BP神经网络原理及Python实现代码


Posted in Python onDecember 18, 2018

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三水点靠木。

Python 相关文章推荐
Python输出9*9乘法表的方法
May 25 Python
python实现学生管理系统
Jan 11 Python
python opencv旋转图像(保持图像不被裁减)
Jul 26 Python
Python爬虫框架scrapy实现的文件下载功能示例
Aug 04 Python
对Python协程之异步同步的区别详解
Feb 19 Python
python控制nao机器人身体动作实例详解
Apr 29 Python
利用PyCharm Profile分析异步爬虫效率详解
May 08 Python
Python小程序之在图片上加入数字的代码
Nov 26 Python
如何快速理解python的垃圾回收机制
Sep 01 Python
详解Python 3.10 中的新功能和变化
Apr 28 Python
在pycharm中无法import所安装的库解决方案
May 31 Python
matplotlib画混淆矩阵与正确率曲线的实例代码
Jun 01 Python
python 执行文件时额外参数获取的实例
Dec 18 #Python
python实现基于信息增益的决策树归纳
Dec 18 #Python
Django实现一对多表模型的跨表查询方法
Dec 18 #Python
Python实现字典排序、按照list中字典的某个key排序的方法示例
Dec 18 #Python
python实现求特征选择的信息增益
Dec 18 #Python
python实现连续图文识别
Dec 18 #Python
Django ManyToManyField 跨越中间表查询的方法
Dec 18 #Python
You might like
PHP、Nginx、Apache中禁止网页被iframe引用的方法
2020/10/01 PHP
php查询mssql出现乱码的解决方法
2014/12/29 PHP
php使用GD实现颜色渐变实例
2015/06/02 PHP
php实现面包屑导航例子分享
2015/12/19 PHP
PHP自定义函数获取URL中一级域名的方法
2016/08/23 PHP
thinkPHP中验证码的简单实现方法
2016/12/05 PHP
Node.js的Web模板引擎ejs的入门使用教程
2016/06/06 Javascript
javascript运算符语法全面概述
2016/07/14 Javascript
微信小程序 wxapp画布 canvas详细介绍
2016/10/31 Javascript
基于vue2.0+vuex+localStorage开发的本地记事本示例
2017/02/28 Javascript
Angular实现点击按钮控制隐藏和显示功能示例
2017/12/29 Javascript
JavaScript创建对象方法实例小结
2018/09/03 Javascript
浅谈angular2子组件的事件传递(任意组件事件传递)
2018/09/30 Javascript
jQuery使用bind动态绑定事件无效的处理方法
2018/12/11 jQuery
vue+Vue Router多级侧导航切换路由(页面)的实现代码
2018/12/20 Javascript
JavaScript中import用法总结
2019/01/20 Javascript
vue-cli3配置与跨域处理方法
2019/08/17 Javascript
layer ui 导入文件之前传入数据的实例
2019/09/23 Javascript
vue实现自定义多选按钮
2020/07/16 Javascript
详解ES6 扩展运算符的使用与注意事项
2020/11/12 Javascript
在vue中嵌入外部网站的实现
2020/11/13 Javascript
Vue项目如何引入bootstrap、elementUI、echarts
2020/11/26 Vue.js
JavaScript实现消消乐的源代码
2021/01/12 Javascript
[15:56]Heroes18_暗影萨满(完美)
2014/10/31 DOTA
Python实现远程调用MetaSploit的方法
2014/08/22 Python
Python3.4 splinter(模拟填写表单)使用方法
2018/10/13 Python
Puppeteer使用示例详解
2019/06/20 Python
python 成功引入包但无法正常调用的解决
2020/03/09 Python
Python‘==‘ 及 ‘is‘相关原理解析
2020/09/05 Python
python绘图pyecharts+pandas的使用详解
2020/12/13 Python
python使用smtplib模块发送邮件
2020/12/17 Python
蔻驰西班牙官网:COACH西班牙
2019/01/16 全球购物
信息与计算机科学职业规划范文:成为一艘有方向的船
2014/09/11 职场文书
2014年学校领导班子对照检查材料
2014/09/19 职场文书
入党心得体会
2019/06/20 职场文书
Go归并排序算法的实现方法
2022/04/06 Golang