1.简单介绍
在机器学习和认知科学领域,人工神经网络(artificial neural network,缩写ANN),简称神经网络(neural network,缩写NN)或类神经网络,是一种模仿生物神经网络(动物的中枢神经系统,特别是大脑)的结构和功能的数学模型或计算模型,用于对函数进行估计或近似。神经网络由大量的人工神经元联结进行计算。大多数情况下人工神经网络能在外界信息的基础上改变内部结构,是一种自适应系统。现代神经网络是一种非线性统计性数据建模工具。典型的神经网络具有以下三个部分:
结构 (Architecture) 结构指定了网络中的变量和它们的拓扑关系。例如,神经网络中的变量可以是神经元连接的权重(weights)和神经元的激励值(activities of the neurons)。
激励函数(Activity Rule) 大部分神经网络模型具有一个短时间尺度的动力学规则,来定义神经元如何根据其他神经元的活动来改变自己的激励值。一般激励函数依赖于网络中的权重(即该网络的参数)。
学习规则(Learning Rule)学习规则指定了网络中的权重如何随着时间推进而调整。这一般被看做是一种长时间尺度的动力学规则。一般情况下,学习规则依赖于神经元的激励值。它也可能依赖于监督者提供的目标值和当前权重的值。
2.初识神经网络
如上文所说,神经网络主要包括三个部分:结构、激励函数、学习规则。图1是一个三层的神经网络,输入层有d个节点,隐层有q个节点,输出层有l个节点。除了输入层,每一层的节点都包含一个非线性变换。
图1
那么为什么要进行非线性变换呢?
(1)如果只进行线性变换,那么即使是多层的神经网络,依然只有一层的效果。类似于0.6*(0.2x1+0.3x2)=0.12x1+0.18x2。
(2)进行非线性变化,可以使得神经网络可以拟合任意一个函数,图2是一个四层网络的图。
图2
下面使用数学公式描述每一个神经元工作的方式
(1)输出x
(2)计算z=w*x
(3)输出new_x = f(z),这里的f是一个函数,可以是sigmoid、tanh、relu等,f就是上文所说到的激励函数。
3.反向传播(bp)算法
有了上面的网络结构和激励函数之后,这个网络是如何学习参数(学习规则)的呢?
首先我们先定义下本文使用的激活函数、目标函数
def sigmoid(z): return 1.0/(1.0+np.exp(-z))
sigmoid函数有一个十分重要的性质:,即计算导数十分方便。
def sigmoid_prime(z): return sigmoid(z)*(1-sigmoid(z))
(2)目标函数(差的平方和),公式中的1/2是为了计算导数方便。
然后,这个网络是如何运作的
(1)数据从输入层到输出层,经过各种非线性变换的过程即前向传播。
def feedforward(self, a): for b, w in zip(self.biases, self.weights): a = sigmoid(np.dot(w, a)+b) return a
其中,初始的权重(w)和偏置(b)是随机赋值的
biases = [np.random.randn(y, 1) for y in sizes[1:]] weights = [np.random.randn(y, x) for x, y in zip(sizes[:-1], sizes[1:])]
(2)参数更新,即反向传播
在写代码之前,先进行推导,即利用梯度下降更新参数,以上面的网络结构(图1)为例
(1)输出层与隐层之间的参数更新
(2)隐层与输入层之间的参数更新
有两点需要强调下:
(2)中的结果比(1)中的结果多了一个求和公式,这是因为计算隐层与输入层之间的参数时,输出层与隐层的每一个节点都有影响。
(2)中参数更新的结果可以复用(1)中的参数更新结果,从某种程度上,与反向传播这个算法名称不谋而合,不得不惊叹。
def backprop(self, x, y): """返回一个元组(nabla_b, nabla_w)代表目标函数的梯度.""" nabla_b = [np.zeros(b.shape) for b in self.biases] nabla_w = [np.zeros(w.shape) for w in self.weights] # feedforward activation = x activations = [x] # list to store all the activations, layer by layer zs = [] # list to store all the z vectors, layer by layer for b, w in zip(self.biases, self.weights): z = np.dot(w, activation)+b zs.append(z) activation = sigmoid(z) activations.append(activation) # backward pass delta = self.cost_derivative(activations[-1], y) * sigmoid_prime(zs[-1]) nabla_b[-1] = delta nabla_w[-1] = np.dot(delta, activations[-2].transpose()) """l = 1 表示最后一层神经元,l = 2 是倒数第二层神经元, 依此类推.""" for l in xrange(2, self.num_layers): z = zs[-l] sp = sigmoid_prime(z) delta = np.dot(self.weights[-l+1].transpose(), delta) * sp nabla_b[-l] = delta nabla_w[-l] = np.dot(delta, activations[-l-1].transpose()) return (nabla_b, nabla_w)
4.完整代码实现
# -*- coding: utf-8 -*- import random import numpy as np class Network(object): def __init__(self, sizes): """参数sizes表示每一层神经元的个数,如[2,3,1],表示第一层有2个神经元,第二层有3个神经元,第三层有1个神经元.""" self.num_layers = len(sizes) self.sizes = sizes self.biases = [np.random.randn(y, 1) for y in sizes[1:]] self.weights = [np.random.randn(y, x) for x, y in zip(sizes[:-1], sizes[1:])] def feedforward(self, a): """前向传播""" for b, w in zip(self.biases, self.weights): a = sigmoid(np.dot(w, a)+b) return a def SGD(self, training_data, epochs, mini_batch_size, eta, test_data=None): """随机梯度下降""" if test_data: n_test = len(test_data) n = len(training_data) for j in xrange(epochs): random.shuffle(training_data) mini_batches = [ training_data[k:k+mini_batch_size] for k in xrange(0, n, mini_batch_size)] for mini_batch in mini_batches: