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教你使用Python建立任意层数的深度神经网络

时间:2022-05-02 10:40:44 | 栏目:Python代码 | 点击:

一、神经网络介绍:

  神经网络算法参考人的神经元原理(轴突、树突、神经核),在很多神经元基础上构建神经网络模型,每个神经元可看作一个个学习单元。这些神经元采纳一定的特征作为输入,根据自身的模型得到输出。

图1 神经网络构造的例子(符号说明:上标[l]表示与第l层;上标(i)表示第i个例子;下标i表示矢量第i项)

图2 单层神经网络示例

神经元模型是先计算一个线性函数(z=Wx+b),接着再计算一个激活函数。一般来说,神经元模型的输出值是a=g(Wx+b),其中g是激活函数(sigmoid,tanh, ReLU, …)。

二、数据集

假设有一个很大的数据库,里面记录了很多天气数据,例如,气温、湿度、气压和降雨率。

问题陈述:

一组训练数据m_train,下雨标记为(1),不下雨标记为(0)。

一个测试数据组m_test,标记是否下雨。

每一个天气数据包含x1=气温,x2=湿度,x3=气压。

机器学习中一个常见的预处理步骤是将数据集居中并标准化,这意味着从每个示例中减去整个numpy数组的平均值,然后将每个示例除以整个numpy数组的标准偏差。

  通用方法(建立部分算法)

  使用深度学习来建造模型

  1. 定义模型构造(例如,数据的输入特征)

  2. 初始化参数并定义超参数(迭代次数、在神经网络中的L层的层数、隐藏层大小、学习率α)

  3. 迭代循环(正向传播(计算电流损耗)、计算成本函数、反向传播(计算电流损耗)、升级参数(使用背景参数和梯度))

  4. 使用训练参数来预测标签(初始化)

更深层次的L-层神经网络的初始化更为复杂,因为有更多的权重矩阵和偏置向量。下表展示了不同结构的各种层级。

表1 L层的权重矩阵w、偏置向量b和激活函数z

表2 示例架构中的神经网络权重矩阵w、偏置向量b和激活函数z

表2帮助我们为图1中的示例神经网络架构的矩阵准备了正确的维度。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
nn_architecture = [
{"layer_size": 4,"activation": "none"}, # input layer
{"layer_size": 5,"activation": "relu"},
{"layer_size": 4,"activation": "relu"},
{"layer_size": 3,"activation": "relu"},
{"layer_size": 1,"activation": "sigmoid"}
]
def initialize_parameters(nn_architecture, seed = 3):
np.random.seed(seed)
# python dictionary containingour parameters "W1", "b1", ..., "WL","bL"
parameters = {}
number_of_layers = len(nn_architecture)
for l in range(1,number_of_layers):
parameters['W' + str(l)] =np.random.randn(
nn_architecture[l]["layer_size"],
nn_architecture[l-1]["layer_size"]
) * 0.01
parameters['b' + str(l)] =np.zeros((nn_architecture[l]["layer_size"], 1))
return parameters

代码段1 参数初始化

  使用小随机数初始化参数是一种简单的方法,但同时也保证算法的起始值足够好。

记住:

三、激活函数

  激活函数的作用是为了增加神经网络的非线性。下例将使用sigmoid and ReLU。

  Sigmoid输出一个介于0和1之间的值,这使得它成为二进制分类的一个很好的选择。如果输出小于0.5,可以将其分类为0;如果输出大于0.5,可以将其分类为1。

def sigmoid(Z):
    S = 1 / (1 + np.exp(-Z))
    return S

def relu(Z):
    R = np.maximum(0, Z)
    return R

def sigmoid_backward(dA, Z):
    S = sigmoid(Z)
    dS = S * (1 - S)
    return dA * dS

def relu_backward(dA, Z):
    dZ = np.array(dA, copy=True)
    dZ[Z <= 0] = 0
    return dZ

