本博客是吴恩达老师深度学习课程第三周编程作业，参考博客https://blog.csdn.net/u013733326/article/details/79702148完成。
此次编程作业要求建立一个简单的神经网络，包括一个隐藏层。功能是实现平面数据分类。
1、准备工作
首先是准备项目需要用到的软件包：
- numpy：是用Python进行科学计算的基本软件包。
- sklearn：为数据挖掘和数据分析提供的简单高效的工具。
- matplotlib ：是一个用于在Python中绘制图表的库。
- testCases：提供了一些测试示例来评估函数的正确性，参见下载的资料或者在底部查看它的代码。
- planar_utils ：提供了在这个任务中使用的各种有用的功能，参见下载的资料或者在底部查看它的代码。
import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from testCases import * import sklearn import sklearn.datasets import sklearn.linear_model from planar_utils import plot_decision_boundary, sigmoid, load_planar_dataset, load_extra_datasets np.random.seed(1) #设置一个固定的随机种子，以保证接下来的步骤中我们的结果是一致的。
planar_utils和testCases的代码在博客最后有，这两个代码是原博主给出的。
2、加载数据
主程序中首先把数据加载到变量X和Y中，我们可以把数据集绘制出来，利用matpotlib可视化数据集：
plt.scatter(X[0, :], X[1, :], c=Y, s=40, cmap=plt.cm.Spectral) #绘制散点图 plt.show()
数据看起来是一朵花，由红色（y=0）和蓝色（y=1）的数据点组成的花朵的图案。此次项目的任务也是建立一个模型来适应这些数据，并把平面区域划分成两类。我们现在拥有的东西如下：
- X：一个numpy的矩阵，包含了这些数据点的数值
- Y：一个numpy的向量，对应着的是X的标签【0 | 1】（红色:0 ， 蓝色 :1）
我们观察变量的格式：
shape_X = X.shape
shape_Y = Y.shape
m = Y.shape[1] # 训练集里面的数量
print ("X的维度为: " + str(shape_X))
print ("Y的维度为: " + str(shape_Y))
print ("数据集里面的数据有：" + str(m) + " 个")
3、搭建神经网络
我们要搭建的神经网络模型如下：
理论基础
计算成本的方法：
构建神经网络的方法：
1、定义网络结构
2、初始化模型参数
3、执行循环：a.前向传播计算A和Z。 b.计算损失函数。 c.后向传播计算导数。 d.梯度下降更新参数。
我们要它们合并到一个nn_model() 函数中，当我们构建好了nn_model（）并学习了正确的参数，我们就可以预测新的数据。
4、定义网络结构
def layer_sizes(X , Y):
"""
参数：
X - 输入数据集,维度为（输入的数量，训练/测试的数量）
Y - 标签，维度为（输出的数量，训练/测试数量）
返回：
n_x - 输入层的数量
n_h - 隐藏层的数量
n_y - 输出层的数量
"""
n_x = X.shape[0] # 输入层shape_X
n_h = 4 #，隐藏层，硬编码为4
n_y = Y.shape[0] #输出层
return (n_x,n_h,n_y)
在此神经网络中，n_x是2，因为数据集中有两个特征，分别是两个坐标值，n_h是隐藏层，本次设定为4，n_y是2，表示红蓝两色的值。
5、初始化参数
def initialize_parameters(n_x, n_h, n_y):
"""
参数：
n_x - 输入层节点的数量
n_h - 隐藏层节点的数量
n_y - 输出层节点的数量
返回：
parameters - 包含参数的字典：
W1 - 权重矩阵,维度为（n_h，n_x）
b1 - 偏向量，维度为（n_h，1）
W2 - 权重矩阵，维度为（n_y，n_h）
b2 - 偏向量，维度为（n_y，1）
"""
np.random.seed(2) # 指定一个随机种子，以便你的输出与我们的一样。
W1 = np.random.randn(n_h, n_x) * 0.01
b1 = np.zeros(shape=(n_h, 1))
W2 = np.random.randn(n_y, n_h) * 0.01
b2 = np.zeros(shape=(n_y, 1))
# 使用断言确保我的数据格式是正确的
assert (W1.shape == (n_h, n_x))
assert (b1.shape == (n_h, 1))
assert (W2.shape == (n_y, n_h))
assert (b2.shape == (n_y, 1))
parameters = {"W1": W1,
"b1": b1,
"W2": W2,
"b2": b2}
return parameters
6、前向传播
步骤如下：
- 使用字典类型的parameters（它是initialize_parameters() 的输出）检索每个参数。
