3.27【机器学习】第五章作业&代码实现

5.1

使用线性函数作为激活函数时，因为在单元层和隐藏层，其单元值仍是输入值X的线性组合，只能表示线性关系，无法表示非线性关系。神经网络的优势在于能够学习和表示复杂的非线性关系。如果使用线性激活函数，神经网络只能表示线性变换，限制了其表达能力

若输出层也用线性函数作为激活函数，达不到"激活"与"筛选"的目的.

5.2

对率回归，是使用Sigmoid函数作为联系函数时的广义线性模型。使用Sigmoid激活函数，每个神经元几乎和对率回归相同，只不过对率回归在 [sigmoid(x)>0.5] 时输出为1，而神经元直接输出 [sigmoid(x)] 。

5.3

见附件

5.4

学习率太低，每次下降得很慢，使得迭代次数增多，时间开销、系统开销等各种开销增大。

学习率太高，会在梯度下降最低点来回震荡，难以得到想要的结果。

5.5

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

# STANDARD BP-NN & ACCUMULATED BP-NN
import numpy as np

class Data(object):
    def __init__(self, data):
        self.data = np.array(data)
        self.rows = len(self.data[:, 0])
        self.cols = len(self.data[0, :])  # it include the column of labels
        self.__eta = 0.1  # initial eta=0.1
        self.__in = self.cols - 1  # number of input neurons
        self.__out = len(np.unique(self.data[:, -1]))  # number of output neurons

    def set_eta(self, n):
        self.__eta = n

    def get_eta(self):
        return self.__eta

    def get_in(self):
        return self.__in

    def get_out(self):
        return self.__out

    # 标准BP算法
    def BP_NN(self, q=10, err=0.1):
        X = self.data[:, :-1]
        # 为X矩阵左边插入列-1来计算vx-gama,在后面对b操作应该同样加一列，来计算wb-theta
        X = np.insert(X, [0], -1, axis=1)
        Y = np.array([self.data[:, -1], 1 - self.data[:, -1]]).transpose()
        d, l = self.__in, self.__out
        v = np.mat(np.random.random((d + 1, q)))  # v_0 = gama
        w = np.mat(np.random.random((q + 1, l)))  # w_0 = theta

        def f(x):  # sigmoid function
            s = 1 / (1 + np.exp(-x))
            return s

        n = self.__eta
        gap = 1
        counter = 0
        while gap > err:  # set E_k<=0.01 to quit the loop
            counter += 1
            for i in range(self.rows):
                alpha = np.mat(X[i, :]) * v  # 1*q matrix
                b_init = f(alpha)  # 1*q matrix
                # 注意把中间变量b_init增加一个b_0，且b_0 = -1,此时成为b
                b = np.insert(b_init.T, [0], -1, axis=0)  # (q+1)*1 matrix
                beta = b.T * w  # 1*l matrix
                y_cal = np.array(f(beta))  # 1*l array

                g = y_cal * (1 - y_cal) * (Y[i, :] - y_cal)  # 1*l array
                w_g = w[1:, :] * np.mat(g).T  # q*1 matrix
                e = np.array(b_init) * (1 - np.array(b_init)) * np.array(w_g.T)  # 1*q array
                d_w = n * b * np.mat(g)
                d_v = n * np.mat(X[i, :]).T * np.mat(e)

                w += d_w
                v += d_v
            gap = 0.5 * np.sum((Y[i, :] - y_cal) ** 2)
        print('BP_round:', counter)
        return v, w

    # l累积BP算法
    def ABP_NN(self, q=10, err=0.1):
        X = self.data[:, :-1]
        # 为X矩阵左边插入列-1来计算vx-gama,在后面对b操作应该同样加一列，来计算wb-theta
        X = np.insert(X, [0], -1, axis=1)
        Y = np.array([self.data[:, -1], 1 - self.data[:, -1]]).transpose()
        d, l = self.__in, self.__out
        v = np.mat(np.random.random((d + 1, q)))  # v_0 = gama
        w = np.mat(np.random.random((q + 1, l)))  # w_0 = theta

        def f(x):  # sigmoid function
            s = 1 / (1 + np.exp(-x))
            return s

        n = self.__eta
        gap = 1
        counter = 0
        while gap > err:  # set E_k<=1 to quit the loop
            d_v, d_w, gap = 0, 0, 0
            counter += 1
            for i in range(self.rows):
                alpha = np.mat(X[i, :]) * v  # 1*q matrix
                b_init = f(alpha)  # 1*q matrix
                # 注意把中间变量b_init增加一个b_0，且b_0 = -1,此时成为b
                b = np.insert(b_init.T, [0], -1, axis=0)  # (q+1)*1 matrix
                beta = b.T * w  # 1*l matrix
                y_cal = np.array(f(beta))  # 1*l array

                g = y_cal * (1 - y_cal) * (Y[i, :] - y_cal)  # 1*l array
                w_g = w[1:, :] * np.mat(g).T  # q*1 matrix
                e = np.array(b_init) * (1 - np.array(b_init)) * np.array(w_g.T)  # 1*q array
                d_w += n * b * np.mat(g)
                d_v += n * np.mat(X[i, :]).T * np.mat(e)
                gap += 0.5 * np.sum((Y[i, :] - y_cal) ** 2)
            w += d_w / self.rows
            v += d_v / self.rows
            gap = gap / self.rows
        print('ABP_round:', counter)
        return v, w


def test_NN(a, v, w):
    X = a.data[:, :-1]
    X = np.insert(X, [0], -1, axis=1)
    Y = np.array([a.data[:, -1], 1 - a.data[:, -1]]).transpose()
    y_cal = np.zeros((a.rows, 2))

    def f(x):  # sigmoid function
        s = 1 / (1 + np.exp(-x))
        return s

    for i in range(a.rows):
        alpha = np.mat(X[i, :]) * v  # 1*q matrix
        b_init = f(alpha)  # 1*q matrix
        b = np.insert(b_init.T, [0], -1, axis=0)  # (q+1)*1 matrix
        beta = b.T * w  # 1*l matrix
        y_cal[i, :] = np.array(f(beta))  # 1*l array
    print(y_cal)


