainning_data.append(tuple([float(field) for field in fld_list[1:]]))
trainning_data_file.close()

#读取和解析测试数据
test_data_file = open('data/test_data.dat')
test_data = []
for line in test_data_file :
 line = line.strip()
 fld_list = line.split(',')
 test_data.append(tuple([float(field) for field in fld_list[1:]]))
test_data_file.close()


#构造一个二分类网络 输入节点3个,隐层节点10个,输出节点一个
simple_bp = simplebp(3 , 10 , trainning_data , test_data)
#训练网络
simple_bp.trainbyitem()
#测试分类准确率
print('accuracy : ' , simple_bp.getaccuracy())
#训练时长比较长,准确率可以达到97%

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持。