- 实现向前传播, 计算Z[1],A[1],Z[2]Z^{[1]}, A^{[1]}, Z^{[2]}Z[1],A[1],Z[2] 和 A[2]A^{[2]}A[2]（ 训练集里面所有例子的预测向量）。
- 反向传播所需的值存储在“cache”中，cache将作为反向传播函数的输入。
def forward_propagation(X, parameters):
"""
参数：
X - 维度为（n_x，m）的输入数据。
parameters - 初始化函数（initialize_parameters）的输出
返回：
A2 - 使用sigmoid()函数计算的第二次激活后的数值
cache - 包含“Z1”，“A1”，“Z2”和“A2”的字典类型变量
"""
W1 = parameters["W1"]
b1 = parameters["b1"]
W2 = parameters["W2"]
b2 = parameters["b2"]
# 前向传播计算A2
Z1 = np.dot(W1, X) + b1
A1 = np.tanh(Z1)
Z2 = np.dot(W2, A1) + b2
A2 = sigmoid(Z2)
# 使用断言确保我的数据格式是正确的
assert (A2.shape == (1, X.shape[1]))
cache = {"Z1": Z1,
"A1": A1,
"Z2": Z2,
"A2": A2}
return (A2, cache)
前向传播在计算时，第一层用的激活函数是tanh函数，第二层也就是输出层用的激活函数是sigmoid函数，因为分为是二分类，所以可以用该函数。
7、计算损失
def compute_cost(A2, Y, parameters):
"""
计算方程（6）中给出的交叉熵成本，
参数：
A2 - 使用sigmoid()函数计算的第二次激活后的数值
Y - "True"标签向量,维度为（1，数量）
parameters - 一个包含W1，B1，W2和B2的字典类型的变量
返回：
成本 - 交叉熵成本给出方程（13）
"""
m = Y.shape[1]
W1 = parameters["W1"]
W2 = parameters["W2"]
# 计算成本
logprobs = logprobs = np.multiply(np.log(A2), Y) + np.multiply((1 - Y), np.log(1 - A2))
cost = - np.sum(logprobs) / m
cost = float(np.squeeze(cost))
assert (isinstance(cost, float))
return cost
8、反向传播
反向传播时我们用到的六个方程如下：
def backward_propagation(parameters, cache, X, Y):
"""
使用上述说明搭建反向传播函数。
参数：
parameters - 包含我们的参数的一个字典类型的变量。
cache - 包含“Z1”，“A1”，“Z2”和“A2”的字典类型的变量。
X - 输入数据，维度为（2，数量）
Y - “True”标签，维度为（1，数量）
返回：
grads - 包含W和b的导数一个字典类型的变量。
"""
m = X.shape[1]
W1 = parameters["W1"]
W2 = parameters["W2"]
A1 = cache["A1"]
A2 = cache["A2"]
dZ2 = A2 - Y
dW2 = (1 / m) * np.dot(dZ2, A1.T)
db2 = (1 / m) * np.sum(dZ2, axis=1, keepdims=True)
dZ1 = np.multiply(np.dot(W2.T, dZ2), 1 - np.power(A1, 2))
dW1 = (1 / m) * np.dot(dZ1, X.T)
db1 = (1 / m) * np.sum(dZ1, axis=1, keepdims=True)
grads = {"dW1": dW1,
"db1": db1,
"dW2": dW2,
"db2": db2}
return grads
计算导数用到的公式上边都有。
9、梯度下降更新参数
def update_parameters(parameters, grads, learning_rate=1.2):
"""
使用上面给出的梯度下降更新规则更新参数
参数：
parameters - 包含参数的字典类型的变量。
grads - 包含导数值的字典类型的变量。
learning_rate - 学习速率
返回：
parameters - 包含更新参数的字典类型的变量。
"""
W1, W2 = parameters["W1"], parameters["W2"]
b1, b2 = parameters["b1"], parameters["b2"]
dW1, dW2 = grads["dW1"], grads["dW2"]
db1, db2 = grads["db1"], grads["db2"]
W1 = W1 - learning_rate * dW1
b1 = b1 - learning_rate * db1
W2 = W2 - learning_rate * dW2
b2 = b2 - learning_rate * db2
parameters = {"W1": W1,
"b1": b1,
"W2": W2,
"b2": b2}
return parameters
梯度下降算法的原理和步骤原来都学过，所以这里不讲了。
10、整合
最后，我们把这些函数正和在一起。