  代码段2 Sigmoid和ReLU激活函数,及其衍生物

  在代码段2中,可以看到激活函数及其派生的矢量化编程实现。该代码将用于进一步的计算。

四、正向传播

  在正向传播中,在层l的正向函数中,需要知道该层中的激活函数是哪一种(sigmoid、tanh、ReLU等)。前一层的输出值为这一层的输入值,先计算z,再用选定的激活函数计算。

图3 神经网络的正向传播

线性正向模块(对所有示例进行矢量化)计算以下方程式:

方程式1 线性正向函数

def L_model_forward(X, parameters, nn_architecture):
    forward_cache = {}
    A = X
    number_of_layers = len(nn_architecture)
    
for l in range(1, number_of_layers):
    A_prev = A
    W = parameters['W' + str(l)]
    b = parameters['b' + str(l)]
    activation = nn_architecture[l]["activation"]
    Z, A = linear_activation_forward(A_prev, W, b, activation)
    forward_cache['Z' + str(l)] = Z
    forward_cache['A' + str(l)] = A
    AL = A
return AL, forward_cache

def linear_activation_forward(A_prev, W, b, activation):
    if activation == "sigmoid":
        Z = linear_forward(A_prev, W, b)
        A = sigmoid(Z)
    elif activation == "relu":
        Z = linear_forward(A_prev, W, b)
        A = relu(Z)
    return Z, A

def linear_forward(A, W, b):
    Z = np.dot(W, A) + b
    return Z

代码段3 正向传播模型

使用“cache”(python字典包含为特定层所计算的a和z值)以在正向传播至相应的反向传播期间传递变量。它包含用于反向传播计算导数的有用值。

五、损失函数

  为了管程学习过程,需要计算代价函数的值。下面的公式用于计算成本。

  方程式2 交叉熵成本

def compute_cost(AL, Y):
    m = Y.shape[1]
    # Compute loss from AL and y
    logprobs = np.multiply(np.log(AL), Y) + np.multiply(1 - Y, np.log(1 - AL))
    # cross-entropy cost
    cost = - np.sum(logprobs) / m
    cost = np.squeeze(cost)
    return cost

代码段4 代价函数的计算

六、反向传播

  反向传播用于计算参数的损失函数梯度。该算法是由微分学中已知的“链规则”递归使用的。

  反向传播计算中使用的公式:

方程式3 反向传播计算公式

  链式法则是计算复合函数导数的公式。复合函数就是函数套函数。

方程式4 链规则示例

  “链规则”在计算损失时十分重要(以方程式5为例)。

方程式5 损失函数(含替换数据)及其相对于第一权重的导数

  神经网络模型反向传播的第一步是计算最后一层损失函数相对于z的导数。方程式6由两部分组成:方程式2损失函数的导数(关于激活函数)和激活函数“sigmoid”关于最后一层Z的导数。

