BP神经网络及手工搭建神经网络

import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

def sigmoid(x):    # 定义网络激活函数
    return 1/(1+np.exp(-x))

data_tr = pd.read_csv('C:/Users/CHEN/Documents/WeChat Files/wxid_t1xqjm4fkg2v22/FileStorage/File/2022-03/3.3 data_tr.txt')  # 训练集样本
data_te = pd.read_csv('C:/Users/CHEN/Documents/WeChat Files/wxid_t1xqjm4fkg2v22/FileStorage/File/2022-03/3.3 data_te.txt')  # 测试集样本
n = len(data_tr)
yita = 0.85  # 自己设置学习速率

out_in = np.array([0.0, 0, 0, 0, -1])   # 输出层的输入，即隐层的输出
w_mid = np.zeros([3,4])  # 隐层神经元的权值&阈值
w_out = np.zeros([5])     # 输出层神经元的权值&阈值

delta_w_out = np.zeros([5])      # 输出层权值&阈值的修正量
delta_w_mid = np.zeros([3,4])   # 中间层权值&阈值的修正量
Err = []
'''
模型训练
'''
for j in range(1000):
    error = []
    for it in range(n):
        net_in = np.array([data_tr.iloc[it, 0], data_tr.iloc[it, 1], -1])  # 网络输入
        real = data_tr.iloc[it, 2]
        for i in range(4):
            out_in[i] = sigmoid(sum(net_in * w_mid[:, i]))  # 从输入到隐层的传输过程
        res = sigmoid(sum(out_in * w_out))   # 模型预测值
        error.append(abs(real-res))#误差

        print(it, '个样本的模型输出：', res, 'real:', real)
        delta_w_out = yita*res*(1-res)*(real-res)*out_in  # 输出层权值的修正量
        delta_w_out[4] = -yita*res*(1-res)*(real-res)     # 输出层阈值的修正量
        w_out = w_out + delta_w_out   # 更新，加上修正量

        for i in range(4):
            delta_w_mid[:, i] = yita*out_in[i]*(1-out_in[i])*w_out[i]*res*(1-res)*(real-res)*net_in   # 中间层神经元的权值修正量
            delta_w_mid[2, i] = -yita*out_in[i]*(1-out_in[i])*w_out[i]*res*(1-res)*(real-res)         # 中间层神经元的阈值修正量,第2行是阈值
        w_mid = w_mid + delta_w_mid   # 更新，加上修正量
    Err.append(np.mean(error))
print(w_mid,w_out)
plt.plot(Err)#训练集上每一轮的平均误差
plt.show()
plt.close()

'''
将测试集样本放入训练好的网络中去
'''
error_te = []
for it in range(len(data_te)):
    net_in = np.array([data_te.iloc[it, 0], data_te.iloc[it, 1], -1])  # 网络输入
    real = data_te.iloc[it, 2]
    for i in range(4):
        out_in[i] = sigmoid(sum(net_in * w_mid[:, i]))  # 从输入到隐层的传输过程
    res = sigmoid(sum(out_in * w_out))   # 模型预测值
    error_te.append(abs(real-res))
plt.plot(error_te)#测试集上每一轮的误差
plt.show()
np.mean(error_te)

import numpy as np
import scipy.special
import pylab
import matplotlib.pyplot as plt
#%%
class NeuralNetwork():
# 初始化神经网络
def __init__(self, inputnodes, hiddennodes, outputnodes, learningrate):
# 设置输入层节点，隐藏层节点和输出层节点的数量和学习率
self.inodes = inputnodes
self.hnodes = hiddennodes
self.onodes = outputnodes
self.lr = learningrate #设置神经网络中的学习率
# 使用正态分布，进行权重矩阵的初始化
self.wih = np.random.normal(0.0, pow(self.hnodes, -0.5), (self.hnodes, self.inodes)) #(mu,sigma,矩阵)
self.who = np.random.normal(0.0, pow(self.onodes, -0.5), (self.onodes, self.hnodes))
self.activation_function = lambda x: scipy.special.expit(x) #激活函数设为Sigmod()函数
pass
# 定义训练神经网络
print("************Train start******************")
def train(self,input_list,target_list):
# 将输入、输出列表转换为二维数组
inputs = np.array(input_list, ndmin=2).T #T:转置
targets = np.array(target_list,ndmin= 2).T
hidden_inputs = np.dot(self.wih, inputs) #计算到隐藏层的信号，dot()返回的是两个数组的点积
hidden_outputs = self.activation_function(hidden_inputs) #计算隐藏层输出的信号
final_inputs = np.dot(self.who, hidden_outputs) #计算到输出层的信号
final_outputs = self.activation_function(final_inputs)