def nn_model(X, Y, n_h, num_iterations, print_cost=False):
"""
参数：
X - 数据集,维度为（2，示例数）
Y - 标签，维度为（1，示例数）
n_h - 隐藏层的数量
num_iterations - 梯度下降循环中的迭代次数
print_cost - 如果为True，则每1000次迭代打印一次成本数值
返回：
parameters - 模型学习的参数，它们可以用来进行预测。
"""
np.random.seed(3) # 指定随机种子
n_x = layer_sizes(X, Y)[0]
n_y = layer_sizes(X, Y)[2]
parameters = initialize_parameters(n_x, n_h, n_y)
W1 = parameters["W1"]
b1 = parameters["b1"]
W2 = parameters["W2"]
b2 = parameters["b2"]
for i in range(num_iterations):
A2, cache = forward_propagation(X, parameters)
cost = compute_cost(A2, Y, parameters)
grads = backward_propagation(parameters, cache, X, Y)
parameters = update_parameters(parameters, grads, learning_rate=0.5)
if print_cost:
if i % 1000 == 0:
print("第 ", i, " 次循环，成本为：" + str(cost))
return parameters
整合代码执行流程：首先是利用加载好的数据集定义网络结构，并得出各层神经元个数。然后初始化模型参数，并把各层的参数存储到变量中以供使用。然后就是循环部分：先是利用前向循环计算A2的值和Z1、A1、Z2、A2并存储到变量中，然后利用A2，Y计算损失，然后利用反向传播算法计算导数，得出导数之后，再利用梯度下降算法更新参数，不断循环，最后得出合适的参数。
11、预测
参数得出之后，就可以利用参数预测。预测主要使用前向传播就可以。
def predict(parameters, X):
"""
使用学习的参数，为X中的每个示例预测一个类
参数：
parameters - 包含参数的字典类型的变量。
X - 输入数据（n_x，m）
返回
predictions - 我们模型预测的向量（红色：0 /蓝色：1）
"""
A2, cache = forward_propagation(X, parameters)
predictions = np.round(A2)
return predictions
12、正式运行
这样我们就做完了所有工作，接下来就是正式运行，首先是利用nn_model函数计算得出模型，然后再利用模型预测，之后利用python的绘制边界函数把平面划分成两类。这个绘制边界的函数我也不太懂。
parameters = nn_model(X, Y, n_h = 4, num_iterations=10000, print_cost=True)
#绘制边界
plot_decision_boundary(lambda x: predict(parameters, x.T), X, Y)
plt.title("Decision Boundary for hidden layer size " + str(4))
plt.show()
predictions = predict(parameters, X)
print ('准确率: %d' % float((np.dot(Y, predictions.T) + np.dot(1 - Y, 1 - predictions.T)) / float(Y.size) * 100) + '%')
这就是此次项目的所有细节，这是我第一次搭建简单的神经网络，总的来说，过程还是比较顺利，对于数学原理理解的还是不错，项目流程也都理解，只不过是对python代码不太熟悉，所以代码不是一个一个自己敲得。再次声明，本文参考博客https://blog.csdn.net/u013733326/article/details/79702148完成。
testCases.py代码：
import numpy as np
def layer_sizes_test_case():
np.random.seed(1)
X_assess = np.random.randn(5, 3)
Y_assess = np.random.randn(2, 3)
return X_assess, Y_assess
def initialize_parameters_test_case():
n_x, n_h, n_y = 2, 4, 1
return n_x, n_h, n_y
def forward_propagation_test_case():
np.random.seed(1)
X_assess = np.random.randn(2, 3)
parameters = {'W1': np.array([[-0.00416758, -0.00056267],
[-0.02136196, 0.01640271],
[-0.01793436, -0.00841747],
[ 0.00502881, -0.01245288]]),
'W2': np.array([[-0.01057952, -0.00909008, 0.00551454, 0.02292208]]),