方程式6 从4层对z的损失函数导数

  方程式6的结果可用于计算方程式3的导数。

方程式7 损失函数相对于3层的导数

  在进一步计算中,使用了与第三层激活函数有关的损失函数的导数(方程式7)。

方程式8 第三层的导数

方程式7的结果和第三层活化函数“relu”的导数用于计算方程式8的导数(损失函数相对于z的导数)。然后,我们对方程式3进行了计算。

我们对方程9和10做了类似的计算。

方程式9 第二层的导数

方程式10 第一层的导数

七、总体思路

从第一层层对z的损失函数导数有助于计算(L-1)层(上一层)对损失函数的导数。结果将用于计算激活函数的导数。

图4 神经网络的反向传播

def L_model_backward(AL, Y, parameters, forward_cache, nn_architecture):
    grads = {}
    number_of_layers =len(nn_architecture)
    m = AL.shape[1]
    Y = Y.reshape(AL.shape) # afterthis line, Y is the same shape as AL
    # Initializing thebackpropagation
    dAL = - (np.divide(Y, AL) -np.divide(1 - Y, 1 - AL))
    dA_prev = dAL
    for l in reversed(range(1,number_of_layers)):
        dA_curr = dA_prev
        activation =nn_architecture[l]["activation"]
        W_curr = parameters['W' +str(l)]
        Z_curr = forward_cache['Z' +str(l)]
        A_prev = forward_cache['A' +str(l-1)]
        dA_prev, dW_curr, db_curr =linear_activation_backward(dA_curr, Z_curr, A_prev, W_curr, activation)
        grads["dW" +str(l)] = dW_curr
        grads["db" +str(l)] = db_curr
    return grads
def linear_activation_backward(dA, Z, A_prev, W, activation):
    if activation =="relu":
        dZ = relu_backward(dA, Z)
        dA_prev, dW, db =linear_backward(dZ, A_prev, W)
    elif activation =="sigmoid":
        dZ = sigmoid_backward(dA, Z)
        dA_prev, dW, db =linear_backward(dZ, A_prev, W)
    return dA_prev, dW, db
def linear_backward(dZ, A_prev, W):
    m = A_prev.shape[1]
    dW = np.dot(dZ, A_prev.T) / m
    db = np.sum(dZ, axis=1,keepdims=True) / m
    dA_prev = np.dot(W.T, dZ)
    return dA_prev, dW, db

代码段5 反向传播模块

更新参数

  该函数的目标是通过梯度优化来更新模型的参数。

def update_parameters(parameters, grads, learning_rate):
    L = len(parameters)
    for l in range(1, L):
        parameters["W" +str(l)] = parameters["W" + str(l)] - learning_rate *grads["dW" + str(l)]
        parameters["b" +str(l)] = parameters["b" + str(l)] - learning_rate *grads["db" + str(l)]
    return parameters

全模型

神经网络模型的完整实现包括在片段中提供的方法。

def L_layer_model(X, Y, nn_architecture, learning_rate = 0.0075,num_iterations = 3000, print_cost=False):
    np.random.seed(1)
    # keep track of cost
    costs = []
    # Parameters initialization.
    parameters =initialize_parameters(nn_architecture)
    # Loop (gradient descent)
    for i in range(0,num_iterations):
    # Forward propagation:[LINEAR -> RELU]*(L-1) -> LINEAR -> SIGMOID.
        AL, forward_cache =L_model_forward(X, parameters, nn_architecture)
        # Compute cost.
        cost = compute_cost(AL, Y)
        # Backward propagation.
        grads = L_model_backward(AL,Y, parameters, forward_cache, nn_architecture)
        # Update parameters.
        parameters =update_parameters(parameters, grads, learning_rate)
        # Print the cost every 100training example
        if print_cost and i % 100 ==0:
            print("Cost afteriteration %i: %f" %(i, cost))
            costs.append(cost)
            # plot the cost
    plt.plot(np.squeeze(costs))
    plt.ylabel('cost')
    plt.xlabel('iterations (pertens)')
    plt.title("Learning rate=" + str(learning_rate))
    plt.show()
    return parameters

代码段7 整个神经网络模型

只需要将已知的权重和系列测试数据,应用于正向传播模型,就能预测结果。

  可以修改snippet1中的nn_架构,以构建具有不同层数和隐藏层大小的神经网络。此外,准备正确实现激活函数及其派生函数(代码段2)。所实现的函数可用于修改代码段3中的线性正向激活方法和代码段5中的线性反向激活方法。

进一步改进

  如果训练数据集不够大,则可能面临“过度拟合”问题。这意味着所学的网络不会概括为它从未见过的新例子。可以使用正则化方法,如L2规范化(它包括适当地修改成本函数)或退出(它在每次迭代中随机关闭一些感知机)。

  我们使用梯度下降来更新参数和最小化成本。你可以学习更多高级优化方法,这些方法可以加快学习速度,甚至可以为成本函数提供更好的最终价值,例如:

参考:http://www.uml.org.cn/ai/201911251.asp

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