下面这段代码来自IMPLEMENTING A NEURAL NETWORK FROM SCRATCH IN PYTHON – AN INTRODUCTION中的代码,将上一章节中的BP神经网络实现出来。代码并没有考虑效率,但是代码很容易理解整个BP过程,这里我将我的理解记录下来并分享出来,加深印象。
目录
- BP神经网路回顾
- BP神经网络in python
- 数据
- 神经网路结构
- 神经网络模型
- 预测
- 结果可视化
- 这里使用的所有代码
BP神经网络回顾
我们先看一下单个神经元的结构:
我们在看一下一个这里需要构建的神经网络的结构:
再回顾一下BP误差传播算法:
用数学的形式表示就是:
z1a1z2a2=xW1+b1=tanh(z1)=a1W2+b2=y^=softmax(z2)
其中 x 表示输入向量,
δ3=y^−yδ2=(1−tanh2z1)∘δ3WT2∂L∂W2=aT1δ3∂L∂b2=δ3∂L∂W1=xTδ2∂L∂b1=δ2
BP算法代码in python
数据
def generate_data():
np.random.seed(0)
X, y = datasets.make_moons(200,noise=0.20)
return X, y
这里面使用的是scikit-learn中的函数,产生200个数据,下图是这个图的可视化结果:
神经网络结构
class Config:
nn_input_dim = 2 # 输入的维度
nn_output_dim = 2 # 输出维度
# 梯度下降参数
epsilon = 0.01 # 学习率
reg_lambda = 0.01 # 正则化长度
如网络图所示,这里的网络有2维输入,2维输出,学习步长是0.01(如果这里不懂,可以看一下梯度下降法的原理),正则化长度。
神经网络模型
# 这个function是学习神经网络的参数以及建立模型
# - nn_hdim: 隐藏层的节点数
# - num_passes: 梯度下降法使用的样本数量
def build_model(X, y, nn_hdim, num_passes=20000):
# Initialize the parameters to random values. We need to learn these.
num_examples = len(X)
np.random.seed(0)
W1 = np.random.randn(Config.nn_input_dim, nn_hdim) / np.sqrt(Config.nn_input_dim)
b1 = np.zeros((1, nn_hdim))
W2 = np.random.randn(nn_hdim, Config.nn_output_dim) / np.sqrt(nn_hdim)
b2 = np.zeros((1, Config.nn_output_dim))
# 最后返回的模型,主要就是每一层的参数向量
model = {}
# 梯度下降法
for i in range(0, num_passes):
# 正向传播过程
z1 = X.dot(W1) + b1
a1 = np.tanh(z1)
z2 = a1.dot(W2) + b2
exp_scores = np.exp(z2)
probs = exp_scores / np.sum(exp_scores, axis=1, keepdims=True)
# 误差反向传播过程
delta3 = probs
delta3[range(num_examples), y] -= 1
dW2 = (a1.T).dot(delta3)
db2 = np.sum(delta3, axis=0, keepdims=True)
delta2 = delta3.dot(W2.T) * (1 - np.power(a1, 2))
dW1 = np.dot(X.T, delta2)
db1 = np.sum(delta2, axis=0)
# 添加正则项 (b1 and b2 不需要做正则化)
dW2 += Config.reg_lambda * W2
dW1 += Config.reg_lambda * W1
# 梯度下降参数更新
W1 += -Config.epsilon * dW1
b1 += -Config.epsilon * db1
W2 += -Config.epsilon * dW2
b2 += -Config.epsilon * db2
# 更新模型参数
model = {'W1': W1, 'b1': b1, 'W2': W2, 'b2': b2}
return model
前向传播过程数学表达:
z1a1z2a2=xW1+b1=tanh(z1)=a1W2+b2=y^=softmax(z2)
误差反向传播数学表达:
δ3=y^−yδ2=(1−tanh2z1)∘δ3WT2∂L∂W2=aT1δ3∂L∂b2=δ3∂L∂W1=xTδ2∂L∂b1=δ2
梯度下降更新参数:

这里是整个神经网络的核心的地方,代码的解释我个人觉得使用数学公式表示的更加明了清晰。这段代码中还有将loss值打印出来的函数,我将这段代码删除了,方便代码更加紧凑,更加容易理解。
预测
def predict(model, x):
W1, b1, W2, b2 = model['W1'], model['b1'], model['W2'], model['b2']
# Forward propagation
z1 = x.dot(W1) + b1
a1 = np.tanh(z1)
z2 = a1.dot(W2) + b2
exp_scores = np.exp(z2)
probs = exp_scores / np.sum(exp_scores, axis=1, keepdims=True)
return np.argmax(probs, axis=1)
这里就是一个前向传播过程:
z1a1z2a2=xW1+b1=tanh(z1)=a1W2+b2=y^=softmax(z2)
结果可视化
def visualize(X, y, model):
# plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], s=40, c=y, cmap=plt.cm.Spectral)
# plt.show()
plot_decision_boundary(lambda x:predict(model,x), X, y)
plt.title("Logistic Regression")
def plot_decision_boundary(pred_func, X, y):