'b1': np.array([[ 0.],
[ 0.],
[ 0.],
[ 0.]]),
'b2': np.array([[ 0.]])}
return X_assess, parameters
def compute_cost_test_case():
np.random.seed(1)
Y_assess = np.random.randn(1, 3)
parameters = {'W1': np.array([[-0.00416758, -0.00056267],
[-0.02136196, 0.01640271],
[-0.01793436, -0.00841747],
[ 0.00502881, -0.01245288]]),
'W2': np.array([[-0.01057952, -0.00909008, 0.00551454, 0.02292208]]),
'b1': np.array([[ 0.],
[ 0.],
[ 0.],
[ 0.]]),
'b2': np.array([[ 0.]])}
a2 = (np.array([[ 0.5002307 , 0.49985831, 0.50023963]]))
return a2, Y_assess, parameters
def backward_propagation_test_case():
np.random.seed(1)
X_assess = np.random.randn(2, 3)
Y_assess = np.random.randn(1, 3)
parameters = {'W1': np.array([[-0.00416758, -0.00056267],
[-0.02136196, 0.01640271],
[-0.01793436, -0.00841747],
[ 0.00502881, -0.01245288]]),
'W2': np.array([[-0.01057952, -0.00909008, 0.00551454, 0.02292208]]),
'b1': np.array([[ 0.],
[ 0.],
[ 0.],
[ 0.]]),
'b2': np.array([[ 0.]])}
cache = {'A1': np.array([[-0.00616578, 0.0020626 , 0.00349619],
[-0.05225116, 0.02725659, -0.02646251],
[-0.02009721, 0.0036869 , 0.02883756],
[ 0.02152675, -0.01385234, 0.02599885]]),
'A2': np.array([[ 0.5002307 , 0.49985831, 0.50023963]]),
'Z1': np.array([[-0.00616586, 0.0020626 , 0.0034962 ],
[-0.05229879, 0.02726335, -0.02646869],
[-0.02009991, 0.00368692, 0.02884556],
[ 0.02153007, -0.01385322, 0.02600471]]),
'Z2': np.array([[ 0.00092281, -0.00056678, 0.00095853]])}
return parameters, cache, X_assess, Y_assess
def update_parameters_test_case():
parameters = {'W1': np.array([[-0.00615039, 0.0169021 ],
[-0.02311792, 0.03137121],
[-0.0169217 , -0.01752545],
[ 0.00935436, -0.05018221]]),
'W2': np.array([[-0.0104319 , -0.04019007, 0.01607211, 0.04440255]]),
'b1': np.array([[ -8.97523455e-07],
[ 8.15562092e-06],
[ 6.04810633e-07],
[ -2.54560700e-06]]),
'b2': np.array([[ 9.14954378e-05]])}
grads = {'dW1': np.array([[ 0.00023322, -0.00205423],
[ 0.00082222, -0.00700776],
[-0.00031831, 0.0028636 ],
[-0.00092857, 0.00809933]]),
'dW2': np.array([[ -1.75740039e-05, 3.70231337e-03, -1.25683095e-03,
-2.55715317e-03]]),
'db1': np.array([[ 1.05570087e-07],
[ -3.81814487e-06],
[ -1.90155145e-07],
[ 5.46467802e-07]]),
'db2': np.array([[ -1.08923140e-05]])}
return parameters, grads
def nn_model_test_case():
np.random.seed(1)
X_assess = np.random.randn(2, 3)
Y_assess = np.random.randn(1, 3)