# 对原始数据进行一位有效编码
D = np.array([
  [1, 1, 1, 1, 1, 1, 0.697, 0.460, 1],
  [2, 1, 2, 1, 1, 1, 0.774, 0.376, 1],
  [2, 1, 1, 1, 1, 1, 0.634, 0.264, 1],
  [1, 1, 2, 1, 1, 1, 0.608, 0.318, 1],
  [3, 1, 1, 1, 1, 1, 0.556, 0.215, 1],
  [1, 2, 1, 1, 2, 2, 0.403, 0.237, 1],
  [2, 2, 1, 2, 2, 2, 0.481, 0.149, 1],
  [2, 2, 1, 1, 2, 1, 0.437, 0.211, 1],
  [2, 2, 2, 2, 2, 1, 0.666, 0.091, 0],
  [1, 3, 3, 1, 3, 2, 0.243, 0.267, 0],
  [3, 3, 3, 3, 3, 1, 0.245, 0.057, 0],
  [3, 1, 1, 3, 3, 2, 0.343, 0.099, 0],
  [1, 2, 1, 2, 1, 1, 0.639, 0.161, 0],
  [3, 2, 2, 2, 1, 1, 0.657, 0.198, 0],
  [2, 2, 1, 1, 2, 2, 0.360, 0.370, 0],
  [3, 1, 1, 3, 3, 1, 0.593, 0.042, 0],
  [1, 1, 2, 2, 2, 1, 0.719, 0.103, 0]])
a = Data(D)  # 加载数据
v, w = a.ABP_NN(err=0.01)  # 累积BP
v1, w1 = a.BP_NN(err=0.2)  # 标准BP
# v, w = a.ABP_NN(err=0.2)#累积BP
# v1, w1 = a.BP_NN(err=0.01)#标准BP
print("开始计算累计BP")
test_NN(a, v, w)
print("开始计算标准BP")
test_NN(a, v1, w1)

5.7

import numpy as np


def RBF(x, center_i, beta_i):
    dist = np.sum(pow((x - center_i), 2))
    rho = np.exp(-beta_i * dist)
    return rho


# 输出为1
class RBF_network:
    def __init__(self):
        self.hidden_num = 0
        self.y = 0

    def createNN(self, input_num, hidden_num, learning_rate, center):
        self.input_num = input_num
        self.hidden_num = hidden_num
        self.center = center
        self.w = np.random.random(self.hidden_num)
        self.rho = np.zeros(self.hidden_num)
        self.beta = np.random.random(self.hidden_num)
        self.lr = learning_rate

    def Predict(self, x):
        self.y = 0
        for i in range(self.hidden_num):
            self.rho[i] = RBF(x, self.center[i], self.beta[i])
            self.y += self.w[i] * self.rho[i]
        return self.y

    def BackPropagate(self, x, y):
        self.Predict(x)
        grad = np.zeros(self.hidden_num)
        for i in range(self.hidden_num):
            # dE_k/dy_cap = (y_cap-y)
            # dE_k/dw = (y_cap-y)*rho[i]
            # dE_k/d_beta = -(y_cap-y)*rho[i]w_i*||x-c_i||
            grad[i] = (self.y - y) * self.rho[i]
            self.w[i] -= self.lr * grad[i]
            self.beta[i] += self.lr * grad[i] * self.w[i] * np.sum(pow((x - center[i]), 2))

    def trainNN(self, x, y):
        error_list = []
        for i in range(len(x)):
            self.BackPropagate(x[i], y[i])
            error = (self.y - y[i]) ** 2
            error_list.append(error / 2)
        print(error_list)

train_x = np.random.randint(0,2,(100,2))
train_y = np.logical_xor(train_x[:,0],train_x[:,1])
test_x = np.random.randint(0,2,(100,2))
test_y = np.logical_xor(test_x[:,0],test_x[:,1])
center = np.array([[0,0],[0,1],[1,0],[1,1]])
rbf = RBF_network()
rbf.createNN(input_num = 2, hidden_num=4 , learning_rate=0.1, center=center)
rbf.trainNN(train_x, train_y)

激活函数是接收输入后产生的信号，不能用线性，不然依旧还是线性组合

ih,ho是二维矩阵，行是每个左侧的，列是每个右侧的，这样就是每一行代表左侧为其，右侧与其相连的神经元的边权，用的话就是左侧为起点，右侧为终点，就是类似于图的二维矩阵

这段先是遍历隐藏层的所有神经元，然后遍历与每个隐藏层神经元相连的所有上一层神经元；累加到这个隐藏层神经元的和，之后就是让它的输出为累加和减去阈值之后进入激活函数

`+ 'Derivate'` 是将字符串 `'Derivate'` 与之前的字符串进行拼接。

在这段代码中，`actfun` 是一个字符串变量，表示所选择激活函数的名称。通过将 `'Derivate'` 与 `actfun` 进行拼接，就得到了激活函数导数的名称。

假设 `actfun` 的值为 `'sigmoid'`，那么执行 `actfun + 'Derivate'` 就会得到 `'sigmoidDerivate'`，即拼接了 `'Derivate'` 的字符串。

通过这种拼接，可以根据所选激活函数的名称构造对应的激活函数导数的名称，并将其作为键在 `self.fun` 字典中获取到对应的函数对象。

这个就是拼接偏导后求偏导的操作

然后把当前的偏差通过链式法则方向传导回去