神经网络实现数字识别(机器学习)

我们有很多0到9的图片集,我们要训练一个网络来自动识别数字,我们有20*20的图像5000个。

把图片展平,这样每个记录就有400个特征,最后一列是标签值,1-9表示数字1-9;10表示数字0。数据集:ex_2/ex3data1.mat · Orange_Xiao/Machine_Learning - 码云 - 开源中国 (gitee.com)

Onehot-编码介绍

首先我们需要将y设置为One-hot编码。

下面是数据y。我们可以看出,第一行的是10,也对应着0。我们需要把第一行转化为1,0,0,...0

即原来5000*1的矩阵转化为5000*10的矩阵。

array([

10

9

8

])

我们需要将上面转化为

每个样本中的单个特征只有1位处于状态1,其他都处于0。上面那个就代表数字1。1在哪个位置就代表哪个标签。

导入数据

python 复制代码
import pandas as pd
import numpy as np
import scipy.io as sio
import matplotlib
from skimage import transform
from PIL import Image
from scipy.optimize import minimize

matplotlib.use('tkAgg')
import matplotlib.pyplot as plt

file_path = "D:\\JD\\Documents\\大学等等等\\自学部分\\机器学习自学画图\\手写数字识别\\ex3data1.mat"
data = sio.loadmat(file_path)
row_X = data['X']
row_y = data['y']
print("-------------------------------------------------")
print(row_X.shape, row_y.shape)

(5000, 400) (5000, 1)

下面说如何讲y转化乘OneHot编码:

我们可以导入一个库。

python 复制代码
from sklearn.preprocessing import OneHotEncoder
encoder = OneHotEncoder(sparse_output=False)#不使用稀疏形式
y_onehot  = encoder.fit_transform(row_y)
print(y_onehot.shape)
print(y_onehot[0])

(5000, 10)

0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 1.

网络结构

再来一个更加直观的图:

输入:

修改:

代价函数

注意基本上机器学习的代价函数都是要表示出:"预测值与真实值"之间的差距。

于是我们有:

python 复制代码
def sigmoid(z):
    return 1 / (1 + np.exp(-z))


def forward_propagate(X, theta1, theta2):
    m = X.shape[0]
    a1 = np.insert(X, 0, values=np.ones(m), axis=1)  # 多加一列,用于与theta中的常数相乘
    z2 = a1 * theta1.T
    a2 = np.insert(z2, 0, values=np.ones(m), axis=1)
    z3 = a2 * theta2.T
    h = sigmoid(z3)
    return a1, z2, a2, z3, h


def cost(params, input_size, hidden_size, num_labels, X, y, lamda):
    m = X.shape[0]
    X = np.matrix(X)
    y = np.matrix(y)
    theta1 = np.matrix(np.reshape(params[:hidden_size * (input_size + 1)], (hidden_size, (input_size + 1))))
    theta2 = np.matrix(np.reshape(params[hidden_size * (input_size + 1):], (num_labels, (hidden_size + 1))))
    a1, z2, a2, z3, h = forward_propagate(X, theta1, theta2)
    J = 0
    for i in range(m):
        first_item = np.multiply(-y[i, :], np.log(h[i, :]))
        second_item = np.multiply((1 - y[i,:]), np.log(1 - h[i,:]))
        J += np.sum(first_item - second_item)
    J = J / m

    J += (float(lamda) / (2 * m)) * (np.sum(np.power(theta1[:, 1:], 2)) + np.sum(np.power(theta2[:, 1:], 2)))
    return J


input_size = 400
hidden_size = 25
num_labels = 10
lamda = 1
params = (np.random.random(size=hidden_size * (input_size + 1) + num_labels * (hidden_size + 1)) - 0.5) * 0.25
m = X.shape[0]
X = np.matrix(X)
y = np.matrix(y)

theta1 = np.matrix(np.reshape(params[:hidden_size * (input_size + 1)], (hidden_size, (input_size + 1))))
theta2 = np.matrix(np.reshape(params[hidden_size * (input_size + 1):], (num_labels, (hidden_size + 1))))

print(theta1.shape, theta1.shape)

print(cost(params, input_size, hidden_size, num_labels, X, y_onehot, lamda))