return X_assess, Y_assess
def predict_test_case():
np.random.seed(1)
X_assess = np.random.randn(2, 3)
parameters = {'W1': np.array([[-0.00615039, 0.0169021 ],
[-0.02311792, 0.03137121],
[-0.0169217 , -0.01752545],
[ 0.00935436, -0.05018221]]),
'W2': np.array([[-0.0104319 , -0.04019007, 0.01607211, 0.04440255]]),
'b1': np.array([[ -8.97523455e-07],
[ 8.15562092e-06],
[ 6.04810633e-07],
[ -2.54560700e-06]]),
'b2': np.array([[ 9.14954378e-05]])}
return parameters, X_assess
planar_utils.py代码：
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import sklearn
import sklearn.datasets
import sklearn.linear_model
def plot_decision_boundary(model, X, y):
# Set min and max values and give it some padding
x_min, x_max = X[0, :].min() - 1, X[0, :].max() + 1
y_min, y_max = X[1, :].min() - 1, X[1, :].max() + 1
h = 0.01
# Generate a grid of points with distance h between them
xx, yy = np.meshgrid(np.arange(x_min, x_max, h), np.arange(y_min, y_max, h))
# Predict the function value for the whole grid
Z = model(np.c_[xx.ravel(), yy.ravel()])
Z = Z.reshape(xx.shape)
# Plot the contour and training examples
plt.contourf(xx, yy, Z, cmap=plt.cm.Spectral)
plt.ylabel('x2')
plt.xlabel('x1')
plt.scatter(X[0, :], X[1, :], c=y, cmap=plt.cm.Spectral)
def sigmoid(x):
s = 1/(1+np.exp(-x))
return s
def load_planar_dataset():
np.random.seed(1)
m = 400 # number of examples
N = int(m/2) # number of points per class
D = 2 # dimensionality
X = np.zeros((m,D)) # data matrix where each row is a single example
Y = np.zeros((m,1), dtype='uint8') # labels vector (0 for red, 1 for blue)
a = 4 # maximum ray of the flower
for j in range(2):
ix = range(N*j,N*(j+1))
t = np.linspace(j*3.12,(j+1)*3.12,N) + np.random.randn(N)*0.2 # theta
r = a*np.sin(4*t) + np.random.randn(N)*0.2 # radius
X[ix] = np.c_[r*np.sin(t), r*np.cos(t)]
Y[ix] = j
X = X.T
Y = Y.T
return X, Y
def load_extra_datasets():
N = 200
noisy_circles = sklearn.datasets.make_circles(n_samples=N, factor=.5, noise=.3)
noisy_moons = sklearn.datasets.make_moons(n_samples=N, noise=.2)
blobs = sklearn.datasets.make_blobs(n_samples=N, random_state=5, n_features=2, centers=6)
gaussian_quantiles = sklearn.datasets.make_gaussian_quantiles(mean=None, cov=0.5, n_samples=N, n_features=2, n_classes=2, shuffle=True, random_state=None)
no_structure = np.random.rand(N, 2), np.random.rand(N, 2)
return noisy_circles, noisy_moons, blobs, gaussian_quantiles, no_structure