数据分析及应用 | 从0到1实现神经网络（Python）

双木的木

于 2024-11-18 17:07:35 发布

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分类专栏：深度学习拓展阅读动手学习-项目类文章标签：数据分析神经网络 python 深度学习人工智能数据挖掘图像处理

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本文来源公众号“数据分析及应用”，仅用于学术分享，侵权删，干货满满。

原文链接：从0到1实现神经网络（Python）

有个事情可能会让初学者惊讶：神经网络模型并不复杂！『神经网络』这个词让人觉得很高大上，但实际上神经网络算法要比人们想象的简单。

这篇文章完全是为新手准备的。我们会通过用Python从头实现一个神经网络来理解神经网络的原理。本文的脉络是：

介绍了神经网络的基本结构——神经元；
在神经元中使用S型激活函数；
神经网络就是连接在一起的神经元；
构建了一个数据集，输入（或特征）是体重和身高，输出（或标签）是性别；
学习了损失函数和均方差损失；
训练网络就是最小化其损失；
用反向传播方法计算偏导；
用随机梯度下降法训练网络。

砖块：神经元

首先让我们看看神经网络的基本单位，神经元。神经元接受输入，对其做一些数据操作，然后产生输出。例如，这是一个2-输入神经元：

激活函数的用途是将一个无边界的输入，转变成一个可预测的形式。常用的激活函数就就是S型函数：

S型函数的值域是(0, 1)。简单来说，就是把(−∞, +∞)压缩到(0, 1) ，很大的负数约等于0，很大的正数约等于1。

一个简单的例子

当输入是[2, 3]时，这个神经元的输出是0.999。给定输入，得到输出的过程被称为前馈（feedforward）。

编码一个神经元

让我们来实现一个神经元！用Python的NumPy库来完成其中的数学计算：

import numpy as np

def sigmoid(x):
  # 我们的激活函数: f(x) = 1 / (1 + e^(-x))
  return 1 / (1 + np.exp(-x))

class Neuron:
  def __init__(self, weights, bias):
    self.weights = weights
    self.bias = bias

  def feedforward(self, inputs):
    # 加权输入，加入偏置，然后使用激活函数
    total = np.dot(self.weights, inputs) + self.bias
    return sigmoid(total)

weights = np.array([0, 1]) # w1 = 0, w2 = 1
bias = 4                   # b = 4
n = Neuron(weights, bias)

x = np.array([2, 3])       # x1 = 2, x2 = 3
print(n.feedforward(x))    # 0.9990889488055994

还记得这个数字吗？就是我们前面算出来的例子中的0.999。