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切片用法实例教程
Sep 08 Python
python连接oracle数据库实例
Oct 17 Python
python matplotlib画图实例代码分享
Dec 27 Python
python版微信跳一跳游戏辅助
Jan 11 Python
详谈pandas中agg函数和apply函数的区别
Apr 20 Python
Python matplotlib以日期为x轴作图代码实例
Nov 22 Python
python不到50行代码完成了多张excel合并的实现示例
May 28 Python
Python脚本如何在bilibili中查找弹幕发送者
Jun 04 Python
python 利用openpyxl读取Excel表格中指定的行或列教程
Feb 06 Python
python字符串常规操作大全
May 02 Python
Python pandas求方差和标准差的方法实例
Aug 04 Python
python使用matplotlib绘制图片时x轴的刻度处理
Aug 30 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
用php实现百度网盘图片直链的代码分享
2012/11/01 PHP
更改localhost为其他名字的方法
2014/02/10 PHP
php数据序列化测试实例详解
2017/08/12 PHP
PHP crypt()函数的用法讲解
2019/02/15 PHP
thinkPHP+LayUI 流加载实现功能
2019/09/27 PHP
Jquery对数组的操作技巧整理
2014/03/25 Javascript
JavaScript中Textarea滚动条不能拖动的解决方法
2015/12/15 Javascript
基于JQuery实现分隔条的功能
2016/06/17 Javascript
详解ES6中的let命令
2020/04/05 Javascript
Bootstrap基本样式学习笔记之表格(2)
2016/12/07 Javascript
bootstrap栅格系统示例代码分享
2017/05/22 Javascript
微信小程序使用wx.request请求服务器json数据并渲染到页面操作示例
2019/03/30 Javascript
Javascript中window.name属性详解
2020/11/19 Javascript
python使用sorted函数对列表进行排序的方法
2015/04/04 Python
Python实现控制台输入密码的方法
2015/05/29 Python
Python读取指定目录下指定后缀文件并保存为docx
2017/04/23 Python
Python实现对字符串的加密解密方法示例
2017/04/29 Python
Python使用修饰器执行函数的参数检查功能示例
2017/09/26 Python
Python 生成 -1~1 之间的随机数矩阵方法
2018/08/04 Python
python自定义函数实现一个数的三次方计算方法
2019/01/20 Python
使用Template格式化Python字符串的方法
2019/01/22 Python
PYQT5设置textEdit自动滚屏的方法
2019/06/14 Python
Python 通过微信控制实现app定位发送到个人服务器再转发微信服务器接收位置信息
2019/08/05 Python
Pytorch上下采样函数--interpolate用法
2020/07/07 Python
HTML5通过调用canvas对象的getContext()方法来获取绘图环境
2014/06/23 HTML / CSS
localStorage的过期时间设置的方法详解
2018/11/26 HTML / CSS
澳大利亚冒险体验:Adrenaline(跳伞、V8赛车、热气球等)
2017/09/18 全球购物
Christys’ Hats官网:英国帽子制造商
2018/11/28 全球购物
校长岗位职责
2013/11/26 职场文书
关于是否需要写商业计划书
2014/02/07 职场文书
人事专员岗位职责范本
2014/03/04 职场文书
物理学专业自荐信
2014/06/11 职场文书
2014最新离职证明范本
2014/09/12 职场文书
学位证书委托书
2014/09/30 职场文书
2014年企业工会工作总结
2014/11/12 职场文书
特种设备安全管理制度
2015/08/06 职场文书