神经网络实现fizzbuzz小游戏

目录

一、分步骤

1、输入输出

2、模型定义

3、测试

二、总代码

1、训练阶段

2、测试阶段

---

FizzBuzz是一个简单的小游戏，从1开始往上数数，当遇到3的倍数的时候，说fizz,当遇到5的倍数的时候说buzz，当遇到15的倍数的时候说fizzbuzz,其他情况则正常数数。 写一个简答的小程序决定返回的是正常数值还是fizz、buzz、fizzbuzz。

一、分步骤

1、输入输出

（1）输入：

将输入数据变为10位的2进制编码（二进制编码好训练），一共可以训练1024个数，取[1,101)为测试集，[101,1024)为训练集。

需要的函数即为将输入数据变成10位二进制编码：

import numpy as np
num_digits=10
def binary_encode(i,num_digital):
    return np.array([i >> d & 1 for d in range(num_digital)][::-1])#i每次循环右移d位，并和1相与，最后的编码逆序输出即可

（2）输出：

输出通常为一个数字，即可以把输出定义为：0：输出数据本身，1：输出fizz，2：输出buzz，3：输出fizzbuzz

需要定义一个将每个数字的编码函数，对真实的结果进行编码，以便和模型输出相比较

另还要定义一个解码函数，对模型的预测结果进行解码，将0，1，2，3解码为正确的数字或者英文

import numpy as np
import torch
#先看模型输入和输出，输入是101-1024之间的数，然后对其进行二进制编码训练，所以每个输入数据的维度是10。每个数据真实输出0，1，2，3这几个数（输出编码），输出维度是4，然后对输出进行解码
#模型训练的是数值型的数，所以把正常数值记为0，fizz记为1，buzzj记为2，fizzbuzz记为3，对fizzbuzz进行编码，输入的数据和最后的预测值都为0，1，2，3
def fizzbuzz_encode(i):
    if i%15==0: return 3
    elif i%5==0: return 2
    elif i%3==0: return 1
    else :return 0

#解码，对最后的预测值进行解码，将0，1，2，3解码成正常数值、fizz、buzz、fizzbuzz
def fizzbuzz_decode(i,prediction):
    return [str(i),"fizz","buzz","fizzbuzz"][prediction]

（3）测试集：

输入：输入是[101,1024)的一个tensor，并变为2进制，为923*10的tensor

真实结果：真实结果是输入的923个数据的编码，为0，1，2，3，是4维的，为923*4的tensor。应该定义为torch.LongTensor类型 ，因为编码后的是0，1，2，3的整数，一般tensor的float32类型的数据

中间隐藏层：Hidden=100(923*100）维的数据

trX=torch.Tensor([binary_encode(i,num_digits) for i in range(101,2**num_digits)])
trY=torch.LongTensor([fizzbuzz_encode(i) for i in range(101,2**num_digits)])

2、模型定义

#模型架构
model=torch.nn.Sequential(
        torch.nn.Linear(num_digits,Hidden,bias=False),
        torch.nn.ReLu(),
        torch.nn.Linear(Hidden,4,bias=False)
)
#损失函数，CrossEntropyLoss()本质是拟合/判断两种分布的相似度有多高，返回4个logits，softmax之后，可以得到个四分类的概率分布，有四种类别
loss_fn=torch.nn.CrossEntropyLoss()
#优化函数
optimizer=torch.optim.Adam(model.parameters(),lr=0.05)
#循环迭代10000次,分批次训练，每批128个数据
batch_size=128
for epoch in range(10000):
    for start in range(101,2**num_digits,batch_size)
        end=start+batch_size
        #取出本批次的batchX和batchY
        batchX=trX[start:end]
        batchY=trY[start:end]
        #前向传播
        y_pred=model(y)
        #loss计算
        loss=loss_fn(y_pred,batchY)
        print("Epoch",epoch,loss)
        #梯度清零
        optimizer.zero_grad()
        #反向传播
        loss.backward()
        #参数优化
        optimizer.step()

3、测试

 

#定义输入和真实结果tensor
testX=torch.Tensor([binary_encode(i,num_digits) for i in range(1,101)]
with torch.no_grad():
    #结果预测及解码输出
    y=model(testX)
    prediction=zip(range(1,101),y.max(1)[1].data.tolist())
    print([fizzbuzz_decode(i,x) for i,x in prediction])

二、总代码

1、训练阶段

import numpy as np
import torch
#先看模型输入和输出，输入是101-1024之间的数，然后对其进行二进制编码训练，所以每个输入数据的维度是10。每个数据真实输出0，1，2，3这几个数（输出编码），输出维度是4，然后对输出进行解码
#模型训练的是数值型的数，所以把正常数值记为0，fizz记为1，buzzj记为2，fizzbuzz记为3，对fizzbuzz进行编码，输入的数据和最后的预测值都为0，1，2，3
def fizzbuzz_encode(i):
    if i%15==0: return 3
    elif i%5==0: return 2
    elif i%3==0: return 1
    else :return 0

#解码，对最后的预测值进行解码，将0，1，2，3解码成正常数值、fizz、buzz、fizzbuzz
def fizzbuzz_decode(i,prediction):
    return [str(i),"fizz","buzz","fizzbuzz"][prediction]
#测试编码解码效果
#for i in range(1,12):
     #print(fizzbuzz_decode(i,fizzbuzz_encode(i)))

#定义模型的输入与输出（训练数据），本次模型使用2进制进行编码，一共训练1024个数，则需10位数表
num_digits=10
def binary_encode(i,num_digital):
    return np.array([i >> d & 1 for d in range(num_digital)][::-1])
#定义输入数据,从[101,1024),x是float32输进去没问题，但y只能是0，1，2，3这几个整数，类型改为LongTensor
trX=torch.Tensor([binary_encode(i,num_digits) for i in range(101,2**num_digits)])
trY=torch.LongTensor([fizzbuzz_encode(i) for i in range(101,2**num_digits)])

#输入是923*10的矩阵，输出是923*1的矩阵,矩阵有四个数据表示，代表4维
num_hidden=100
model=torch.nn.Sequential(
    torch.nn.Linear(num_digits,num_hidden,bias=False),
    torch.nn.ReLU (),
    torch.nn.Linear(num_hidden,4)
)
loss_fn=torch.nn.CrossEntropyLoss()#本质是拟合/判断两种分布的相似度有多高，返回4个logits，softmax之后，可以得到个四分类的概率分布，有四种类别
optimizer=torch.optim.Adam(model.parameters(),lr=0.05)
batch_size=128
for epoch in range(10000):
    for start in range(101,len(trX),batch_size):
        end=start+batch_size
        batchX=trX[start:end]
        batchY=trY[start:end]
        #if torch.cuda.is_available():
            #batchX=batchX.cuda()
            #batchY=batchY.cuda()
        y_pred=model(batchX)
        loss=loss_fn(y_pred,batchY)
        print("epoch:",epoch,loss.item())
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()

2、测试阶段

testX=torch.Tensor([binary_encode(i,num_digits) for i in range(1,101)])
with torch.no_grad():
    #testX是100*10的矩阵.testY是100*4的矩阵
    testY=model(testX)
    #testY是一个100*4的矩阵，在0，1，2，3的每个维度上都会有一个概率输出，取概率最大的那个数据，并fizzbuzz_decode.testY.max(1)取出第一个维度上最大的那个数，但是包含两个tensor,第一个是最大的那个值，第二个是在那个位置上取到的，所以只要取出第一个tensor即可
    prediction=zip(range(1,101 ),testY.max(1)[1].data.tolist())
    print([fizzbuzz_decode(i,x) for i,x in prediction])