self.update_mini_batch(mini_batch, eta) if test_data: print "Epoch {0}: {1} / {2}".format(j, self.evaluate(test_data), n_test) else: print "Epoch {0} complete".format(j) def update_mini_batch(self, mini_batch, eta): """使用后向传播算法进行参数更新.mini_batch是一个元组(x, y)的列表、eta是学习速率""" nabla_b = [np.zeros(b.shape) for b in self.biases] nabla_w = [np.zeros(w.shape) for w in self.weights] for x, y in mini_batch: delta_nabla_b, delta_nabla_w = self.backprop(x, y) nabla_b = [nb+dnb for nb, dnb in zip(nabla_b, delta_nabla_b)] nabla_w = [nw+dnw for nw, dnw in zip(nabla_w, delta_nabla_w)] self.weights = [w-(eta/len(mini_batch))*nw for w, nw in zip(self.weights, nabla_w)] self.biases = [b-(eta/len(mini_batch))*nb for b, nb in zip(self.biases, nabla_b)] def backprop(self, x, y): """返回一个元组(nabla_b, nabla_w)代表目标函数的梯度.""" nabla_b = [np.zeros(b.shape) for b in self.biases] nabla_w = [np.zeros(w.shape) for w in self.weights] # 前向传播 activation = x activations = [x] # list to store all the activations, layer by layer zs = [] # list to store all the z vectors, layer by layer for b, w in zip(self.biases, self.weights): z = np.dot(w, activation)+b zs.append(z) activation = sigmoid(z) activations.append(activation) # backward pass delta = self.cost_derivative(activations[-1], y) * sigmoid_prime(zs[-1]) nabla_b[-1] = delta nabla_w[-1] = np.dot(delta, activations[-2].transpose()) """l = 1 表示最后一层神经元,l = 2 是倒数第二层神经元, 依此类推.""" for l in xrange(2, self.num_layers): z = zs[-l] sp = sigmoid_prime(z) delta = np.dot(self.weights[-l+1].transpose(), delta) * sp nabla_b[-l] = delta nabla_w[-l] = np.dot(delta, activations[-l-1].transpose()) return (nabla_b, nabla_w) def evaluate(self, test_data): """返回分类正确的个数""" test_results = [(np.argmax(self.feedforward(x)), y) for (x, y) in test_data] return sum(int(x == y) for (x, y) in test_results) def cost_derivative(self, output_activations, y): return (output_activations-y) def sigmoid(z): return 1.0/(1.0+np.exp(-z)) def sigmoid_prime(z): """sigmoid函数的导数""" return sigmoid(z)*(1-sigmoid(z))
5.简单应用
# -*- coding: utf-8 -*- from network import * def vectorized_result(j,nclass): """离散数据进行one-hot""" e = np.zeros((nclass, 1)) e[j] = 1.0 return e def get_format_data(X,y,isTest): ndim = X.shape[1] nclass = len(np.unique(y)) inputs = [np.reshape(x, (ndim, 1)) for x in X] if not isTest: results = [vectorized_result(y,nclass) for y in y] else: results = y data = zip(inputs, results) return data #随机生成数据 from sklearn.datasets import * np.random.seed(0) X, y = make_moons(200, noise=0.20) ndim = X.shape[1] nclass = len(np.unique(y)) #划分训练、测试集 from sklearn.cross_validation import train_test_split train_x,test_x,train_y,test_y = train_test_split(X,y,test_size=0.2,random_state=0) training_data = get_format_data(train_x,train_y,False) test_data = get_format_data(test_x,test_y,True) net = Network(sizes=[ndim,10,nclass]) net.SGD(training_data=training_data,epochs=5,mini_batch_size=10,eta=0.1,test_data=test_data)
参考文献
(1)周志华《机器学习》
(2)https://github.com/mnielsen/neural-networks-and-deep-learning
(3)https://zhuanlan.zhihu.com/p/21525237
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。
神经网络
稳了!魔兽国服回归的3条重磅消息!官宣时间再确认!
昨天有一位朋友在大神群里分享,自己亚服账号被封号之后居然弹出了国服的封号信息对话框。
这里面让他访问的是一个国服的战网网址,com.cn和后面的zh都非常明白地表明这就是国服战网。
而他在复制这个网址并且进行登录之后,确实是网易的网址,也就是我们熟悉的停服之后国服发布的暴雪游戏产品运营到期开放退款的说明。这是一件比较奇怪的事情,因为以前都没有出现这样的情况,现在突然提示跳转到国服战网的网址,是不是说明了简体中文客户端已经开始进行更新了呢?
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