BP神經網路的Python實現
import numpy as np
class BPNetWork(object):
"""
全連線神經網路,採用BP演算法訓練。
"""
def __init__(self, layers, act_func='tanh'):
"""
:param layers: 神經網路的結構
:param act_func: 激勵函式
輸入樣例:
ann = BPNN((2, 3, 1))
表示一個輸入層,一個隱含層,一個輸出層,輸入層有2個結點,
隱含層有3個結點,輸出層有1個結點
ann = BPNN((2, 3, 3, 1))
表示一個輸入層,二個隱含層,一個輸出層,輸入層有2個結點,
第一層隱含層有3個結點,第二層隱含層有3個結點,輸出層有1個結點
"""
# 初始化神經元的值
self.networks = []
# 初始化神經元權重
self.weights = []
for i in range(len(layers) - 1):
weight = 2 * np.random.random((layers[i], layers[i + 1])) - 1
network = [1.0] * layers[i]
self.networks.append(network)
self.weights.append(weight)
self.networks.append([1.0 ] * layers[-1])
self.networks = np.array(self.networks)
# 初始化神經元閾值
self.thresholds = []
for i in range(1, len(layers)):
threshold = 2 * np.random.random(layers[i]) - 1
self.thresholds.append(threshold)
# 選擇激勵函式和它的導函式
if act_func == 'tanh' :
self.act_func = self.tanh
self.dact_func = self.dthanh
else:
self.act_func = self.sigmoid
self.dact_func = self.dsigmoid
def sigmoid(self, x):
return 1 / (1 + np.exp(-x))
def dsigmoid(self, x):
return self.sigmoid(x) * (1 - self.sigmoid(x))
def tanh(self, x):
return np.tanh(x)
def dthanh(self, x):
return 1.0 - np.tanh(x) ** 2
def fit(self, train_x, train_y, epochs, learn_rate):
'''
:param train_x: 訓練集X
:param train_y: 訓練集Y
:param epochs: 迭代次數
:param learn_rate: 學習率,步長
:return: None
擬合神經網路
'''
for i in range(epochs):
i = np.random.randint(train_x.shape[0], high=None)
self.update(train_x[i])
self.back_propagate(train_y[i], learn_rate)
def predict(self, test_x):
'''
:param test_x: 測試集合
:return: 預測值
'''
self.update(test_x)
return self.networks[-1].copy()
def update(self, inputs):
'''
:param inputs: X的輸入值
:return: None
更新一次神經元的值
'''
self.networks[0] = inputs.copy()
for i in range(len(self.weights)):
count = np.dot(self.networks[i], self.weights[i]) - self.thresholds[i]
self.networks[i + 1] = self.act_func(count)
def back_propagate(self, y, rate):
'''
:param y: target
:param rate: 學習率
:return: None
BP演算法,對神經網路的權值和閾值進行更新
'''
errors = y - self.networks[-1]
gradients = [self.dact_func(self.networks[-1]) * errors]
self.thresholds[-1] += (-1) * rate * gradients[-1]
for i in range(len(self.weights) - 1, 0, -1):
gradients.append(gradients[-1].dot(self.weights[i].T) * self.dact_func(self.networks[i]))
self.thresholds[i - 1] += (-1) * rate * gradients[-1]
gradients.reverse()
for i in range(len(self.weights)):
self.weights[i] += rate * self.networks[i].reshape((-1, 1)) * gradients[i]
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