# 设置最小最大值并填充
x_min, x_max = X[:, 0].min() - .5, X[:, 0].max() + .5
y_min, y_max = X[:, 1].min() - .5, X[:, 1].max() + .5
h = 0.01
# 生成数据网格
xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, h), np.arange(y_min, y_max, h))
# 预测整个数据网格上的数据
Z = pred_func(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])
Z = Z.reshape(xx.shape)
# 绘制数据点以及边界
plt.contourf(xx, yy, Z, cmap=plt.cm.Spectral)
plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c=y, cmap=plt.cm.Spectral)
plt.show()
将数据点以及边界绘制出来。
运行
def main():
X, y = generate_data()
model = build_model(X, y, 3, print_loss=True)
visualize(X, y, model)
if __name__ == "__main__":
main()
运行结果
这里使用到的所有代码
下面这是这里使用到的所有代码,为了紧凑,删除了一些代码,如果你想看源代码看这里。想看原文看这里
import numpy as np
from sklearn import datasets, linear_model
import matplotlib.pyplot as plt
class Config:
nn_input_dim = 2
nn_output_dim = 2
epsilon = 0.01
reg_lambda = 0.01
def generate_data():
np.random.seed(0)
X, y = datasets.make_moons(200, noise=0.20)
return X, y
def visualize(X, y, model):
plot_decision_boundary(lambda x:predict(model,x), X, y)
plt.title("Logistic Regression")
def plot_decision_boundary(pred_func, X, y):
x_min, x_max = X[:, 0].min() - .5, X[:, 0].max() + .5
y_min, y_max = X[:, 1].min() - .5, X[:, 1].max() + .5
h = 0.01
xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, h), np.arange(y_min, y_max, h))
Z = pred_func(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])
Z = Z.reshape(xx.shape)
plt.contourf(xx, yy, Z, cmap=plt.cm.Spectral)
plt.scatter(X[:, 0], X[:, 1], c=y, cmap=plt.cm.Spectral)
plt.show()
def predict(model, x):
W1, b1, W2, b2 = model['W1'], model['b1'], model['W2'], model['b2']
z1 = x.dot(W1) + b1
a1 = np.tanh(z1)
z2 = a1.dot(W2) + b2
exp_scores = np.exp(z2)
probs = exp_scores / np.sum(exp_scores, axis=1, keepdims=True)
return np.argmax(probs, axis=1)
def build_model(X, y, nn_hdim, num_passes=20000, print_loss=False):
num_examples = len(X)
np.random.seed(0)
W1 = np.random.randn(Config.nn_input_dim, nn_hdim) / np.sqrt(Config.nn_input_dim)
b1 = np.zeros((1, nn_hdim))
W2 = np.random.randn(nn_hdim, Config.nn_output_dim) / np.sqrt(nn_hdim)
b2 = np.zeros((1, Config.nn_output_dim))
model = {}
for i in range(0, num_passes):
z1 = X.dot(W1) + b1
a1 = np.tanh(z1)
z2 = a1.dot(W2) + b2
exp_scores = np.exp(z2)
probs = exp_scores / np.sum(exp_scores, axis=1, keepdims=True)
delta3 = probs
delta3[range(num_examples), y] -= 1
dW2 = (a1.T).dot(delta3)
db2 = np.sum(delta3, axis=0, keepdims=True)
delta2 = delta3.dot(W2.T) * (1 - np.power(a1, 2))
dW1 = np.dot(X.T, delta2)
db1 = np.sum(delta2, axis=0)
dW2 += Config.reg_lambda * W2
dW1 += Config.reg_lambda * W1
W1 += -Config.epsilon * dW1
b1 += -Config.epsilon * db1
W2 += -Config.epsilon * dW2
b2 += -Config.epsilon * db2
model = {'W1': W1, 'b1': b1, 'W2': W2, 'b2': b2}
return model
def main():
X, y = generate_data()
model = build_model(X, y, 3)
visualize(X, y, model)
if __name__ == "__main__":
main()