output_errors = targets - final_outputs #计算输出值与标签值的差值

hidden_errors = np.dot(self.who.T,output_errors)

#隐藏层和输出层权重更新
self.who += self.lr * np.dot((output_errors*final_outputs*(1.0-final_outputs)),
np.transpose(hidden_outputs))#transpose()转置
#输入层和隐藏层权重更新
self.wih += self.lr * np.dot((hidden_errors*hidden_outputs*(1.0-hidden_outputs)),
np.transpose(inputs))#转置
pass

#查询神经网络
def query(self, input_list): # 转换输入列表到二维数
inputs = np.array(input_list, ndmin=2).T #计算到隐藏层的信号
hidden_inputs = np.dot(self.wih, inputs) #计算隐藏层输出的信号
hidden_outputs = self.activation_function(hidden_inputs) #计算到输出层的信号
final_inputs = np.dot(self.who, hidden_outputs)
final_outputs = self.activation_function(final_inputs)
return final_outputs
#%%
input_nodes = 784 #输入层神经元个数
hidden_nodes = 100 #隐藏层神经元个数
output_nodes = 10 #输出层神经元个数
learning_rate = 0.3 #学习率为0.3
# 创建神经网络
n = NeuralNetwork(input_nodes, hidden_nodes, output_nodes, learning_rate)
#%%
#读取训练数据集 转化为列表
training_data_file = open(r"C:\Users\CHEN\Documents\WeChat Files\wxid_t1xqjm4fkg2v22\FileStorage\File\2022-03\mnist_train.csv",'r')
training_data_list = training_data_file.readlines() #方法用于读取所有行，并返回列表
#print("training_data_list:",training_data_list)
training_data_file.close()
#%%
#训练次数
i = 2
for e in range(i):
#训练神经网络
for record in training_data_list:
all_values = record.split(',') #根据逗号，将文本数据进行拆分
#将文本字符串转化为实数，并创建这些数字的数组。
inputs = (np.asfarray(all_values[1:])/255.0 * 0.99) + 0.01
#创建用零填充的数组，数组的长度为output_nodes,加0.01解决了0输入造成的问题
targets = np.zeros(output_nodes) + 0.01 #10个元素都为0.01的数组
#使用目标标签，将正确元素设置为0.99
targets[int(all_values[0])] = 0.99#all_values[0]=='8'
n.train(inputs,targets)
pass
pass
#%%
test_data_file = open(r"C:\Users\CHEN\Documents\WeChat Files\wxid_t1xqjm4fkg2v22\FileStorage\File\2022-03\mnist_test.csv",'r')
test_data_list = test_data_file.readlines()
test_data_file.close()

all_values = test_data_list[2].split(',') #第3条数据，首元素为1
# print(all_values)
# print(len(all_values))
# print(all_values[0]) #输出目标值
#%%
score = []
print("***************Test start!**********************")
for record in test_data_list:
#用逗号分割将数据进行拆分
all_values = record.split(',')
#正确的答案是第一个值
correct_values = int(all_values[0])
# print(correct_values,"是正确的期望值")
#做输入
inputs = (np.asfarray(all_values[1:])/255.0 * 0.99) + 0.01
#测试网络 作输入
outputs= n.query(inputs)#10行一列的矩阵
#找出输出的最大值的索引
label = np.argmax(outputs)
# print(label,"是网络的输出值\n")
#如果期望值和网络的输出值正确 则往score 数组里面加1 否则添加0
if(label == correct_values):
score.append(1)
else:
score.append(0)
pass
pass
print(outputs)
#%%
# print(score)
score_array = np.asfarray(score)
#%%
print("正确率是：",(score_array.sum()/score_array.size)*100,'%')