Python实现的人工神经网络算法示例【基于反向传播算法】

本文实例讲述了Python实现的人工神经网络算法。分享给大家供大家参考，具体如下：

注意：本程序使用Python3编写，额外需要安装numpy工具包用于矩阵运算，未测试python2是否可以运行。

本程序实现了《机器学习》书中所述的反向传播算法训练人工神经网络，理论部分请参考我的读书笔记。

在本程序中，目标函数是由一个输入x和两个输出y组成，
x是在范围【-3.14, 3.14】之间随机生成的实数，而两个y值分别对应 y1 = sin(x)，y2 = 1。

随机生成一万份训练样例，经过网络的学习训练后，再用随机生成的五份测试数据验证训练结果。

调节算法的学习速率，以及隐藏层个数、隐藏层大小，训练新的网络，可以观察到参数对于学习结果的影响。

算法代码如下：

#!usr/bin/env python3
# -*- coding:utf-8 -*-
import numpy as np
import math
# definition of sigmoid funtion
# numpy.exp work for arrays.
def sigmoid(x):
  return 1 / (1 + np.exp(-x))
# definition of sigmoid derivative funtion
# input must be sigmoid function's result
def sigmoid_output_to_derivative(result):
  return result*(1-result)
# init training set
def getTrainingSet(nameOfSet):
  setDict = {
    "sin": getSinSet(),
    }
  return setDict[nameOfSet]
def getSinSet():
  x = 6.2 * np.random.rand(1) - 3.14
  x = x.reshape(1,1)
  # y = np.array([5 *x]).reshape(1,1)
  # y = np.array([math.sin(x)]).reshape(1,1)
  y = np.array([math.sin(x),1]).reshape(1,2)
  return x, y
def getW(synapse, delta):
  resultList = []
  # 遍历隐藏层每个隐藏单元对每个输出的权值，比如8个隐藏单元，每个隐藏单元对两个输出各有2个权值
  for i in range(synapse.shape[0]):
    resultList.append(
      (synapse[i,:] * delta).sum()
      )
  resultArr = np.array(resultList).reshape(1, synapse.shape[0])
  return resultArr
def getT(delta, layer):
  result = np.dot(layer.T, delta)
  return result
def backPropagation(trainingExamples, etah, input_dim, output_dim, hidden_dim, hidden_num):
  # 可行条件
  if hidden_num < 1:
    print("隐藏层数不得小于1")
    return
  # 初始化网络权重矩阵，这个是核心
  synapseList = []
  # 输入层与隐含层1
  synapseList.append(2*np.random.random((input_dim,hidden_dim)) - 1)
  # 隐含层1与隐含层2, 2->3,,,,,,n-1->n
  for i in range(hidden_num-1):
    synapseList.append(2*np.random.random((hidden_dim,hidden_dim)) - 1)
  # 隐含层n与输出层
  synapseList.append(2*np.random.random((hidden_dim,output_dim)) - 1)
  iCount = 0
  lastErrorMax = 99999
  # while True:
  for i in range(10000):
    errorMax = 0
    for x, y in trainingExamples:
      iCount += 1
      layerList = []
      # 正向传播
      layerList.append(
        sigmoid(np.dot(x,synapseList[0]))
        )
      for j in range(hidden_num):
        layerList.append(
          sigmoid(np.dot(layerList[-1],synapseList[j+1]))
          )
      # 对于网络中的每个输出单元k，计算它的误差项
      deltaList = []
      layerOutputError = y - layerList[-1]
      # 收敛条件
      errorMax = layerOutputError.sum() if layerOutputError.sum() > errorMax else errorMax
      deltaK = sigmoid_output_to_derivative(layerList[-1]) * layerOutputError
      deltaList.append(deltaK)
      iLength = len(synapseList)
      for j in range(hidden_num):
        w = getW(synapseList[iLength - 1 - j], deltaList[j])
        delta = sigmoid_output_to_derivative(layerList[iLength - 2 - j]) * w
        deltaList.append(delta)
      # 更新每个网络权值w(ji)
      for j in range(len(synapseList)-1, 0, -1):
        t = getT(deltaList[iLength - 1 -j], layerList[j-1])
        synapseList[j] = synapseList[j] + etah * t
      t = getT(deltaList[-1], x)
      synapseList[0] = synapseList[0] + etah * t
    print("最大输出误差:")
    print(errorMax)
    if abs(lastErrorMax - errorMax) < 0.0001:
      print("收敛了")
      print("####################")
      break
    lastErrorMax = errorMax
  # 测试训练好的网络
  for i in range(5):
    xTest, yReal = getSinSet()
    layerTmp = sigmoid(np.dot(xTest,synapseList[0]))
    for j in range(1, len(synapseList), 1):
      layerTmp = sigmoid(np.dot(layerTmp,synapseList[j]))
    yTest = layerTmp
    print("x:")
    print(xTest)
    print("实际的y:")
    print(yReal)
    print("神经元网络输出的y:")
    print(yTest)
    print("最终输出误差:")
    print(np.abs(yReal - yTest))
    print("#####################")
  print("迭代次数:")
  print(iCount)
if __name__ == '__main__':
  import datetime
  tStart = datetime.datetime.now()
  # 使用什么样的训练样例
  nameOfSet = "sin"
  x, y = getTrainingSet(nameOfSet)
  # setting of parameters
  # 这里设置了学习速率。
  etah = 0.01
  # 隐藏层数
  hidden_num = 2
  # 网络输入层的大小
  input_dim = x.shape[1]
  # 隐含层的大小
  hidden_dim = 100
  # 输出层的大小
  output_dim = y.shape[1]
  # 构建训练样例
  trainingExamples = []
  for i in range(10000):
    x, y = getTrainingSet(nameOfSet)
    trainingExamples.append((x, y))
  # 开始用反向传播算法训练网络
  backPropagation(trainingExamples, etah, input_dim, output_dim, hidden_dim, hidden_num)
  tEnd = datetime.datetime.now()
  print("time cost:")
  print(tEnd - tStart)

希望本文所述对大家Python程序设计有所帮助。