计算梯度

我们现在规定

表示第t条数据的a1。

假如损失函数对的梯度叫

特别注意:当有

python 复制代码
def sigmoid_gradient(z):
    return np.multiply(sigmoid(z), (1 - sigmoid(z)))


def backprop(params, input_size, hidden_size, num_labels, X, y, lamda):
    m = X.shape[0]
    X = np.matrix(X)
    y = np.matrix(y)
    theta1 = np.matrix(np.reshape(params[:hidden_size * (input_size + 1)], (hidden_size, (input_size + 1))))
    theta2 = np.matrix(np.reshape(params[hidden_size * (input_size + 1):], (num_labels, (hidden_size + 1))))
    a1, z2, a2, z3, h = forward_propagate(X, theta1, theta2)
    J = 0
    delta1 = np.zeros(theta1.shape)
    delta2 = np.zeros(theta2.shape)
    for i in range(m):
        first_term = np.multiply(-y[i, :], np.log(h[i, :] ))
        second_term = np.multiply((1 - y[i, :]), np.log(1 - h[i, :] ))
        J += np.sum(first_term - second_term)
    J = J / m

    for t in range(m):
        a1t = a1[t, :]
        z2t = z2[t, :]
        a2t = a2[t, :]
        ht = h[t, :]
        yt = y[t, :]
        d3t = ht - yt
        z2t = np.insert(z2t, 0, values=np.ones(1))
        d2t = np.multiply((theta2.T * d3t.T).T, sigmoid_gradient(z2t))
        delta1 = delta1 + (d2t[:, 1:]).T * a1t
        delta2 = delta2 + d3t.T * a2t

    delta1[:, 1:] = delta1[:, 1:] + (theta1[:, 1:] * lamda) / m
    delta2[:, 1:] = delta2[:, 1:] + (theta2[:, 1:] * lamda) / m
    grad = np.concatenate((np.ravel(delta1), np.ravel(delta2)))

    return J, grad


J, grad = backprop(params, input_size, hidden_size, num_labels, X, y_onehot, lamda)

print("+++++++++++++++++++++++++++++++")
print(J, grad.shape)

fmin = minimize(fun=backprop, x0=params, args=(input_size, hidden_size, num_labels, X, y_onehot, lamda),
                method='TNC', jac=True, options={'maxiter': 250})
print((fmin))
相关推荐
前端开发江鸟9 分钟前
RAG 回答错了,问题到底出在召回、重排,还是生成?
人工智能
美狐美颜SDK开放平台25 分钟前
直播app开发如何实现主播级美颜效果?美颜sdk开发方案详解
人工智能·音视频·美颜sdk·视频美颜sdk·美颜api
东方小月34 分钟前
从零开发一个 Coding Agent(四):使用状态机校验大模型事件流
前端·人工智能·后端
大龄码农有梦想35 分钟前
使用大模型服务如何保证数据安全?企业 AI 安全、私有化部署与治理实践
人工智能·私有化部署·数据安全·信创·ai agent·智能体·智能体开发平台
冬奇Lab38 分钟前
每日一个开源项目(第170篇):CodeWiki - ACL 2026 论文级代码库自动文档生成,递归多 Agent 架构
人工智能·开源·资讯
lxw18449125141 小时前
Claude-Code企业级培训教程
人工智能
冬奇Lab1 小时前
代码库知识库系列(01):技术全景——为什么代码理解比文档检索难十倍
人工智能
MartinYeung51 小时前
[论文学习]迈向自主医疗人工智能智能体:MIRA系统深度分析
人工智能·学习
土星云SaturnCloud1 小时前
边缘侧大模型部署的新利器——国科环宇GK 300I大模型一体机深度评测与架构解析
服务器·人工智能·ai·边缘计算
_Jimmy_2 小时前
Agent 溯源精度提升方案
人工智能·python·langchain